1、1基坑施工对邻近既有地铁结构的影响分析摘要：以苏州市博览中心三期基坑紧邻已运营的地铁 1 号线区间隧道为背景，分别采用 Flac3D 有限差分法和 Abaqus 有限单元法，对基坑施工的全过程进行动态模拟和比较分析了隧道周边侧土体加固及基坑支护刚度加强对区间隧道的影响，根据分析结果探讨减少基坑开挖对紧邻区间隧道影响的控制措施，以保证地铁的正常运营，为类似工程设计与施工提供借鉴和参考。 关键词：基坑施工；Flac3D 有限差分法；区间隧道；影响分析 1 前言 随着城市轨道交通网络的迅速发展，较多的基坑工程会不可避免地在地铁结构沿线进行施工，而基坑施工是一项很复杂的工程，它会引起周围地层初始应力发
2、生改变、进而导致紧邻的地铁结构受力和变形发生改变。而地铁车站和区间隧道结构是对变形要求极为严格的地下结构物，特别是已运营的地铁线路对于变形要求更为严格，根据苏州市轨道公司要求，苏州市轨道交通暂执行保护标准如下：结构最大位移不能超过10mm，隧道变形曲线的曲率半径 R15000m，相对弯曲1/2500。因此，对临近的基坑施工所造成的地铁结构产生的影响进行分析研究，并提出相应的预防和控制措施具有很重要的工程实际意义。 本文以苏州市博览中心三期基坑紧邻已建成的地铁 1 号线地铁结构作为背景，分别采用 Flac3D 有限差分法和 Abaqus 有限单元法，对基坑2施工的全过程进行动态模拟和比较分析了隧
3、道周边侧土体加固及基坑支护刚度加强对区间隧道的影响，研究基坑工程施工对紧邻地铁结构的影响，探讨深基坑工程施工对紧邻地铁结构影响的控制措施，为类似工程提供参考。 2 工程概况 苏州博览中心三期位于苏州工业园区金鸡湖畔，基坑平面面积约为33330 平方米，周长总延长约 730 米。地下室基础底板板厚 600mm，承台高度 11002000mm，考虑 200mm 的垫层厚度，基坑开挖深度为 9.95米11.35 米。围护结构形式采用钻孔灌注桩（局部 800mm 地下连续墙）+两道混凝土支撑的形式。基坑南侧翠园路下方敷设有苏州轨道交通 1 号线文化博览中心站及文化博览中心站华池街站盾构区间，距离博览中
4、心站华池街站盾构区间隧道结构外边线最近距离为 18.9 米。苏州轨道交通 1 号线现已投入运营。基坑与地铁 1 号线 的相对位置关系见图 2、图 3。 场地地层的主要物理参数见表 1 所示。 3 数值模拟分析 3.1 Flac3D 三维数值分析 3.1.1 计算模型 本次建模过程中，土体采用实体单元建模，其物理力学参数采用业主提供的苏州国际博览中心 岩土工程勘察报告 （补充勘察）资料，并采用库伦摩尔屈服模型，地下水位及其相应参数采用地质报告提供数据，在基坑开挖工况中开启土体大变形模型，模拟真实施工情况。建3模过程中，结构单元的几何模型参数均参考博览中心三期基坑平剖面图（为方便建模，适当简化）
5、，标高原位相同。三维建模原型中，土体建模x 方向左端距下行区间边缘内 100m，右端距苏宁电器城基坑右侧 50m，总长达到 430m；土体建模 y 方向按开挖基坑两端向外侧延伸 80m、60m 考虑，总长 430m；土体建模 z 方向（深度）除盾构上覆土 14.5m 外，盾构下侧土体向下延伸 60m，总长 100m。具体见图 4。 3.1.2 计算结果 基坑施工的主要工况为模拟基坑开挖和架设支撑及回筑全过程，具体计算结果见图 5。 根据计算统计结果，基坑开挖引起的盾构区间隧道结构最大沉降4.1mm 及最大水平位移 2.7mm。盾构区间最大差异沉降为 0.7mm，满足轨道道床正常车辆行驶差异沉降
6、限值 2mm。 基坑坑开挖引起的附属结构最大沉降 5.8mm 及最大水平位移 2.7mm。 3.2 Abaqus 二维数值分析 3.2.1 计算模型 盾构隧道为左右双线对称布置，外径 6.2m，内径 5.5m，左右线隧道线间距为 13m。隧道顶部距离地面取 10m。钻孔灌注桩直径为 900mm，插入比为 1：1，地下连续墙厚度为 800mm。为了忽略边界条件对计算结果的影响，计算土体深度范围为地面下 70m，计算土体宽度范围为每侧向外不小于 5 倍的隧道外圆直径。各土层参数按照地质勘察报告取用。 模型网格划分如图所示。其中，土体单元 4468 个，盾构环采用shell 单元，分别建立钻孔桩和地
7、下连续墙单元。具体见图 6。 43.2.2 计算结果 工况同三维模型，计算得到典型工况下结果如图 7、图 8 所示。 根据计算统计结果，基坑开挖引起的隧道结构最大沉降 3.6mm 及最大水平位移 2.8mm。 3.3 靠近地铁一侧土体加固作用的分析 博览中心三期的基坑方案中，在开挖 A 区大基坑时，对靠近地铁侧的土体进行了加固处理，下面模拟不进行土体加固的情况下对地铁沉降的影响，以此分析土体加固的作用和效果。 施工工序与前述模拟相同，仅取消对 B 区基坑范围内所做的土体加固，结果对比如下： 由上述分析可见对靠近地铁侧的土体进行加固：对控制地铁的沉降位移是有效果的。 3.4 考虑邻近地铁侧地下连
8、续墙加厚的作用的分析 博览中心三期现围护结构方案在靠近地铁侧采用 800mm 厚地下连续墙，下面通过建模比较将地下连续墙加厚到 1000mm 厚会对地铁的变形有何影响。 由前面的数值模拟可以看出，在基坑开挖及回筑阶段，对地铁结构变形影响最大的工况发生在基坑开挖阶段，此阶段最大沉降为 3.6mm，最大水平位移为 2.8mm。以此数据为基础进行对比，模拟结果如下图所示： 由上述分析可见对靠近地铁侧的地下连续墙进行加厚，对控制地铁的水平及竖向位移是有效果的，其中对水平位移的影响比较显著。 4 结论及工程建议 54.1 结论 基于以上数值模拟分析，初步可得出以下结论： 1）根据计算结果及相邻二期基坑施
9、工的对比分析，本次基坑开挖引起的地铁车站附属结构最大竖向位移为 5.8mm，最大水平位移为 2.7mm；引起的隧道结构最大沉降三维结果 4.1mm（二维结果 3.8mm）及最大水平位移三维结果 2.7mm（二维结果 3.1mm） 。基坑开挖对距离较近的地铁附属结构影响较大，由于前期基坑开挖引起地铁结构沉降为 4mm，与本次累计沉降值满足 10mm 限制的要求。 盾构区间最大差异沉降为 0.7mm，满足轨道道床正常车辆行驶差异沉降限值 2mm。 2）靠近地铁侧围护结构插入深度的加厚、靠近地铁侧土体的加固，对控制地铁隧道的变形均是有利的。 3）基坑施工引起地铁结构的变形较大范围主要发生在基坑开挖区
10、域附近，离基坑较远处的隧道变形十分微少。 4.2 工程建议 基于以上数值模拟分析，初步可得出以下结论： 1）在项目工程施工时，首先建立严密的既有车站及区间隧道内部结构受力、变形、沉降的监控量测体系，对施工过程进行全面的监控量测，随时反馈信息，指导施工生产。在发生既有地铁结构沉降速率超过规定值时，应立即启动抢险预案；对于车站及隧道渗漏点应及时注浆处理。 2） A 区的开挖必须在 B 区的围护和坑内加固完成后再实施；如条件具备建议拉槽施做完 B 区靠近地面的第一道混凝土支撑，可在 A 区基坑6开挖形成较大刚性结构改善地铁结构的变形。 3）靠近地铁侧围护结构插入深度的加厚、靠近地铁侧土体的加固，对控制地铁隧道的变形均是有利的；因此建议以后在类似基坑设计时适当加厚临近地铁一侧的围护结构并尽量隔断含水层，同时对临近地铁一侧基坑采取被动去土体加固措施减少对地铁结构影响，更好控制对地铁结构变形。 参考文献： 1 张明远 基坑施工对临近地铁隧道变形的影响研究. 岩土力学，2011 年 5 月 2 汪小兵， 贾坚. 深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施. 城市轨道交通研究， 2009，12（5）.
