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基坑开挖引起的地铁隧道变形环境评估

1、概述
东方路下立交工程位于上海浦东张杨路、东方路、世纪大道多条干道的交汇处，与地铁2号线45°斜交。见图1。基坑开挖导致的土体卸荷必然引起基坑底部土体回弹和周围土体移动，因此开挖施工对下部的地铁隧道变形影响极大，稍一不慎，可能严重威胁地铁运营的安全。而现行标准对地铁隧道的变形要求极其严格，结构最终绝对位移不能超过20mm，变形曲线的曲率半径不小于15000m，相对弯曲不大于1/2500。为保护地铁的正常营运，准确预测基坑开挖引起地铁回弹变形，控制隧道位移成为急需解决的问题。
为了保护运行中的地铁，对基坑开挖引起的对周边环境变形影响进行评估，本文采用有限元数值分析的方法，对基坑开挖引起的地铁变形进行了相关计算，实际监测结果证明该方法进行地铁变形预测是可行的。

图1、东方路下立交基坑工程与地铁2号线相交平面图

隧道上方基坑开挖深度为6.63m，运营地铁二号线隧道大多位于上海第④层灰色淤泥质粘土中。地下水位位于地面以下0.5m。场地工程地质特性见下表：
表1工程地质列表
层号土层名称厚度
(m)容重γ
(kN/m3)内聚力
c(kPa)内摩擦
角φ(°)1填土1.5518592-1粉质粘土1.1318.410282-2粉质粘土0.8217.713223-1淤泥质粉质粘土1.0817.71421.53-2砂质粉土2.2818.3334.53-3淤泥质粉质粘土2.4617.213204淤泥质粘土8.716.61495-1粘土2.417.91913.55-2粉质粘土3.918.11823.56粉质粘土4.2519.44320.57-1粘质粉土8.6918.4335.57-2粉砂5018.7336
隧道顶部距离开挖面底部仅仅2.8m，为了确保隧道安全，在上方基坑开挖前，对隧道以及周边土体进行了地基加固。

图2地铁与基坑位置关系图
2、有限元法分析方法
分析中土体单元划分采用三角形单元剖分方法【1】；围护结构、邻近基础、工程桩和隧道采用梁单元；内支撑采用弹簧。
围护结构与土之间设了接触面单元。考虑了围护结构、邻近基础、工程桩和隧道与土体共同作用。
剖分的单元图形如下图：

图3单元剖分图

在计算时，土体的弹性模量根据同济启明星基坑开挖环境影响分析软件JK3E的自动计算，按以下参数选用：
表2
层号土层名称厚度
(m)弹性模量（MPa）泊松比1填土1.5510.1670.322-1粉质粘土1.1320.1030.352-2粉质粘土0.8227.2770.353-1淤泥质粉质粘土1.0833.9170.353-2砂质粉土2.2846.280.353-3淤泥质粉质粘土2.4662.9080.354淤泥质粘土8.797.0080.45-1粘土2.4131.6750.355-2粉质粘土3.9154.6180.356粉质粘土4.25187.0870.357-1粘质粉土8.69238.350.357-2粉砂50468.9130.35
3、有限元计算结果
根据以上条件，通过计算，发现东方路基坑开挖引起的变形分布总体得到控制，变形比较均匀，见图4~7。

图4、基坑开挖引起的水平变形等值线

图5、基坑开挖引起的水平变形云图
由上图可知，东方路基坑开挖引起的水平变形基本上都是朝向基坑内部的水平变形，基坑背面土体的变形在基坑边缘处最大，越往外水平变形越小。

图6基坑开挖引起的竖向变形等值线

图7基坑开挖引起的竖向变形云图
由上图可知，东方路基坑开挖引起的竖向变形基坑背侧土体总体上都是下沉，基坑内部土体总体都是隆起变形。基坑背面土体下沉明显的范围是1倍基坑开挖深度左右；基坑内部土体隆起的范围是整个基坑内土体都发生隆起，越接近基坑底面隆起越明显。地铁隧道距离基坑开挖面非常近，因此控制地铁变形的措施是必要的。
4、对地铁隧道的分析结果
通过对地铁隧道和周边土体相互作用分析，得到基坑开挖条件下的隧道变形预测结果。表3给出了具体的基坑开挖引起的隧道隆起和额外的附加内力。
表3基坑开挖对隧道的影响
基坑开挖对隧道的影响上行线下行线隧道水平位移(mm)4.01.3隧道沉降(mm)-11.2-13.6最大弯矩(kNm/m)15.313.6

(a)地铁下行线（b）地铁上行线
图8开挖引起的隧道隆起变形图

(a)地铁下行线（b）地铁上行线
图9开挖引起的隧道弯矩图
本工程在开挖过程中在地铁二号线隧道内部埋设了电水平尺隧道沉降变形自动监测装置，对整个工程施工进行了全部测量。
通过对地铁隧道和周边土体相互作用分析，得到基坑开挖条件下的隧道变形预测结果。表3给出了具体的基坑开挖引起的隧道隆起和额外的附加内力。根据文献【2】的记载，地铁隧道上行线由于开挖引起的隆起为11.79mm，下行线隆起为12.25mm