湖南路桥建设集团有限责任公司 李攀 湖南长沙 410000
摘要：文章以长沙地铁2号线某区间隧道周边新建建筑基坑工程为背景，运用有限元软件MIDAS GTS NX模拟基坑分部开挖对地铁区间隧道的影响，计算结论表明：基坑采用放坡开挖+锚杆的围护结构方案可有效的控制基坑开挖过程中引起的地铁区间隧道的沉降变形和内力变化，确保地铁运营的安全。
关键词：数值模拟；区间隧道；地表沉降；基坑；变形；开挖
1.工程概况
某楼盘总部中心项目位于长沙市岳麓区梅溪湖片区核心位置，紧临梅溪湖中央商务区。项目地下室为地下三层。长沙地铁2号线某车站区间隧道位于其地块西侧，与项目地下室距离较近。地下室距离区间隧道结构边线约13.0m,基坑支护方案为放坡开挖+锚索施工形式。
2数值计算分析
2.1计算模型
本评估报告中的数值计算采用岩土工程有限元计算软件MIDAS GTS NX。计算采用平面应变模型进行模拟，模型尺寸70m×40m，盾构隧道衬砌采用梁单元进行模拟，钻孔灌注桩简化为墙体计算，锚杆采用自由段采用桁架单元模拟，锚固段采用植入式梁单元模拟。计算土层取自计算点的地质钻孔ZK41，其土层由上至下依次为杂填土、素填土、粉质粘土、强风化板岩、中风化板岩，岩土参数取至地勘报告。
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图1 计算模型
2.2荷载及工况
地面考虑20KPa超载，基坑开挖按实际施工过程模拟，分五步开挖并施工对应工序支护结构。
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2.3计算工况
为研究基坑开挖对区间隧道的影响，得到准确的结果，需进行以下工况的计算：
1）初始应力计算，此阶段计算地层的初始应力，地铁区间结构未施工。
2）施工地铁区间结构，进行应力分析，作为基坑开挖影响分析的初始状态。
3）施工民建基坑，根据基坑设计方案，分部开挖和施工锚杆。
2.4计算结果
第一、二工况均为初始工况，不进行展开分析，计算结果如下，作为后续分析的基础数据。
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基坑未开挖之前，盾构隧道管片轴力最大值为970.6 KN，最大弯矩47.0KN·m。
基坑开挖至第一道锚杆下0.5m，施工第一道锚杆：
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图5 第一道锚杆施工完成后土层水平位移云图
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图6 第一道锚杆施工完成后土层竖向位移云图
基坑施工第六道锚杆，继续开挖到底时的计算结果：
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图7 基坑施工完成后土层水平位移云图
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图8 基坑施工完成后土层竖向位移云图
从以上计算结果可知，随着基坑的开挖，周边土体的水平及竖向位移在持续增加，开挖至基底时，土体变形值达到最大，其中，水平位移最大值1.44mm，竖向位移最大值2.14mm。
基坑开挖对区间隧道的变形及内力影响
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图9 开挖至基底时区间隧道衬砌变形图
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图10 开挖至基底时区间隧道开挖后管片轴力图
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图11 开挖至基底时区间隧道开挖后管片弯矩图
从以上计算结果可知，基坑开挖到底时，区间隧道产生偏向基坑的水平位移，最大水平位移0.40mm，最大竖向位移0.18mm。同时，由于左侧土体开挖卸荷，侧向土压力降低，管片整体椭圆度增大，最大弯矩值从初始的47.0KN·m增大至53.2KN·m，最大轴力由初始的970.6 KN减少至962.5 KN。基坑开挖对区间隧道的影响主要是土体侧向卸载引起的水平土压力变化，导致衬砌管片内力重分配。区间隧道的位移和内力变化幅度较小，满足盾构隧道的受力要求，在保证基坑自身安全的前提下，基坑开挖对区间隧道的影响较小。
3 结论
1）基坑开挖引起的基坑的水平位移、竖向位移处于一级基坑的变形控制标准内，在满足基坑本身安全的前提下，说明基坑施工引起的基坑的变形在规范可控范围内。
2）基坑采用放坡+锚杆的支护方案是合理的，开挖各工况结构的实际受力在结构容许承载力范围内，基坑施工不会造成地铁结构产生强度破坏，施工期间的安全基本可控。
李攀（1983-），男，河南安阳人，本科，工程师，从事地下工程设计工作