基坑相邻地铁隧道变形与应力控制措施

徐长节，孙凤明，陈金友，徐礼阁

（1.浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，杭州310058；2.浙江大学 软土与环境工程教育部重点实验室，杭州310058；3.杭州市城东新城建设投资有限公司，杭州310021）

近年来中国在地下工程建设方面十分活跃，很多大中型城市都在不断的积极利用地下空间。城市中的地下工程主要为地下室的建设，同时以地铁和地下通道等带状分布的地下空间也十分常见。由于城市用地的紧张，这必然导致相邻工程的相互影响越发突出。这种相互影响的方式以及影响程度应该是分析一个工程问题的焦点。

目前主要以各种位移量的大小作为安全指标，但其大小的界定还没有统一说法。

文献［1］通过现场实测资料从隧道沉降，水平位移以及横向变形等角度探讨了基坑开挖对临近地铁隧道的影响。文献［2］利用经验分析和数值分析方法分析了基坑开挖对地铁隧道沉降及变形影响并提出了合理的保护措施。文献［3］利用三维有限元法详细讨论了基坑开挖影响车站变形的几项主要施工措施，并指出基坑开挖时合理设置托换桩，进行土体加固和分块开挖是控制变形的有效措施。文献［4］利用plaxis模拟了某一临近地铁隧道深基坑的开挖，总结了不同工况以及不同施工方式对结构物产生的不同影响。文献［5］［6］采用整体有限元法分析了深基坑开挖卸荷对临近已建隧道的影响。文献［7］通过有限差分数值模拟方法，得到了邻近大刚度地铁车站的基坑开挖位移传递规律，分析表明了车站结构的存在对基坑变形产生了遮挡作用以及基坑开挖对车站产生背向倾斜等实用结果。文献［8］详细介绍了利用plaxis进行基坑开挖模拟的适用性并探讨了相关适用条件。

1 工程概况及周边情况

工程位于杭州市下沙经济开发区。该基坑东西向长约200m，南北走向约80～100m，如图1所示。工程±0.000相当于黄海高程6.800m，场地相对标高以－0.400m计。地下为2层汽车车库，基坑设计开挖总深度为－11.800m。一共分3层开挖，第1次开挖至－2.300m，第2次开挖至－8.900m，第3次开挖至坑底。由于工程的重要性以及周边环境的复杂性，基坑安全等级确定为一级。

在基坑的北面和西面目前为空地，在基坑南面有一已运行的上下行地铁隧道。基坑围护结构距盾构边缘最近距离约11m，基坑底距盾构隧道顶约2m，如图2所示。由于基坑开挖导致围护结构变形从而对临近地铁隧道产生不利影响。为了确保地铁隧道的安全，设计中采取了加强地铁隧道一侧围护结构刚度，并拟在施工中采取分块对称开挖方法。本文利用plaxis有限元软件动态的模拟整个设计及施工过程，预先分析研究基坑开挖可能对地铁隧道产生的影响。最后通过和常规施工方法进行对比揭示了基坑所采用的设计和施工方法是合理可行的。

图2 邻近隧道的基坑剖面

2 基坑围护结构

2.1 挡土结构的确定

基坑大部分区域采用型钢水泥搅拌墙作为挡土结构兼止水帷幕，同时考虑对南侧地铁隧道保护，该侧采用大直径钻孔灌注桩排桩结合双排三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕，如图3所示。型钢水泥搅拌墙采用进口三轴搅拌设备，桩径为850mm，中心距为600mm。钻孔灌注桩桩身混凝土强度等级C25，桩径1 000mm，中心距1150mm。

图3 基坑围护结构平面图

2.2 支撑体系的确定

考虑到基坑的开挖深度及周边环境条件，最终采用两层钢筋混凝土内支撑。第1道支撑中心标高－1.80m，第2道支撑中心标高－8.40m，第1道支撑截面为900（b）×800（h）mm，第2道支撑截面为1 000（b）×900（h）mm，均采用C30混凝土。

2.3 地下水控制方面

主要采用设置三轴搅拌作止水帷幕进行控制，同时根据相关工程经验，采用简易深井降低基坑内外的地下水位。

3 数值分析

采用plaxis有限元软件对其进行二维模拟分析，所选截面为基坑邻近隧道侧的长边中点位置的剖面（图1）。根据所选基坑剖面尺寸大小以及相邻隧道位置，最终取模型水平向长度为200m，竖向深度为40m。土体的本构模型采用了可以考虑卸载，再加载和初次加载时土体模量不同Hardening－Soil模型（E50为标准排水三轴试验中的割线刚度，Eoed为主固结仪加载中的切线刚度，Eur为卸载／重新加载刚度）。

表1 土层物理力学指标

每层土体参数选取由地勘报告确定，见表1。围护结构和隧道衬砌通过plate单元模拟，内支撑采用Anchor单元模拟，最后将结构实际尺寸和材料性质换算成相应的计算参数，详见表2。

表2 围护结构及隧道衬砌相关参数

续表2

3.1 两种不同施工模型的建立

首先模拟了常规施工过程，如表3所示，即采用整体开挖方案。通过先挖土后支撑的分层开挖方式如图4所示，采用消灭和激活相关单元体来实现此过程。最后模拟了本工程现场实际施工过程，如表4所示，采用分块对称开挖每层土体以及快速施工底板等措施来保证工程的安全性。有关文献以及工程实践都指出了时空效应原理对工程影响的重要性，因此在每一层土体开挖时，都采用了先挖基坑中间块土体然后再对称挖除左右两块土体，如图5～6所示。基坑开挖到坑底时，加速底板施工对保障工程安全性也是十分重要的。

表3 常规施工过程

表4 工程现场施工过程

图4 分区开挖平面图

图5 钻孔桩 常规开挖施工步8

图6 钻孔桩 分块开挖施工步10

3.2 对比两种数值分析结果

通过定义相关施工步，2种施工方法的最终变形图，如图7～8所示。由图可知正是因为基坑开挖卸荷作用，从而使围护结构发生侧向变形，坑底发生隆起以及隧道也产生了相应位移。通过比较2个变形图，可以看出本工程所采用的分块对称开挖施工方法能够显著的减小相应变形。由于基坑两侧的环境条件以及相应围护结构刚度的不同，导致两侧围护结构的侧移量也有所差异。

图7 钻孔桩 常规开挖最终变形图

图8 钻孔桩 分块开挖最终变形图

图9表达了桩在不同数值分析模式以及实测情况下最终变形。从图中5条变形曲线可以看出，桩发生最大位移处基本都位于坑底附近。桩的最大位移量在实测，采用钻孔桩－（分块开挖：常规开挖）以及采用SMW工法桩 （分块开挖：常规开挖）分析模式下分别为9.5，11.0，15.2，22.8及26.7mm。实测数据和采用钻孔桩－分块开挖分析模式结果具有较好的吻合性，间接证明了本工程所采用的设计和施工方法是安全合理的。由4种不同设计施工方法结果对比得出，采用钻孔桩 分块对称开挖可以显著的减少围护结构变形，同时也说明了不同的围护结构刚度和施工方法的选择将对结构最终变形影响程度是不同的。相对施工方法而言，采用加强围护结构刚度能更好的控制其最终变形，所以合理地选择有关围护结构形式对工程的安全性是十分重要的。同样，基于时空效应原理来选择合理的开挖方式可以进一步减小结构变形，如图10所示。由图10、11对比可知基坑两侧的围护结构变形是不一样的，原因在于基坑两侧的环境是不一样的，其中一侧围护结构受地铁隧道的影响。

图9 临近隧道围护结构最终变形有限元计算结果及实测对比图

图10 远离隧道侧SMW工法桩最终变形有限元计算结果及实测对比图

围护结构和隧道水平位移随开挖步变化见图11，从该图可以总结出以下几点：采用分块对称开挖时各个结构的最终水平位移值要远小于整体开挖方式，同时分块对称开挖下结构的变形发展速度也相应降低了许多。从不同挖土阶段的变形量来看，两种施工方法都是在开挖第2层土体时产生的变形增量最大，原因在于第2层土体比较厚，开挖卸荷量大所致。由图12可知，上行隧道最大水平位移在实测，采用钻孔桩 （分块开挖：常规开挖）以及采用SMW工法桩－（分块开挖：常规开挖）分析模式下分别为7.0，6.0，10.1，21.2及23.1mm。从数据结果来看，采用钻孔桩－分块开挖数值分析不仅和真实设计施工相吻合而且也证明了此法在基坑开挖时可以很好的控制其变形。从施工现场来看，当该基坑底板施工完毕后，整个基坑围护结构以及邻近地铁隧道的位移得到了很好的控制，由此证明该基坑设计施工是一个成功的例子。

图11 结构位移随施工步变化图

图12

图13

由于上行线隧道距离基坑最近，所以选其最终变形进行分析。如图12（a）所示，隧道产生了近似刚体位移，原因在于隧道衬砌刚度要远大于其周围土体刚度。隧道产生变形的根源在于其周围应力场发生了变化，由于基坑开挖打破了原有应力场，隧道为适应新的应力场必须在位移和内力上有所调整。由图13可以看出4种不同设计施工方法分别使隧道管片产生了154.3，165.4，190.2，205.8kN·m的弯矩，通过和管片设计容许弯矩180.0kN·m进行对比，说明了目前管片的强度是满足要求的。

由于基坑开挖导致邻近隧道产生了位移和附加内力。通过和管片设计容许弯矩值比较，该隧道管片结构强度是安全可靠的。根据实际观测，在整个地下室施工期间，隧道结构未出现任何裂缝，轨道也未出现明显变形，证明本工程采取的措施是安全得当的。

图14 实测隧道沿基坑长边方向水平位移变化图

图14为现场实测上行地铁隧道沿纵向产生的不同水平位移量，从整体上可以看出位于基坑中部一定范围内的地铁隧道产生明显位移，随着远离基坑核心区，隧道的变形也相应的显著减弱。隧道水平位移的不均匀性将导致其产生弯曲变形，从而使隧道衬砌产生附加内力。目前关于地铁隧道附加变形警戒值还没有在相应规范中确定，现在主要还是一些参考类似工程的经验数据。参照《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》对地铁安全保护区内的施工项目的要求，地铁隧道结构绝对沉降量及水平位移不大于20mm。但如何准确合理的确定新建工程对已有建筑物和构筑物的影响成为目前城市建设中很棘手的问题。这个问题不仅关系到工程的安全性，同时也和工程的造价紧密相关。我们认为位移允许值一方面受到正常使用的要求控制，另一方面也应该由结构内力不超过结构设计强度的准则来控制。

4 结 论

以某一相邻地铁深基坑为背景，利用有限元软件对其施工过程进行了数值模拟，通过比较模拟不同施工方法所产生的结果以及和现场实测资料对比，总结出了以下几点认识。

1）利用数值分析软件合理模拟现场施工状况，不仅能够很好的预测工程安全与否而且可以为设计提供参考；

2）基坑开挖施工中，合理采用分块对称开挖方法和加强有关围护结构刚度能够很好的控制基坑变形。对于变形控制严格的工程来说，采用多种方法联合使用是十分有效的；

3）关于开挖地下空间对已有建筑物或构筑物的影响，一方面受到正常使用的要求控制，另一方面还应该由结构内力不超过结构设计强度的准则来控制。

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