但礼堂 刘善银 周书东

（1.东莞市轨道交通有限公司，广东东莞 523073;2.广东科磊建筑基础工程有限公司，广东东莞 523112; 3.东莞市建筑科学研究所，广东东莞 523112）

广州浅岩区紧邻地铁隧道某建筑基坑优选分析

但礼堂1刘善银2周书东3

（1.东莞市轨道交通有限公司，广东东莞 523073;2.广东科磊建筑基础工程有限公司，广东东莞 523112; 3.东莞市建筑科学研究所，广东东莞 523112）

为确保广州浅岩区紧邻地铁隧道某建筑基坑的顺利实施，同时保障地铁安全运营，对基坑支护结构形式进行了探讨，并采用平面和三维数值手段分析了基坑开挖过程中采用附加支撑后对地铁隧道的影响。分析结果表明，采用附加支撑后，双排桩支护结构结合中心岛法开挖可有效控制支护结构和地铁隧道的位移，并减少工程成本。

浅岩区，建筑基坑，地铁隧道，优选分析

0 引言

随着城市化进程的加快，充分利用地下空间进行土地集约化及高强度开发是特定地段进一步发展的必然选择，由此不可避免地会出现紧邻地铁线路开发城市地下空间的现象。基坑开挖卸载势必会打破土体原有的应力平衡状态，使地铁隧道结构产生附加荷载和变形。同时，基坑开挖过程中其自身的变形、强度和稳定问题直接关系到建筑地下空间主体结构能否顺利实施。为此，紧邻地铁隧道的基坑须选用合适的支护手段并采取适当的施工工法方可保证两者结构的安全，同时兼顾经济效果。本文以广州某建筑基坑工程为例，探讨了浅岩区紧邻地铁隧道的基坑支护结构合理形式，并采用平面和三维数值手段重点研究了双排桩支护结构采用附加支撑后对改善紧邻地铁隧道应力和变形的显著作用，同时提出适当的基坑开挖方法，在保证基坑工程顺利实施的同时有效地控制紧邻地铁隧道的变形，从而达到安全经济的目标。

1 工程概况

拟建项目位于广州市天河区，南侧及西侧紧邻多栋桩基础高层建筑物;北侧为本项目一期基坑;东侧为林和东路。基坑面积约为29 514m2，周长约为740m，规划拟建8栋住宅楼和1栋商业用房，地下2层，局部3层。基坑东侧紧邻广州地铁一号线隧道，紧邻段长达220 m，隧道与基坑支护外边线最近的距离5.8 m，沿线埋深3.6 m～6.0 m，分明挖隧道和矿山法暗挖隧道（如图1所示）。临近地铁侧基坑开挖深度8.4 m～10.2 m，基坑侧壁安全等级为一级，根据岩土工程勘察报告，并结合周边类似工程经验，场地各土层计算参数按表1选取。

图1 建筑基坑与地铁隧道平面关系图

表1 场地土层计算参数表

2 基坑支护结构选型

2.1 本项目施工的难点及控制标准

基坑工程紧邻地铁隧道，基坑的开挖卸载必然会对附近的地铁隧道产生附加应力和位移，因而危及运营地铁隧道的安全。根据专家及地铁业主方的决议，本工程必须满足基坑支护结构最大位移不超过20 mm。

2.2 基坑围护结构设计

由地质条件结合当地经验，本工程基坑卸载引起的坑底回弹量和塑性隆起量很小，对基坑侧面地铁隧道的影响可忽略不计;土体含水量小，且桩间土采用高压旋喷桩作为止水帷幕。本工程的基坑设计关键在于对基坑支护结构的水平位移进行控制，表2列出了基坑不同支护形式的对比。

经过对比分析可知，结合变形控制和经济性的要求，本工程采用双排桩加一道内支撑的支护结构形式，基坑支护和地铁隧道剖面示意图见图2。

表2 基坑围护结构选型对比

3 基坑开挖对支护结构和地铁隧道的影响分析

3.1 理正软件平面分析加支撑对基坑支护结构内力和位移的影响

围护结构计算按“先变形、后支撑”的原则，模拟施工开挖、支撑全过程分阶段进行计算，计算时地面超载选取20 kPa。

采用理正软件分析计算，得出设置支撑和未设置支撑情况下支护结构的应力应变如图3，图4所示。

3.2 MIDAS/GTS三维数值模拟分析基坑开挖对支护结构和地铁隧道的影响

隧道初衬采用C20混凝土，二衬采用C25混凝土，衬砌厚度都为300 mm。土层计算参数见表1。

根据岩土工程条件和基坑实际状况，取基坑开挖深度10.2 m区段为分析对象进行三维有限元分析。土体采用实体单元;桩体和支撑采用梁单元;冠梁和隧道衬砌采用板单元。有限元模型分析如图5，图6所示。

本文数值模拟采用的假定:

1）土体采用Mohr-Coulomb屈服准则;

2）在小变形情况下，认为结构变形与土体变形相等，即始终认为隧道衬砌与土体是协调变形的，相互接触，同时从保证安全的角度考虑，这样的假设也是合理的;

3）由于右线隧道离基坑比较远，本文只针对左线隧道进行了分析。

图2 基坑支护与地铁隧道剖面示意图

图3 未设置支撑下应力应变情况

图4 设置支撑后应力应变情况

图5 整体有限元模型图

图6 地铁隧道有限元模型图

基坑施工工况划分:工况1，初始自重应力计算;工况2，修建地铁隧道;工况3，施工双排桩，基坑开挖2.8 m;工况4，中心岛法开挖并预留12 m宽土台，采用措施保护土台;工况5，修建预留土台旁地下室结构，待完成后施工第一道混凝土支撑;工况6，跳挖法开挖预留土台至坑底;工况7，修建临近地铁隧道侧地下室结构，加传力带;工况8，拆除支撑。

基坑开挖过程中，地面超载选取20 kPa。

一般情况下，基坑开挖过程中各工况中最关注工况6和工况8，即基坑开挖到底和基坑拆除支撑这两个工况，根据本工程特点，工况8对变形的影响已经很小，故主要针对工况6展开分析。对应于该工况支护结构、土体和隧道水平位移以及隧道衬砌应力如图7～图14所示。

图7 土体水平位移云图（双排桩）

图8 土体水平位移云图（带撑双排桩）

4 计算结果分析

由图3，图4和图7～图12可知，采用悬臂双排桩支护的围护结构时，采用规范法平面分析支护结构最大位移达到23.35 mm，三维数值分析的最大位移为21 mm，均超过了专家及地铁业主方要求的20 mm。同时，地铁隧道结构最大水平变形2.34 mm，发生在靠近基坑一侧。采用带撑双排桩支护的情况下，规范法平面分析支护结构最大位移4.68 mm，三维数值分析的最大位移为8.85 mm，都远小于20 mm。其中，三维数值分析结果的最大位移比悬臂双排桩支护结构骤减了12.85 mm，减少62%，这说明设置支撑能显著的控制双排桩支护结构的变形，在该种支护结构下，靠近基坑的隧道结构部分最大水平变形1.43 mm，比采用悬臂双排桩减少了39%。

图9 双排桩结构水平位移图

图10 带撑双排桩结构水平位移图

图11 地铁隧道的水平位移云图（双排桩）

图12 地铁隧道的水平位移云图（带撑双排桩）

图13 隧道衬砌Von-M ises应力图（双排桩）

图14 隧道衬砌Von-M ises应力图（带撑双排桩）

由图13，图14可知，两种支护结构下隧道衬砌应力相差不大，而且都远小于隧道衬砌的屈服强度，因此可判断衬砌结构处于安全状态。

规范理论计算结果表明:悬臂双排桩前排桩最大弯矩675.3 kN·m，后排桩最大弯矩1 187.3 kN·m。设置支撑后，前排桩最大弯矩475.41 kN·m，后排桩最大弯矩268 kN·m，分别降低了29.6%和77%。可见，加支撑后能使桩身弯矩分配更加合理，显著减少桩身弯矩，从而节省桩身钢筋及混凝土材料，减少了工程成本。同时，结合中心岛法开挖，既能够保证合理分区、分段施工，又可保证各工况条件下支护结构的安全，并通过合理工序安排充分利用地下结构物的支撑作用，达到了很好的技术经济效果。

5 结语

1）在基坑开挖卸载的过程中，隧道结构靠近基坑侧向坑内的水平位移较大，需采取适当工程措施保证基坑及邻近隧道的安全。

2）在严格控制变形条件下，带撑双排桩不仅能显著控制围护结构的位移，保护紧邻地铁隧道的安全，而且能节省工程成本。

3）广州浅岩地区的大面积深基坑开挖工程，当变形控制严格时，采用带撑双排桩支护结构联合中心岛法开挖法能有效控制位移。本工程采用该设计方法，隧道结构位移在广州地铁历史最大监测数据6 mm的安全范围以内，隧道衬砌应力处于较低水平，远小于衬砌混凝土屈服强度。因此，该基坑开挖不会危及紧邻地铁隧道的安全。

［1］吕淑然，刘红岩，袁小平.基坑开挖对临近地下管线运行状态影响分析［J］.工业建筑，2010（40）：686-689.

［2］李大勇，吕爱钟，曾庆军.内撑式基坑工程周围地下管线的性状分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（4）：682-687.

［3］张宇.悬臂式基坑开挖对邻近地下管线的影响分析［J］.天津城市建设学院学报，2010，16（4）：259-263.

Optim ization analysis of a building excavation adjacented to the subway tunnel in Guangzhou shallow rocky area

DAN Li-tang1LIU Shan-yin2ZHOU Shu-dong3

（1.Dongguan Rail Transit Co.，Ltd，Dongguan 523073，China;2.Guangdong Kelei Building Foundation Engineering Co.，Ltd，Dongguan 523112，China;3.Dongguan Institute of Building Research，Dongguan 523112，China）

To ensure the smooth implementation of a building excavation adjacent to the subway tunnel in Guangzhou shallow rocky area，while safeguarding the subway safe operation.The foundation pit supporting structure type are discussed，and the plane and three-dimensional numericalmethod analyze are used to analysis the influence of pit excavation on the subway tunnel after setting up additional support.The analysis showed that，with additional support，the double rows pile retaining structure with center island method can effectively control the displacement of the supporting structure and subway tunnels，and reduce the cost of the project.

shallow rocky area，building foundation pit，subway tunnel，optimization analysis

TU463

A

2012-05-02

但礼堂（1979-），男，硕士，工程师