新建基坑施工时不仅要确保其自身的安全稳定, 又要控制由于基坑开挖引起的附近地层移动, 保证其对周围环境的影响在允许的控制范围之内^[1]。深基坑施工对邻近既有地铁隧道及轨道结构的影响表现为:新建深基坑开挖必然会对坑周土层造成扰动, 产生变形, 并将变形传递至邻近地铁隧道, 使隧道原有的受力平衡被打破, 在地应力重分布的作用下发生变形^[2,3], 从而带动隧道内轨道结构产生变形, 轨道几何形位发生变化。国内外不少学者就基坑开挖对邻近地铁隧道的影响进行了研究, 为基坑开挖过程中地铁隧道的保护提供了大量的有益经验。王卫东等^[4]、王罡^[5]、汪小兵等^[6]、戴鹏祥等^[7]、张剑涛等^[8]、郭典塔等^[9]、高广运等^[10]对基坑开挖卸荷作用下, 地铁隧道结构的变形规律、应力分布、计算方法、影响因素及控制措施等方面进行了研究。在基坑开挖对既有地铁轨道结构的影响研究方面, 吴志坚^[11]结合数值模拟及现场实测的方法, 研究了穿越地铁工程引起的地铁车站变形及轨道几何形位的变化;万家和^[12]指出, 新建基坑会使邻近既有地铁区间线路轨道结构产生横向及竖向位移, 并通过数值模拟的方法进行了验证;孙夫强^[13]对新建基坑工程对邻近既有地铁车站及区间轨道的影响进行了数值模拟及现场实测研究。

可见, 现有研究成果侧重于基坑开挖及结构施工过程中地铁隧道变形机理的研究。工程中, 建筑基坑开挖在影响地铁隧道结构的同时, 还会对地铁轨道结构产生较大影响, 直接威胁地铁运营安全, 但现有研究成果涉及较少。

本文以北京地区某典型基坑及其邻近的地铁盾构隧道工程为例, 通过数值模拟计算, 研究了深基坑开挖引起的地铁隧道结构及轨道结构的变形和轨道几何形位变化规律, 并对基坑侧壁与盾构隧道水平净距l以及基坑支护结构的影响进行了分析。

拟建基坑工程位于北京某地铁区间隧道东侧, 建筑主体为地上1~2层建筑, 地下为2层, 顶板上覆土厚为1.5m, 底板埋深为14.2m。施工基坑距离既有地铁区间隧道8m, 开挖轮廓尺寸为73m×149m, 采用明挖顺作法施工。施工期间为保证邻近地铁隧道安全, 基坑围护结构采用1 000mm@1 600mm及1 000mm@3 200mm钻孔灌注桩, 基坑邻近既有结构一侧采用双排悬臂桩支护, 远离既有结构一侧采用围护桩支护。双排桩结构外围护桩桩长为31.4m, 嵌固深度为17.2m, 桩间距3 200mm, 内围护桩桩长为27.7m, 嵌固深度为13.5m, 桩间距1 600mm;围护桩桩长为21.7m, 嵌固深度为13.5m。既有地铁区间隧道采用盾构法施工, 埋深18.55m, 隧道内径5.4m, 外径6.0m, 衬砌采用300mm厚C50预制混凝土管片, 环宽1.2m, 新建基坑与既有地铁区间隧道位置关系如图1所示。既有地铁区间隧道轨道结构采用1 435mm标准轨距, 1/40轨底坡, 铺设短枕式整体道床, 道床内设钢筋网, 如图2所示。

拟建场地位于北京中轴线东侧, 自然地面标高46.710~48.260m, 场地范围内存在人工填土层, 一般厚度1.3~4.0m, 局部13.5m, 主要为房渣土、粉土填土、圆砾、卵石填土。人工堆积层以下为一般第四纪冲洪积沉积层, 主要为粉土、黏土、细砂、粉砂、圆砾、卵石。

在进行基坑开挖模拟计算时, 有如下基本假定: (1) 土体为各向同性、均质的理想弹塑性体, 简化地表和各层土体为匀质的水平层状分布; (2) 模型计算时初始地应力只考虑土体自重, 忽略地下水的影响; (3) 假定既有地铁区间隧道与轨道结构协同变形; (4) 假定钢轨与道床变形协调。

在基本假定的基础上, 利用MIDAS/GTS软件建立三维数值计算模型, 如图3所示。考虑尽可能消除边界效应, 结合待开挖基坑和区间隧道的位置关系, 模型沿垂直线路方向 (x轴方向) 取200m, 沿区间隧道及线路方向 (y轴方向) 取80m, 沿地层深度方向 (z轴方向) 取50m。土体四周及底部采用法向约束, 上部为自由边界。

考虑到钢轨与整体模型尺寸相差悬殊, 不便在模型中体现出来, 因此只用实体单元模拟整体道床, 并在钢轨位置处设置节点, 在钢轨与道床协同变形的假设下, 提取整体道床钢轨位置处节点的位移以表示钢轨位移。图3c中, 轨1为远离基坑侧的轨道, 轨2为靠近基坑侧的轨道。

根据实际工程中地质勘察报告所提供的地层参数, 结合本模型特点, 将土层予以适当简化, 对一定深度范围内岩土类别相近的土体进行合并, 并按土层厚度加权平均, 进行综合取值。模型的强度准则采用莫尔-库仑准则, 并采用弹塑性本构关系。土层参数取值如表1所示。

采用单元网格激活-钝化方式模拟建筑基坑开挖的动态过程, 为分析基坑开挖过程对既有区间隧道及轨道结构的影响, 将开挖过程按如下工序进行模拟: (1) 开挖1开挖自然地面表层1.5m覆土; (2) 排桩支护施作围护桩; (3) 开挖2开挖自然地面下1.5~3m土体; (4) 开挖3开挖自然地面下3~8m土体; (5) 开挖4开挖自然地面下8~12m土体; (6) 开挖5开挖自然地面下12~14.2m土体。

为深入分析基坑开挖对邻近既有地铁区间隧道及轨道结构的影响, 选取隧道及轨道结构断面上具有代表性的点进行计算。共设置9个计算断面 (图4a中I—I断面) , 每个计算断面设13个计算点, 其中区间隧道断面设置10个计算点 (图4b中1~10点, 其中2, 3, 4点靠近基坑, 8, 9, 10点远离基坑) , 轨道结构断面设置3个计算点 (图4b中G₁, G₂和O点) 。计算点具体位置如图4所示。

根据GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》规定的“城市轨道交通既有线隧道结构变形控制值”, 隧道结构上浮累计不得超过5mm, 水平位移应为3~5mm。

《北京市地铁运营有限公司企业标准技术标准工务维修规则》中“线路维修标准中的综合维修标准”规定, 正线轨距变化要求容许值为4, -2mm, 水平变化应<4mm。

本文中, 基坑位于盾构隧道右侧上方, 盾构隧道及轨道结构竖向位移正值表示上浮, 负值表示下沉;水平位移正值表示朝向基坑方向, 负值表示背离基坑方向。

随着基坑逐步开挖, 基坑侧壁和坑底土体产生朝向基坑内侧的变形, 从而引起周围土体偏向基坑方向的位移, 带动土体中的隧道整体向基坑一侧产生水平位移, 并且由于开挖卸载作用产生竖向位移。

选取距离基坑最近的断面E进行隧道横断面水平位移和竖向位移分析, 如图5所示。可见水平及竖向位移较大值集中于隧道靠近基坑一侧及底部位置。由模拟计算结果可得, 基坑开挖完成后, 邻近区间隧道的累计水平最大位移为3.26mm, 累计竖向最大位移为1.12mm, 均发生在隧道靠近基坑的侧壁上。根据变形控制标准, 新建基坑开挖对区间隧道的影响在安全范围之内。

取各计算断面上靠近基坑一侧的点4作为隧道水平位移计算点, 位于拱底的点6作为竖向位移计算点;既有地铁轨道结构的变形可用无砟轨道道床结构的变形来反映, 故取道床中心排水沟处点O作为轨道结构水平及竖向位移计算点。图6所示为基坑开挖施工完成后, 沿盾构隧道轴线方向计算点6, O的竖向位移分布和计算点4, O的水平位移分布。受基坑与隧道的位置关系影响, 隧道及轨道结构的水平位移要远大于竖向位移, 且沿隧道轴线各计算点的水平及竖向位移呈“一”字形分布。

图7所示为计算断面E上计算点4, O的水平位移及计算点6, O的竖向位移时程曲线。随着基坑开挖, 隧道及轨道结构整体发生朝向基坑方向的水平位移和向上的竖向位移, 在第2阶段, 由于排桩的支护作用, 隧道及轨道结构的水平及竖向位移均有所恢复, 且竖向位移恢复后继续下沉, 之后随着基坑逐步开挖, 二者的水平及竖向位移又逐渐增大, 使得隧道及轨道结构的位移时程曲线呈勺状分布。

在假定钢轨与道床变形协调的前提下, 提取计算断面A, C, E, G, I上道床钢轨位置处G1, G2的变形数据, 分析各施工阶段轨道几何形位变化情况。

由轨道几何形位基本要素的定义可知, 提取相邻两轨的水平位移, 求得二者差值即为轨距变化, 提取相邻两轨的竖向位移, 求得二者差值即为水平变化。本模型中, 轨道几何形位变化均取轨2与轨1的差值, 由此得到各施工阶段轨道几何形位变化曲线如图8所示, 也呈勺状分布。由计算结果可得, 轨距变化最大值为0.128mm, 水平变化最大值为0.136mm, 均远小于规范控制值, 说明基坑开挖对轨道几何形位的影响较小。

为进一步研究基坑和盾构隧道水平净距的变化对隧道及轨道结构的影响规律, 设计不同工况分别进行数值模拟计算。

绘制隧道埋深为18.55m时, 基坑西侧边缘与隧道水平净距l分别为7, 14.2 (工程原型) , 21, 28, 35m时, 计算断面E上隧道及轨道结构位移及轨道几何形位的变化曲线, 如图9, 10所示, 计算点布置同图4。

可以看出, 随着新建基坑与既有地铁区间隧道的水平净距逐渐增大, 盾构隧道及轨道结构的水平及竖向位移都逐渐减小, 同时, 轨道几何形位的变化量也随着新建基坑与既有隧道水平净距的增大而减小, 但是很显然, 轨道的水平变化受基坑与隧道水平距离的影响更大。

根据本文计算结果, 当基坑与隧道水平净距l取2h时, 隧道水平位移约为2mm, 竖向位移<0.5mm, 轨道几何形位变化均<0.1mm, 认为基坑开挖对隧道及轨道结构影响较弱, 因此可以2h为界限, 将基坑施工邻域分为强影响区和弱影响区, 若邻近地铁隧道位于弱影响区, 则应加强监测;若邻近地铁隧道位于强影响区, 在加强监测的同时, 还应采取适当措施控制地铁隧道及轨道结构的变形。

分别对靠近既有隧道一侧基坑支护结构为双排桩和单排桩两种工况进行数值计算, 得到计算断面E上隧道及轨道结构位移及轨道几何形位的变化规律, 如图11, 12所示, 计算点布置同图4。

从图11, 12可以看出, 基坑支护方式为双排桩支护时, 盾构隧道及轨道结构的水平位移较单排桩支护明显减小, 竖向位移略有减小, 变化不显著, 轨道轨距及水平变化均减小。根据计算结果, 隧道计算点4水平位移减小28%, 竖向位移减小6.5%;轨道结构计算点O水平位移减小36%, 竖向位移减小6%。因此, 认为双排桩支护可明显降低基坑开挖对盾构隧道及轨道结构的影响, 尤其可抑制隧道结构的水平位移发展。

1) 受基坑与隧道位置关系影响, 基坑开挖对邻近地铁隧道及轨道结构的影响主要以朝向基坑方向的水平位移为主, 对轨道几何形位的影响较小;隧道及轨道结构的水平及竖向位移、轨道的轨距、水平沿隧道轴线方向呈“一”字形均匀分布, 最大值均出现在隧道及轨道结构靠近基坑一侧相应位置。

2) 随着基坑开挖的进行, 地铁隧道及轨道结构的水平、竖向位移逐渐增大, 而在排桩支护施工阶段出现恢复, 之后又随着逐步开挖逐渐增大, 使得隧道及轨道结构的位移及轨道几何形位变化的时程曲线呈勺状分布。

3) 随着基坑侧壁与盾构隧道水平净距l的增大, 基坑开挖对邻近盾构隧道及轨道结构的水平位移、竖向位移、轨道轨距、水平的影响均逐步减小。仅考虑基坑开挖对盾构隧道及轨道结构的影响, 可以2h为界限, 将建筑施工邻域分为强影响区和弱影响区。

4) 基坑支护结构为双排桩时, 盾构隧道及轨道结构的水平位移较单排桩支护明显减小, 竖向位移略有减小, 变化不显著, 轨道轨距及水平变化均减小。因此, 认为双排桩支护可明显降低基坑开挖对盾构隧道及轨道结构的影响, 尤其可抑制隧道结构的水平位移发展。