地铁上方管线开挖对地铁影响分析

地铁上方管线开挖对地铁影响分析

陆泽惠2,3 ,陈龙1,2,3

1.天津大学建筑工程学院，天津 300051；2.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300051；3.天津市基础设施耐久性企业重点实验室，天津 300051

收稿日期：

作者简介：陆泽惠（1988-  ），男，工程师，从事岩土工程与地下结构设计工作。

摘要：针对地铁周边与上方管线基坑开挖，土体卸荷回弹，造成地铁变现的问题，采用midas gts NX有限元软件，对地铁变形进行分析。通过计算并结合现场监测结果综合分析,得出以下结论：①计算变形与实际监测变形比较吻合，而计算值比实际监测值偏大，主要是由于计算考虑了空间效益，未考虑时间效应。实际工程中可将其作为安全储备。②对于临近地铁的周边管线基坑开挖应首选采用分段开挖的方法，该方法最经济并且是对环境保护最优的方案。③对地铁进行分析时，不应仅仅分析地铁上方土体开挖，还需要考虑地铁周围基坑土体的开挖。地铁周围管线土体开挖会造成土体应力场的改变，造成变形的叠加。④管线基坑开挖对地铁变形的影响分析时，应考虑施工车辆的荷载。其水平方向变形甚至与竖向变形是同一个数量级，模拟分析时不可忽略其对总变形的影响。

关键词：地铁变形；管线基坑开挖；有限元。

收稿日期：

作者简介：陆泽惠（1988-  ），男，工程师，从事岩土工程与地下结构设计工作。

1前言

随着城市发展越来越丰富，地铁线路的发展也更加丰富。随即在地铁上方埋设管线或者管线更换，都需要在地铁上方开挖土体。因此，地铁上方或者周边开挖管线基坑将成为常能遇到的问题。而地铁在多年运营以后，都会产生一定的变形，变形过大的，甚至会发生渗水的显现。直接影响着地铁的运营，甚至危害到人民的生命财产。而在地铁保护区范围内需要开挖土体，还需要相关部门审核后方可实施，周期较长。希望能通过本次分析能给相关项目带来帮助。

在相关文献[3]中有指出，控制地铁变形的方法为：可以针对基坑内被动区加固和基坑外主动区进行加固。常用的被动区地基加固形式有双轴或三轴水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、MJS 高压喷射注浆等，加固形式可以采用满堂加固、格栅加固、抽条加固、墩式加固等。坑外主动区的加固可以采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、注浆等。

相关文献[4]中也指出：对于侧方隧道受基坑开挖影响的工程，可以根据隧道与基坑的水平距离（s）、基坑开挖深度（H）以及隧道直径（D）三者的关系确定土体加固的形式和范围；对于下卧隧道受基坑开挖影响的工程，可以根据隧道拱顶与坑底的竖向距离（t）、基坑开挖深度（H）以及隧道直径（D）三者的关系确定土体加固的形式和范围。

本项目管线开挖范围在地铁隧道正上方，外部作业的工程影响分区为显著影响区,基坑底距离隧道顶约10m，1D≤基坑底与隧道顶净距≤2D（D=6m）接近程度为接近。由此判断管线开挖会对地铁隧道产生一定影响。

对于各种加固措施，笔者认为，参考相关文献[1]指出，基坑开挖应考虑基坑开挖的空间效应。采取分段开挖分段施工的方法，结合信息化动态施工，来进行对地铁隧道的位移变形控制。

地铁作为城市发展，大家日常生活中不可或缺的交通工具。一旦发生渗水或者不均匀沉降等问题，应对此问题重视。

2项目概况

本项目位于前海桂湾片区6单元，由月亮湾大道-桂湾三路-桂湾四路-深惠城际合围。六单元03街坊已引入商业项目会员店，商业项目计划2022年10月建成，需通过本项目的建设，解决六单元03/04街坊的交通出行和市政设施配套问题；同时为前海建工苑提供备用进出场道路。

图1 道路与地铁的平面关系示意图

本次研究范围为03街坊配套道路、月湾街与桂湾四路北侧辅路管线基坑开挖，其开挖范围见图2红色框范围内。其中，桂湾四路北侧辅路管线基坑在地铁正上方，与地铁竖向净距约10.3m，最大挖方高度4.7m。采用单侧土钉墙与另一侧放坡开挖的基坑支护方案，管线基坑顶部开挖宽度15.80m，其相对关系见图3.

图2管线与地铁的平面关系示意图

图3管线与地铁的横断面关系示意图

3地质情况

根据钻探揭露，结合场地所处的地貌单元和形成环境综合分析，以及根据室内土工试验分析成果，场地内地层自上而下分别为：第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）和残积层（Qel），下伏基岩为加里东期混合花岗岩（Mγ3）。具体土层分布情况见图3.土层相关参数见表1。

表1 土层相关计算参数

4地铁变形控制要求

根据深圳市地铁集团有限公司《地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》（2018年版）中第十二章技术要求中，第五十八条（一）除非我司批准，地铁结构外边线四周的3m范围内不能进行任何工程建设；（二）未经许可，不得在地铁车站、区间隧道上方及周边实施大面积的加卸载、注浆和抽水等影响结构受力形式的作业；车站及隧道结构安全控制指标标准值见表2：

表2:车站及隧道结构安全控制指标标准值

注：①为建（构）筑物竖向荷载及降水、注浆等施工因素而引起的车站、隧道外壁附加荷载；

②为由于打桩振动、爆炸产生的震动车站、隧道引起的峰值速度。

3模拟计算

采用Midas gts有限元计算软件，模型中岩土体采用 3D 实体单元，土层均视为弹塑性体，材料的破坏准则采用修正莫尔‐库仑准则，材料各参数参见表1。土层分布情况见图3。地铁衬砌结构均采用 2D 弹性材料板单元模拟。开挖工况为：①激活既有隧道。该工况进行了钝化地铁隧道开挖土体以及激活地铁衬砌，并对网格进行位移清零；②03配套道路、月湾街与桂湾四路南侧辅路进行分段开挖。其中除桂湾四路南侧辅路采用钢板桩支护，其余采用放坡开挖；③回填03配套道路、月湾街与桂湾四路南侧辅路。对于隧道正上方的桂湾四路北侧辅路进行分段开挖，分析分段长度为12、24m、与不考虑分段开挖，三种情况。

图4三维模型图

4分析

4.1各分段开挖长度，隧道位移情况：

1）开挖12m，地铁变形见图5、图6。

图5分段12m开挖，地铁竖向变形

图6分段12m开挖，地铁水平方向变形

2）开挖24m，地铁变形见图7、图8。

图7分段24m开挖，地铁竖向变形

图8分段24m开挖，地铁水平方向变形

3）不考虑分段开挖，地铁变形见图9图10。

图9不分段开挖，地铁竖向变形

图10不分段开挖，地铁水平方向变形

4.2考虑施工车俩荷载

分段长度12m，考虑基坑边车辆荷载，地铁竖直方向变形见图11，地铁水平方向变形见图12。

图11 分段12m、考虑车辆荷载，地铁竖直方向变形

图11 分段12m、考虑车辆荷载，地铁水平方向变形

4.3分析：

1）由图5、图7、图9可知管线基坑采用12m分段开挖造成隧道竖向变形为竖直向上4.37mm。采用24m分段开挖造成的隧道竖向变形为9.03mm。而未采取分段开挖，隧道竖向变形为19.17mm。由此说明，分段开挖可以有效减少地铁的变形。

2）由图5、图7、图9可知，地铁变形分段开挖12m、24m与未分段开挖，最大竖向变形并非发生在管线基坑正下方的地铁右线，而是发生在基坑旁边的地铁左线。主要因为，分析阶段考虑了03街坊配套道路管线基坑开挖的影响。土体应力进行叠加。

5实测监测结果

1）实测结果的最大竖向变形为2.88mm与分段12m未考虑施工荷载工况下地铁结构最大竖向变形4.37mm，比较吻合。实际施工控制时是按分段长度小于12m进行控制。另外，本次计算考虑了空间效应，未考虑时间效应，计算结果为充分变形，而实际施工中管线开挖、管线施工、与管线回填，施工时间非常快，土体未充分发生变形，就已经完成了回填。

2）实测结果的最大水平变形为2.78mm，而分段12m，为考虑车辆荷载的工况下，计算的地铁结构最大水平变形仅为0.54mm，两者相差较大。主要原因，是未考虑实际施工过程的堆载与车辆荷载。考虑施工荷载，地铁的变形情况见图11与图12，可知，地铁的竖向变形为4.47mm，水平变形为4.08mm。总体地铁水平变形与考虑施工荷载相吻合。根据实际监测数据，甚至存在水平变形值大于竖向变形值的现象。由此可见，施工堆载与车辆荷载会对浅埋的地铁结构产生偏载。并且联合周围管线基坑开挖的空间效应影响，该效应愈发明显。因此，对于比较浅埋的地铁隧道，不应仅仅考虑地铁正上方的基坑开挖情况，还需要考虑地铁周围基坑开挖、地面堆载与泥头车等汽车荷载。

6结论

（1）对于地铁上方与周边的管线基坑开挖，应优先考虑分段开挖。

（2）管线基坑对地铁影响的模拟分析时，应考虑岩土体的空间与时间效应。

（3）管线基坑对地铁影响的模拟分析时，应考虑施工车辆荷载的影响。对于地铁埋深较浅时影响会比较大，不可忽略。即对于地铁分析时不应仅仅分析地铁的竖向变形，还应分析地铁的水平方向变形与总变形。

参考文献：

（1）刘国彬、王卫东.基坑个工程手册（第二版）中国建筑工业出版社，2010；

（2）地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法（2018年版）

（3）刘波、范雪辉、王圆圆等.基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响研究进展.岩土工程学报.2021.11

（4）朱 令. 基坑工程对轨道交通区间隧道的影响与保护[J]. 地下工程与隧道, 2016(3): 36–40.

（5）徐中华, 王卫东. 敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选型[J]. 岩土力学, 2010, 31(1): 258-264.