摘要: 宁芜改线项目基坑工程位于南京地铁某隧道的正上方，坑底距隧道顶的距离仅为 7． 5 m． 基坑开挖对地铁隧道影响的分析与计算成为该工程的关键之一，为此建立了该基坑工程的数值分析模型． 计算结果表明，基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体发生变位，带动土体中的隧道产生位移，同时隧道管片的应力状态也有所改变． 其成果可为优化设计和施工提供有益的参考，为类似工程提供借鉴^［1］．

关键词: 基坑开挖; 地铁隧道; 数值分析; 变形研究

 

      随着我国城市规模的不断扩大，城市交通已经成为城市发展的一个重要问题，这也带动了我国城市轨道交通的迅速发展，然而我国大部分轨道交通深基坑采取的是地下连续墙或者排桩作为维护结构，明挖放坡开挖法作为一种非常经济快速的施工方法，在我国轨道交通深基坑施工中应用较少，缺乏相关的技术方面资料．

      基坑开挖土体卸荷必然引起周围地层移动，导致隧道位移场和应力场的变化，严重威胁地铁安全，而且地铁隧道的变形要求极其严格^［1］． 既有地铁隧道周边荷载变化会引起隧道变形，因此掌握基坑开挖过程中既有地铁隧道的变形特性及内力分布是至关重要的^［2］． 由于基坑施工边界的复杂性，很难通过解析的方法来求解基坑开挖对地铁隧道的影响，数值方法则为这种问题的求解提供了有力的工具^［3-5］． 本文结合京沪高铁南京南站站前工程，利用弹塑性有限元方法和实际监测资料相结合的分析方法，就轨道交通基坑放坡开挖法施工构建了模拟基坑开挖过程的数值模型，基于该数值模型，进行了一些有益的探讨，研究深基坑开挖对下卧隧道的应力应变影响机制，提出了切实可行的控制深基坑开挖位移措施，以及深基坑开挖对下卧隧道的应力应变控制措施．

 

      宁芜货线南京南站隧道 HCK20 + 580 －HCK22 + 860 先行开工段位于雨花台区农花村，现为在建工程南京南站站房北广场范围，距站房北侧约 200 m，拟建场地位于长江高阶地区，剥蚀后形成岗地与坳谷地貌，地势略有起伏，坡度平缓，场地总体上呈西北高、东南低，地面标高 9． 15 ～19m，基坑放坡开挖阶段基坑深度在 12． 7 ～ 13 m 范围之内．

      南京宁芜货线 HCK21 +850 ～ HCK21 +890 段隧道在京沪高铁南京南站北广场正交上跨南京 1，3 号地铁线，隧道结构为地下一层结构，1，3 号地铁线分别为地下二三层结构，其中 1 号线南延线已建成通车，3 号线已完成初步设计，正处于施工图设计阶段． 隧道与地铁 3 号线交点 HCK21 +883． 65 处轨面标高为 0． 118 m． 1 号线结构在与隧道相交点 HCK21 + 850 和 HCK21 + 900 处轨面标高为 － 14． 761 m． 与本隧道结构底净高差仅 7． 5m，隧道纵断面如图 1 所示． 考虑基坑主要位于硬塑粘土和全、弱风化砂岩中，地质条件较好，设计采用 1: 1． 5 ～ 1 分台阶放坡开挖至隧道结构底标高．

      近年来，随着各城市地铁的新建，越来越多的隧道采用明挖法施工． 根据对以往类似工程实例的监测结果发现，在基坑开挖过程中卸荷量的大小，基坑开挖后暴露时间的长短，施工地质条件的情况等原因对基坑下部的隧道和基坑周围土体的影响是十分复杂的．

      MIDAS / GTS 的施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果． 也就是说上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响到后续阶段的分析结果． 在岩土工程数值模拟中岩土施工过程的分析一般都是施工阶段分析．

      施工阶段分析中添加的单元的初始应力状态为零，本阶段将增加相当于增加的单元自重的荷载． 岩土单元在删除前处于受力状态． 假如被删除的单元周边原来作用有荷载时，剩下的单元应通过适当的应力释放，使新生成的自由面不受应力的作用． 如图 2 所示，将物体 A 从物体 B 中删除．删除前各物体的应力分别为σ_AO和σ_BO( 考虑了生成该应力的所有荷载) ． 因为两个物体处于平衡状态，所以为了与 σ_BO保持平衡，荷载 ABF 应由物体A 作用在物体 B． 同样荷载 BAF 应作用在物体 A．因此，作用在某边界上的挖掘荷载与挖掘的单元的应力状态以及这些单元的自重相关． 可定义下面公式

      F_BA= － ∫V_AB^Tσ_AOdV_A+ ∫_VAN^TγdV_A．

      其中 B 为应变-位移关系矩阵，V_A为挖掘体积，N 为单元形函数，γ 为岩土的容重．

      本工程数值模拟分析工况采用施工阶段分析的方式，MIDAS GTS 软件提供了对计算单元进行“激活”与“钝化”的处理功能，因此，可以用该功能来模拟隧道的掘进过程和基坑开挖过程． 该模型所采用的计算参数来自于京沪高铁南京南站北广场场区场地地质钻孔的资料，计算采用的土层参数见表 1．

      根据概化后的地质模型，将数值模型相应的分成 7 层厚度不同的岩土体． 模拟范围为: x 方向 70m( 基坑中心线向左右各扩展 40 m) ，y 方向 64 m，z方向55 m( 从地表向下扩展55 m) ． 根据地质模型、围护结构、基坑开挖和支撑的施工工序，对模型进行单元划分，共计 19 231 单元，三维计算模型如图3 所示．

      由于地铁一号线南延线开通运营时间不长，因此计算过程考虑了其开挖引起的应力变化． 具体计算步骤如下:

      1) 初始地应力．

      2) 地铁一号线隧道开挖．

      3) 施工地铁一号线隧道喷射混凝土．

      4) 施工地铁一号线隧道二次衬砌，位移清零．

      5) 开挖步骤一: 开挖土层为素填土．

      6) 开挖步骤二: 开挖土层为硬塑粉质粘土．

      7) 开挖步骤三: 软塑粉质粘土．

      8) 开挖步骤四: 开挖土层为软塑粉质粘土．

      9) 开挖步骤五: 开挖土层为粉质粘土．

      10) 开挖步骤六: 开挖土层为全风化钙泥质粉砂岩．

      11) 开挖步骤七: 开挖土层为强风化钙泥质粉砂岩．

      12) 开挖步骤八: 开挖土层为强风化钙泥质粉砂岩和弱风化钙泥质粉砂岩．

      13) 开挖步骤九: 开挖土层为弱风化钙泥质粉砂岩．

      14) 开挖至基坑底，开挖土层为弱风化钙泥质粉砂岩．

      15) 施工宁芜货线主体结构．

      16) 回填． 图 4 完成所有开挖步骤后做完主体结构的计算模型．

      各监测项目的测点布设位置及密度应与围护结构施工的区域、围护结构类型、基坑开挖顺序、被保护对象的位置及特性相匹配，同时参照围护桩位置、附属结构位置及开挖分段长度等参数进行测点布置．

      基坑开挖阶段进行基坑坡顶垂直、水平位移监测、周边地表沉降、土体侧向位移监测、坑外潜水水位观测． 根据监测要求，在基坑坡顶和每一级放坡台阶上布设垂直位移及水平位移监测点，20 m 设一点，基坑两侧呈对称布设． 在基坑周围 5 m 范围内布置坑外水位观测孔，每孔深度 12 m． 在坡顶选择在可能产生较大变形的部位，测孔布设与坡顶测点位置一致，约每 50 m 布设一孔． 为了监控基础施工对周围土体的影响范围，在工程周围布置表沉降监测点．

      本工程地铁隧道在开挖基坑的正下方上部基坑的开挖对下部地铁隧道带来一定的卸载作用，故地铁整体出现上浮现象，如图 5 所示，模拟结果符合实际情况． 从基坑开挖步骤来看随着基坑的开挖下部地铁累计产生的位移量逐渐增大，当基坑开挖到底时地铁隧道达到最不利情况．

      随着水平位移和坑底土层的隆起，紧邻深基坑的正在运营中的地铁隧道会产生水平和竖向位移．隧道变形沿纵向呈不均匀性，从而产生一定的弯曲变形． 当隧道变形超过一定的值时，容易对其正常运营产生影响( 见图6 所示) ． 上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定要求: 一般情况下，隧道最大位移不能超过 20 mm，隧道变形曲率半径必须大于 15 000 m，相对弯曲不大于 1/2 500．根据实测及数值模拟结果，均符合上述要求．

      基坑坡顶水平位移单日变化量最大值为 2mm / d，发生在第 3 层土体开挖时． 根据土坡深层土体测斜显示，开挖至基底时，坡水平位移达到 10． 5 mm，最终在土坡回填以前坡顶水平位移累计最大值为 14 mm，坡顶竖向沉降累计最大值为 12 mm，坡顶位移变化量与开挖深度具有明显的同步性．整个边坡施工开挖完结 35 d 左右，变形基本稳定^［2］．

      监测数据整体稳定，说明该基坑采用放坡开挖的方案安全可靠． 土坡深层测斜位移随着开挖深度有着明显的同步性，在开挖过程中，应该尽量减少暴露时间，合理安排开挖顺序是十分重要的．由于地质条件、施工现场的情况复杂，各种突发事件时有发生，加强动态监测，是保证基坑安全行之有效的方法．

      在基坑开挖过程中，放坡开挖这种方法卸荷面积大，卸荷量也大，不利于下部隧道的安全，是该工程的一个施工难点． 根据图 7 中各测点位移值的大小，将监测位移的稳定值与数值模拟的预测值进行对比，边坡土体水平位移趋势是随着深度的加大而减小，但是实测位移略小于计算值，根据监测经验，并对监测方式进行分析，认为监测方式不应成为引起稳定值略小的主要原因． 研究认

      为在基坑边坡迅速开挖，基坑边坡及时喷混凝土保护的基础上，这种现象是由测量误差以及基坑变形未曾完全稳定所引起的． 另外，由于地下结构的复杂性，尤其是地层结构的多变性使得地层参数的选择出现偏差引起结果偏大． 如果监测值大于预测值，则应从内基坑开挖施工的时空效应等方面进行检查，及时调整施工工序或者采取其他加固措施，边坡位移的继续发展． 可以看出，数值模拟基本上符合实际测量结果，因此运用 GTS 软件进行数值分析相对是合理的．

      1) 在充分考虑基坑边坡稳定性、开挖步骤、隧道初始应力场与地层力学参数的基础上，应用 GTS对明挖地铁基坑的施工过程进行模拟，得到正确合理的计算结果．

      2) 通过 GTS 对基坑开挖及隧道上方土体开挖对隧道应力应变场变化的模拟研究，对特定地质条件和施工工艺条件下的隧道的位移值及变化趋势进行了准确地预测．

      3) 在放坡开挖地铁基坑监测工作的基础上，将监测位移稳定值与预测位移值进行对比，结果表明监测与模拟的变化趋势符合，实测值略小于模拟值．

      4) 根据研究结果，总结出施工过程中应该注意的几个主要问题: 均匀抽条开挖土体，尽可能缩短施工周期; 及时进行堆载回压，可以减少下部隧道的拱顶隆起

      5) 在类似工程施工中应对土体的位移、应力、水压力、相邻建筑物、隧道沉降等应该进行跟踪监测，发现问题及时调整，以确保工程质量和周边环境．

 

［1］ 吉茂杰，刘国彬． 开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法［J］． 同济大学学报，2001，29( 5) : 531-534．

［2］ 刘斯琴，余晓琳，颜全胜． 基坑开挖对下方既有地铁影响数值分析［J］． 广东土木与建筑，2009( 6) : 19-20．

［3］ 王卫东，吴江斌，翁其平． 基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟［J］． 岩土力学，2004，25( 增刊) : 251-255．

［4］ 陈长江． 基坑开挖引起下卧地铁区间隧道上浮控制研究［J］． 城市轨道交通研究，2009( 9) : 52-55．

［5］ 魏纲． 盾构施工中土体损失引起的地面沉降预测［J］． 岩石力学，2007，28( 11) : 2375-2379．