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深基坑开挖对既有地铁盾构隧道变形影响研究

(广州地铁设计研究院有限公司)

0引言
近年来城市地铁建设速度飞快发展，国内重要城市均已逐渐开通运营地铁线路，地铁运营安全与地铁保护的命题也随之呈现出来。在地铁保护的各种类型中，地铁盾构隧道因其预制拼装的特性，承受变形能力差，过大变形易引发错台、漏水等病害，对此命题进行深入研究备实际的研究意义。本文结合苏州某靠近地铁隧道的深基坑开挖，研究深基坑开挖对地铁隧道变形的影响。
1工程概况
1．1概述
拟建的某深基坑为综合办公楼的地下室，地下室基坑开挖深度11～13m，基坑面积约为6645m2，东西长约116m，南北宽约81．3m。基坑距离已经运营的地铁区间隧道最近处为7．3m，基坑与区间隧道的关系如图1～2所示。
1．2工程地质与水文地质
拟建场地地坪以下的主要土层及工程特性如表1所示。
勘察深度范围内共揭露3层地下水，类型分别为:①孔隙潜水;②微承压水;③承压水。孔隙潜水赋存于上部①素填土层孔隙之中，潜水主要由大气降水与地表水补给，通过自然蒸发与侧向径流排泄;微承压水赋存于⑤粉土夹粉砂、⑥粉砂夹粉土、⑦1粉砂中，主要由侧向径流补给，通过侧向径流排泄。承压水赋存于⑧粉砂夹粉土中，主要由侧向径流补给，通过侧向径流排泄。

2基坑施工对环境影响的一般性分析
2．1围护结构工法选型
深基坑施工对周边环境的影响因素包括以下3个方面:①围护结构施工引起的;②基坑降水引起的;③基坑开挖卸载引起的。在不同的情况下，3种因素对基坑周边地表沉降的影响均较大，一般而言，基坑开挖引起的地表沉降最大，围护结构施工引起的地表沉降次之，在围护结构封闭的情况下，基坑降水引起的地表沉降最小。
围护结构施工引起的地表沉降视围护结型式的不同存在较大差异，一般来说，每次施工的围护结构宽度越小，施工机具越小，对周边环境的扰动也越小。对于常见的围护工法而言，钻孔桩或咬合桩的施工对于环境施工影响一般最小，其次是SMW工法桩，影响最大的是地下连续墙。
基坑降水引起的地表沉降跟围护结构的施工质量有着较大的关系，一般而言，围护结构较为封闭的情况，基坑降水对坑外的环境变形的影响较小。对于常见的围护工法而言，地下连续墙的止水效果最好，咬合桩、SMW工法桩、钻孔桩+止水帷幕均次之。
基坑开挖卸载引起的地表沉降主要依赖于围护结构的刚度和支撑体系的刚度。对于常见的围护工法而言，在采用相同支撑体系的情况下，地下连续墙的刚度较大，控制变形能力也最好，咬合桩、钻孔桩+止水帷幕次之，SMW工法桩最弱。
综合以上因素，为减小基坑施工对地铁隧道的影响，本基坑在靠近基坑侧选取刚度最大的地下连续墙，地下连续墙施工工艺已较为成熟，基坑封闭性也较其它方案为优，同时考虑槽壁加固措施减小地下连续墙成槽施工对周边环境的影响。
2．2基坑围护结构设计方案
本基坑开挖深度11～13m，靠近地铁侧采用800mm地下连续墙，工字钢接头，地连墙深度为21．5m。其次，地下连续墙两侧设置?850@600三轴水泥土搅拌桩槽壁加固，减小地下连续墙施工引起的沉降。再次，为减小基坑开挖期间对盾构隧道的影响，
基坑内侧被动区进行三轴搅拌桩坑底加固，加固范围为基坑底至坑底以下4m。远离地铁侧基坑的围护结构主要采用钻孔灌注桩+止水帷幕的型式，围护桩采用?800@1000，有效桩长20．5m，基坑外侧设置?850三轴搅拌桩止水帷幕止水帷幕插入⑧粉砂夹粉土。
基坑竖向设置2道钢筋混凝土支撑，支撑体系采用对撑结合边桁架的支撑体系，易于控制围护结构变形。详细围护结构方案如图3所示。

3基坑开挖对地铁隧道影响分析
采用MIDASGTS建立三维模型，对基坑开挖及回筑的全过程进行模拟，以考察施工全过程基坑自身安全性及其对地铁隧道的影响。土体采用实体单元建模，其物理力学参数采用详勘报告提供的数据，本构关系采用的修正摩尔-库伦模型，围护桩采用等刚度的板单元，支撑体系采用梁单元，地铁区间隧道采用板单元，如图4所示。

3． 1数值计算结果及分析(见图5，6)

图6地铁区间隧道随基坑施工水平位移变化
根据以上计算结果，基坑开挖及回筑阶段，基坑围护结构最大水平位移约16．6mm，基坑开挖引起的区间隧道最大水平位移约3．14mm;竖向位移约0．69mm。
盾构隧道发生变形后产生一定的附加内力，根据三维计算结果，管片原配筋能满足受力要求。
3．2工程实测结果分析
对隧道及地表点进行布设监测点，监测点布设如图7所示。

3．2．1基坑支护结构监测结果
取靠近隧道基坑测斜监测点CX12分析，根据地连墙测斜与模拟分析结果可知，实际地连墙测斜值最大为15．64mm，数值计算结果为12．6mm，模拟计算与实测结果相近，同时也说明该计算模型简化和参数取值可行(见图8)。

8CX12测点(靠近隧道侧)测斜监测与模拟计算对比
3．2．2隧道位移监测结果
施工期间重点对基坑施工影响范围内隧道左、右线水平和垂直变形进行了监测。每一个断面布设5个监测点，监测断面埋点位置:在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置布设两个水平位移监测点，隧道拱顶布设1个沉降监测点(见图9)。

隧道水平位移监测结果如图10所示，根据监测结果可知，在基坑地下连续墙施工期间，隧道朝着靠近基坑方向发生位移0．3mm，分析认为地连墙成槽阶段会有一定的土层损失，致使隧道朝向基坑发生位移。基坑开挖阶段，隧道水平位移逐渐增加，因开挖第1层土体较浅，故隧道水平位移较小为0．6mm;开挖第2层土体时，因竖向开挖跨度较大为4．8mm，开挖时间较长，隧道发生较大的位移为1．3mm，由此可知，开挖期间要控制开挖跨度及基坑暴露时间，及时架设支撑;开挖第3层土体时，开挖跨度较小为3．7m，隧道水平位移较小为0．4mm;基坑开挖完成至底板浇筑，隧道水平位移稳定。
对隧道道床进行沉降监测，监测结果为在开挖至基坑底时道床沉降最大，最大沉降为1．2mm。

3．2．3基坑周边地表沉降分析(见图11)
对基坑周边地表沉降进行监测，取DB4监测断面点进行分析。从监测结果可知，距离基坑最近DB4-1沉降值为8．3mm，距离基坑越远沉降值就越小，DB4-5沉降值为5．5mm。

4结语
本文以苏州某深基坑对既有地铁隧道的影响为例，建立了基坑开挖对既有地铁隧道变位影响的三维数值分析模型，分析了基坑开挖对地铁隧道的影响，并对实际变形进行监测，分析得出如下结论。
1)地铁结构与地下岩土力学关系复杂，较难定量判断二者之间的互相影响，在选取合适的土力学参数的基础上，通过数值分析可以对隧道变形等给出较好的定性判断，对实际工程具有一定的指导意义。
2)盾构隧道整体性较差，病害较多且难以修复，近距离开挖基坑应加强支护结构的设计。设计中采用止水效果好、刚度大的地下连续墙作为围护结构非常必要。
文章来源：（中国知网）

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