广州地铁设计研究院股份有限公司 510010
摘要：随着城市建设的快速发展，城市地下空间日益紧张，大量的基坑工程邻近已运营或在建的地铁设施，地铁设施保护区变形控制严格。同时长沙地区的软土具有含水量高、压缩性大、抗剪强度低、灵敏度高、蠕变性强等特点，力学性质差，需采取有效的手段来控制基坑的变形。为此，本文对基坑开挖对既有地铁区间隧道的影响进行了分析，并提出了控制措施，仅供参考。
关键词：深基坑；地铁隧道；变形；应力；影响；控制措施
引言
在进行深基坑开挖施工前，要对施工地点的土质条件和既有地铁情况进行全面的勘察和分析，并找到影响地铁隧道稳定的施工因素，从而采取针对性的控制措施，减少影响，保证深基坑开挖施工的顺利进行，同时确保既有地铁隧道的结构稳定和安全。
1、工程概况
长沙某开发项目多层住宅区位于既有地铁4号线茶子山站~观沙岭站区间上方，该拟建项目为地下1层、地上4层建筑，地下室基坑位于地铁上方，采用放坡法开挖，基坑开挖深度约为1m~2.3m，坑底距区间隧道上方约16m。
既有4号线区间为盾构法隧道，外径6m，内径5.4m，采用0.3m厚钢筋混凝土管片。区间施工时出现管片开裂、渗漏水现象，后经修补完善并投入使用。
2、地质条件
根据勘察资料，拟建场地主要地层为有：（1）杂填土：松散～稍密状，但密实度极为不均匀，由粘性土混砖渣、砼块等建构筑物垃圾等；（2）粉质粘土：可塑～硬塑状，具中等偏高强度、中等偏低压缩性的工程特征；（3）粘土：可塑～硬塑状，具中等强度及中等压缩性，但具泡水易软化甚至崩解的工程特点，属弱透水性地层。（4）全风化板岩：呈坚硬土状，具中等偏高的力学强度及中等偏低压缩性，泡水易软化甚至崩解，属弱透水性地层。（5）强风化板岩：呈碎块夹土状，具较高强度及较低压缩性，遇水浸泡易软化甚至崩解，属弱透水性地层，局部裂隙较发育，地下水可能富集。各土层主要物理力学参数如表1所示。
表1 岩土物理力学参数取值
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3、理论计算分析
3.1 理论计算模型
多层住宅采用柱下独立基础，基础尺寸为2mx2m，基础持力层为粉质粘土层，基础底面进入持力层不小于300mm，地下室底板厚度为350mm，底板底面距区间顶面距离约16.288m。根据拟建工程资料，多层住宅在基础底面产生的附加压力最大值为147.0kPa，附加压力产生对隧道的水平荷载
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kPa。根据隧道埋深、隧道尺寸、围堰等级，依据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016），本地铁区间属于浅埋隧道，计算模型如图1所示。
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图1 区间隧道理论计算模型
3.2 计算结果
经分析计算，拟建工程建成后地铁区间管片的内力及变形如图2、图3所示。
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弯矩图 变形图
图2 基本组合工况下计算结果图
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弯矩图 变形图
图3 准永久组合工况下计算结果图
根据计算所得结果对管片配筋进行承载能力极限状态和正常使用极限状态验算，结果如表2所示。
表2 配筋验算结果
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根据计算可知，拟建多层住宅完工后，区间管片的现状配筋满足承载能力极限状态要求，且裂缝宽度小于0.2mm，满足正常使用极限状态要求。
4、数值计算分析
4.1 软件介绍
Midas GTS/NX是一款基于尖端的计算机处理和分析技术研发而成的新一代通用岩土分析软件。该软件包含施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能的通用分析软件。GTS/NX将通用分析程序MIDAS/Civil的结构分析功能和前后处理程序MIDAS/FX+的几何建模和网格划分功能结合后，加入了适合于岩土隧道领域的专用分析功能。
Midas GTS/NX有多种边界条件，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚元、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。
4.2 模型构建
多层住宅区基坑施工过程中，土体开挖卸载和多层住宅回筑将可能对下方的地铁结构造成不利影响。本文通过Midas GTS/NX平台建立三维有限元模型，研究拟建工程施工过程对地铁区间隧道的影响。
根据拟建工程与下方地铁区间隧道的空间关系，结合基坑设计方案、施工开挖方案等资料，建立岩土三维有限元模型，如图4所示。
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网格图 透视图
图4 多层住宅基坑施工过程分析有限元模型
为使计算更贴近实际情况，进行多层住宅基坑开挖及回筑分析计算前，先进行初始地应力和区间隧道开挖工况的分析。故整个模型分析过程分为4个阶段：
工序一：考虑未开挖状态的岩土层应力状态；
工序二：模拟区间隧道开挖、管片衬砌施工；
工序三：模拟多层住宅基坑施工；
工序四：模拟多层住宅基坑回筑（地下室及上部建筑施工）。
4.3 计算结果
经过四道施工工序的计算分析，得到多层住宅施工过程中地铁区间隧道的变形如下图所示。
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水平变形云图（最大绝对值0.9mm） 竖向变形云图（最大向上变形2.6mm）
图5 多层住宅基坑开挖引起地铁隧道变形图
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水平变形云图（最大绝对值2.4mm） 竖向变形云图（最大向下变形6.3mm）
图6 多层住宅基坑回筑引起地铁隧道变形图
由计算结果可知，区间隧道水平位移随着多层住宅基坑开挖和多层回筑回筑的实施逐渐增大，最大值为2.4mm；区间隧道竖向位移由于多层住宅基坑开挖，土压卸载，引起隧道发生2.6mm的隆起变形，随着多层住宅基坑回筑，隧道上方荷载逐渐增加，隧道发生向下的变形，当上方建筑完全施工完后，隧道最终产生6.3mm的沉降。
5、结论及建议
5.1 结论
本文采用理论计算结合数值模拟综合分析了拟建多层住宅对既有地铁隧道的影响。根据本次计算结果及以往经验，该开发项目多层住宅工程实施对地铁4号线茶子山站~观沙岭站区间隧道形成一定影响，但不危及地铁的整体结构安全。其中，多层住宅区的实施会导致区间隧道的受力增大，但现有的隧道管片配筋仍能满足构件的承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求；多层住宅区的实施会导致区间隧道水平位移增加2.4mm，拱顶沉降增加6mm。
5.2 建议
1、多层住宅区在基础底面产生的附加应力较大，管片裂缝宽度虽满足规范要求，但安全余量小，建议适当增加独立基础尺寸，减小基底附加应力。
2、鉴于长沙轨道交通4号线已经运营，为减少项目实施对区间隧道的扰动，同时增加基底附加应力扩散，建议在多层住宅区基础底至隧道拱顶以上3m范围采用注浆加固地层。
3、施工期间地面超载不应超过30kPa。
4、信息化施工是确保工程施工安全的重要手段，工程施工之前，应编制详细的地铁监测方案，建议采用自动化监测手段。施工过程中应委托专业监测单位对基坑和地铁结构进行监控量测，随时反馈信息，指导施工生产。
5、工程施工过程中应建立实施性强且经地铁公司同意的应急预案，并备足应急物资。施工过程中若出现监测值超限情况，应立即停止施工，并通知业主单位、设计单位、监理单位和地铁公司，讨论确定有效措施进行控制。
6、应建立本项目的工作协调小组，建议由双方业主协商制定应急协调联动机制，及时共享施工进度及监测成果，严控风险。
结束语
在开展深基坑开挖施工的时候，要全面考虑到施工对地铁隧道的影响，并且通过分析影响因素和程度，制定有效的控制措施进行防护，以此提高施工安全性，保证既有地铁的稳定、安全运行。
参考文献：
[1]陈甦，孙斌彬，顾凤祥，等.基坑工程施工对邻近地铁结构影响研究现状与展望[J].江苏大学学报（自然科学版），2018（1）：108-114.
[2]宋晓凤，姚爱军，张剑涛，等.深基坑开挖对邻近既有地铁隧道及轨道结构的影响研究[J].施工技术，2018（05）：112.