隨著經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，開發(fā)運營中的地鐵隧道周邊地帶將不可避免，如何保證對運營中的地鐵隧道的影響最小，成為需要重點關注的問題。以某工程項目為例，通過有限元數(shù)值模擬，研究了大規(guī)模深基坑分區(qū)階次開挖對既有隧道的影響，為附近基坑的地下連續(xù)墻設計長度取值提供根據(jù)。
引言
隨著上海經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，運營中的地鐵隧道周邊地帶的開發(fā)利用需求極大。相對于一般的施工環(huán)境，隧道周邊區(qū)域由于距離地鐵較近，在開發(fā)時必須考慮地鐵運營的安全，尤其是大型深基坑的施工，在土體卸載過程中如何確保隧道變形滿足運營要求是其施工最大難點。
1 工程概況
1.1項目簡介
某大規(guī)模深基坑工程位于上海市中心，基坑挖深約14m，長約190m，寬60m，由于運營中的地鐵隧道位于工程正下方，基坑被分為南北2個小基坑，2個基坑距離地鐵水平距離均為8m左右，基坑之間通過8m寬的車行通道連接（圖1）。此外，在基坑南側緊鄰另一條隧道，最近間距為7m左右。
圖1 基坑與隧道關系示意
由于地塊周圍環(huán)境條件嚴峻，為滿足2條隧道正常運營要求，擬采用“分區(qū)順做法”的總體方案：將北邊基坑分為S1-A區(qū)、S1-B區(qū)先后分別實施，將南部基坑分為S2-A區(qū)、S2-B區(qū)先后分別實施，具體分區(qū)如圖2所示。
圖2 基坑分區(qū)開挖示意
1.2計算評判指標
據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定》，由于深基坑、高樓樁基、降水、堆載等各種荷載和加載的建筑活動對地鐵工程設施的綜合影響限度，必須符合地鐵結構設施絕對沉降量≤20mm。（包括各種加載和卸載的最終位移量）。隧道變形曲線的曲率半徑R≥15000m。
2 基坑開挖數(shù)值模型
2.1有限元模型建立
采用通用有限元分析軟件MARC進行基坑開挖的全過程模擬。
2.1.1有限元材料模型
采用8節(jié)點的實體單元模擬土體，采用殼單元來模擬地下連續(xù)墻和既有隧道，采用梁單元模擬支撐。數(shù)值分析中采用Mohr-Coulumb本構模型對場地土體進行模擬，土體參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告取值。
2.1.2有限元幾何模型
結合有限元模擬經(jīng)驗，一般基坑開挖影響寬度約為開挖深度的3～5倍，影響深度約為2～4倍，故確定影響范圍為由基坑邊向外延伸100m，土體深度方向延伸70m。
2.1.3有限元邊界條件
本模型采用標準邊界形式，即計算模型底部節(jié)點限制其水平向和豎向位移為零，四周限制水平面（x、z方向）位移為零，上表面為自由面。
2.2計算工況
對比計算地下連續(xù)墻圍護深度分別為51m和40m條件下，基坑施工對既有隧道結構的影響。
圖3初始地應力場位移
根據(jù)實際工程開挖步驟，本次模擬分初始地應力場計算，分層開挖S1-A、S2-A區(qū)域基坑，分層開挖S1-B、S2-B區(qū)域基坑，開挖S1-B、S2-B之間的聯(lián)絡通道4步進行，圖3為初始地應力場。
3 計算結果分析
3.1方案一
3.1.1基坑整體變形分析
采用方案一，在消除初位移影響（1.8cm）后，基坑周邊最大沉降1.5cm，基坑底部隆起7.2cm（圖4）。
3.1.2隧道變形結果分析
相比較于基坑南側隧道，基坑下方隧道受2個基坑共同影響，隧道自身離基坑也更近，限于篇幅，這里僅分析基坑下方隧道變形。
圖4基坑及周邊豎向位移（未去除1.8cm初始位移影響）
采用方案一，處于基坑連通道下方的隧道呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，最大豎向位移為17mm。
3.2方案二
3.2.1基坑整體變形分析
采用方案二，在消除初位移影響（1.1cm）后，基坑周邊最大沉降2.3cm，基坑底部隆起8.9cm（圖5）。
3.2.2隧道變形分析
4 結語
依據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定》，對于原設計方案設計的51m地下連續(xù)墻埋深（3倍基坑深度），基坑開挖施工對既有地鐵區(qū)間隧道和車站的影響均在控制標準以內(nèi)，若改為40m地下連續(xù)墻埋深（2.4倍基坑深度），隧道變形則剛達到控制標準要求（表1）。本次數(shù)值模擬結果顯示，若隧道等建（構）筑物離基坑10m以內(nèi)距離，要滿足其擾動要求，地下連續(xù)墻設計長度達到基坑開挖深度的2.5倍比較合適。
圖5基坑及周邊豎向位移（未去除1.1cm初始位移影響）
采用方案二，基坑下方隧道隆起量較原先方案更大，最大隆起量為2cm左右。
