任广鹏

（广州电力设计院有限公司 广东广州 510000）

0 引言

随着城市化进程的不断推进，城市地下空间开发利用逐渐成为热点。但是，随着各类地下轨道交通、地下管廊、地下管线及地下建筑等地下设施逐渐丰富，地下设施建设引起的相互影响问题也逐渐突出。地铁作为重要的城市公共交通工具之一，其结构变形控制较为严格，其周边基坑开挖、钻孔等外部作业影响问题引起广泛关注。

王卫东等采用三维连续介质有限元法分析了基坑开挖所引起的环境效应[1]。张治国等基于Winkler地基模型建立地铁隧道纵向变形影响的基本微分方程，研究了不同隧道埋深、距离基坑开挖现场远近、不同地基土质和不同隧道外径等因素对隧道纵向变形的影响[2]。蒋超等通过建立二维有限元模型，分析了基坑开挖的各个阶段对地铁的影响[3]。李伟强、孙宏伟应用有限元建立岩土-结构整体计算模型，进行了深基坑与邻近地铁车站的相互影响分析[4]。冯天炜等采用有限元软件对综合管廊明挖施工过程进行模拟，分析明挖施工过程对近邻地铁结构的影响[5]。本文应用大型有限元软件Midas GTS NX，建立三维有限元模型，采用摩尔-库伦土体模型，模拟电力隧道基坑开挖过程，分析不同基坑开挖方式下对既有地铁结构产生的影响。

1 工程概况

新建电力隧道全长约4.2km，管容按8回电缆线路设计，其中2回220kV电缆，6回110kV电缆。隧道主体结构采用单舱箱型混凝土结构，结构断面外轮廓尺寸为4m（高）×3.2m（宽），壁厚0.35m，覆土深度约为1m。既有地铁为已运营地铁，地铁区间为单洞单线圆形断面，采用6m外径盾构工法，内径为5.4m。地铁管顶覆土约10m，线间距约为14m。

新建电力隧道先与既有地铁线向西并行约200m，水平净距约为13m，随后电力隧道向北转90°上跨既有地铁。电力隧道与既有地铁的平面位置关系见图1。电力隧道上跨地铁区间的基坑采用放坡开挖，坡度为1：1，长度为32m，其余区段采用φ800mm旋挖钻孔灌注桩+钢管内支撑支护方式。电力隧道基坑开挖深度约5m，灌注桩嵌固深度为5m，基坑开挖宽度为3.4m。电力隧道与既有地铁线并行段，接近程度为较接近，外部作业的工程影响分区为较小影响区（C），外部作业等级为三级。电力隧道上跨既有地铁线段，接近程度为非常接近，外部作业的工程影响分区为显著影响区（B），外部作业等级为特级。因此，电力隧道上跨既有地铁线段应作为计算和分析重点。

图1 电力隧道与既有地铁平面位置关系

2 计算模型

计算采用大型有限元分析软件Midas GTS NX建立三维有限元模型，采用地层-结构法考虑基坑支护结构、地铁衬砌结构与周围岩土体的相互作用。计算结合电力隧道基坑施工过程，模拟每个施工工况下地铁结构及周围岩土体的内力和变形。

2.1 计算参数选取

基坑灌注桩采用C30混凝土，弹性模量E=30000MPa，泊松比υc=0.2；地铁衬砌采用C50混凝土，弹性模量E=34500MPa，泊松比υc=0.2；钢支撑采用直径φ402mm，厚度12mm钢管，弹性模量E=206000MPa，泊松比υ=0.3。岩土体采用摩尔库伦模型，考虑岩土体的非线性变形。根据岩土勘查报告及地质参数，模型岩土体物理参数取值如下。人工填土：γ=18kN/m3，c=12kPa，φ=10°；淤泥质土：γ=17kN/m3，c=7kPa，φ=6°；砂质粘性土：γ=18.5kN/m3，c=22kPa，φ=20°；全风化花岗岩：γ=18.5kN/m3，c=28kPa，φ=25°；强风化花岗岩：γ=18.5kN/m3，c=30kPa，φ=28°。

2.2 施工工况

考虑两种开挖设计方案。方案一：先进行地铁上方放坡开挖，再对称开挖地铁两侧土体。方案二：由地铁南侧依次开挖至地铁北侧。结合两种开挖设计方案和施工工况，考虑岩土体应力历史的影响，本次计算分为以下7种工况：工况1：自重下岩土体初始应力场分析；工况2：地铁施工；工况3：岩土体历史位移清零；工况4：基坑围护桩施工；工况5：上跨地铁基坑放坡开挖（方案一），地铁南侧基坑开挖及施作支撑（方案二）；工况6：地铁两侧基坑土体开挖及施作支撑（方案一），上跨地铁基坑放坡开挖（方案二）；工况7：地铁南侧基坑开挖及施作支撑（方案二）。

2.3 建立计算模型

计算模型采用弹塑性实体单元模拟岩土体，钢管支撑采用梁单元，基坑支护桩和隧道衬砌采用板单元。模型边界采用位移约束边界，模型尺寸为100m×100m×35m，计算模型见图2。

图2 有限元计算模型

3 计算结果分析

3.1 方案一计算结果

方案一既有地铁衬砌结构位移汇总表见表1，地铁衬砌结构位移位移变化趋势见图3。计算结果表明：上跨地铁基坑放坡开挖下地铁衬砌结构（工况5）下地铁衬砌结构竖向变形幅度最大，即地铁上方开挖土体对地铁结构影响最大。工况5下地铁结构的竖向位移云图见图3。由图3可知，工况5下地铁结构变形最大的位置是基坑放坡开挖正下方，最大竖向位移为6.26mm。综上，方案一开挖方式下，地铁结构竖向变形幅度较大。

表1 方案一基坑开挖工况下地铁结构位移汇总

图3 工况5下地铁结构的竖向位移云图

3.2 方案二计算结果

方案二既有地铁衬砌结构位移位移变化趋势见图4。通过与方案一计算结果对比可知，方案二开挖方式下地铁结构的最大竖向变形幅度为与方案一相近。但是，方案二地铁结构的最大水平变形幅度远大于方案一。综上，方案二的竖向变形幅度和水平向幅度均较大。

图4 方案二地铁衬砌结构位移变化趋势

4 结论

通过建立有限元模型，考虑基坑开挖各工况，分析两种开挖设计方案下基坑开挖对地铁结构变形的影响，得出以下结论：

（1）基坑临近地铁开挖施工时，开挖土体附近的地铁结构变形最大。

（2）地铁两侧依次开挖土体对地铁结构的影响大于地铁两侧同时开挖土体。