临近地铁隧道的软土基坑施工分析及方案优化

马永峰，周丁恒，曹力桥，易 礼，冉万云

(1. 中国石油天然气华东勘察设计研究院，山东 青岛 266071；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063； 3.上海申元岩土工程有限公司，上海200040；4.中铁上海局第一工程有限公司，安徽 芜湖 241000)



临近地铁隧道的软土基坑施工分析及方案优化

马永峰1，周丁恒1，曹力桥2，易 礼3，冉万云4

(1. 中国石油天然气华东勘察设计研究院，山东 青岛 266071；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063； 3.上海申元岩土工程有限公司，上海200040；4.中铁上海局第一工程有限公司，安徽 芜湖 241000)

以某临近地铁隧道的软土基坑工程为背景，考虑地下水渗流作用下，运用有限元方法动态模拟基坑开挖过程，分析基坑变形以及对临近地铁隧道的影响，并对不同施工方案进行优化分析。研究得出：基坑开挖对邻近地铁隧道影响主要体现在近端隧道的水平变形上，可将其作为施工中隧道变形控制及预警指标；提出的5项控制措施均能减小地铁隧道变形，其中减小开挖深度和坑外降水效果最为明显，结合实际情况进行组合分析，选取合适的施工控制方案；地铁隧道处于对变形严格要求的运营阶段时，需辅助其他控制措施，如分块开挖等。

隧道工程；地铁隧道；施工影响；数值模拟；方案优化

0 引 言

随着城市建设发展的需要，地铁隧道在其使用阶段不可避免地会受到各种工程活动影响，临近区域工程活动是较常见的对隧道产生重大影响的因素，其中包括建筑基坑的开挖。一般而言，根据基坑与地铁隧道的相对位置不同，基坑开挖对隧道影响可分为基坑临近隧道[1]和基坑下卧隧道[2]两类。

近年来，一些学者已就基坑工程临近地铁隧道这一问题进行了系统研究。其中，数值模拟作为岩土工程重要研究手段，得到广泛地应用，如：高广运等[3]对某临近地铁隧道的基坑工程进行了三维数值模拟，并进行了不同施工方案对比分析；张亮[4]对近地铁区间地铁隧道的基坑开挖进行了三维模拟，分析了不同加固条件下基坑与隧道的变形；刘庭金[5]对建筑物群基坑施工对地铁区间隧道的影响进行了实测与分析。在现场监测或室内试验方面亦有部分研究，如：肖同刚[6]开展了基坑开挖对临近地铁隧道影响的监测与分析工作。梁发云等[7]对紧邻地铁枢纽深基坑变形特性进行了离心模型试验研究，结果表明先“开挖大基坑，后挖小基坑”的开挖方案可以有效地控制基坑变形。此外，数值分析、监测或试验相结合，可有效地分析基坑对临近隧道的影响：伍尚勇等[8]通过数值模拟结构与实测数据的对比分析及数值试验等手段，分析双侧深基坑按不同顺序开挖对穿越其间的已运营地铁隧道的影响；付艳斌等[9]基于室内三轴蠕变试验结果，将建立的黏弹性元件模型应用到近邻地铁的深基坑开挖中，分析了基坑支护结构倾斜、墙间留土与不留土流变速率的影响及隧道不均匀沉降的规律，并与实测数据进行了对比。从理论角度分析基坑对临近地铁隧道影响分析有：张治国等[10]考虑基坑开挖引起的坑底和四周坑壁土体同时卸荷产生的影响，提出了基坑开挖对临近地铁隧道的纵向变形影响的两阶段分析方法。

笔者以某临近地铁隧道的软土基坑工程为背景，运用有限元方法动态模拟基坑开挖过程，分析基坑变形以及对临近地铁隧道的影响，对不同施工方案进行优化分析，提出合理的隧道变形控制方案。

1 工程概况

本基坑基本呈长条形，平面尺寸约为147 m×83 m，开挖深度约为8.15～9.45 m，其中临近地铁的基坑北侧开挖深度为8.75 m。地铁盾构隧道已施工完成(盾构顶部埋深为11.6～14.6 m)，基坑开挖边线距离盾构下行线边线距离约为9.17～15.50 m；东侧为道路，距离约为4.07～5.95 m，道路下埋有煤气、电力、污水及雨水等管线；南侧为设有三层地下室的用地项目，其围护采用钻孔灌注桩+坑外三轴水泥搅拌桩结构。基坑工程安全等级为一级，基坑工程安全等级重要性系数为1.1。基坑与隧道相对位置关系见图1。

图1 基坑与隧道相对位置关系平面和剖面Fig.1 Plan and section plan of the relative position between pit and metro tunnel

工程勘察报告揭示，土体自上而下分为以下土层：①-1杂填土，主要有碎石块及少量黏性土组成，层厚0.40～1.40 m；①-1素填土，层厚1.10～2.20m；②-1砂质粉土，干强度低，韧性低，场地普遍分布，层厚1.50～2.60 m；②-2砂质粉土，含云母屑，1.10～3.50 m；②-3砂质粉土夹粉砂，中密，场地分布普遍，层厚4.90～7.00 m；②-4粉砂，含长石、云母屑，局部夹砂质粉土薄层，场地普遍分布，层厚3.00～5.50 m；③淤泥质黏土，流塑，含腐殖质，层面分布粉粒，局部为淤泥质粉质黏土，夹粉土薄层，场地普遍分布，层厚8.50～13.00 m。上述土层以下岩土层分别为：粉质黏土、粉质黏土混细砂和圆砾。土体物理力学参数列于表1。

表1 材料计算取值

地铁隧道变形要求严格，结构绝对最大变形不能超过20 mm，变形曲线的曲率半径≮1 500 m，相对弯曲≯1/2 500。为控制地铁隧道变形，需对邻近隧道的基坑施工进行详细分析。

2 基坑施工影响分析

2.1 计算模型及参数

基坑降水开挖过程中渗流与固结变形同时存在相互影响，土体的渗流导致孔隙水压力及有效应力的改变，引起土体变形而致使渗透系数改变，影响土体应力应变状态。不少学者的研究发现：降水对基坑内土体有压密作用，对基坑内的隆起量和临近建筑物位移有明显的抑制作用[11]。

计算模型根据实际工况考虑了孔隙静水压力对地铁隧道周边土体有效应力的影响即渗流场与应力场之间的相互耦合作用，笔者使用PLAXIS 2D有限元分析软件在这方面有较好的适用性，其采用的是有限元强度折减方法。PLAXIS软件认为地下水在孔隙中的流动服从Darcy定律，因此其对应的微分方程及其有限元解法不再赘叙。该程序和其他有限元程序的不同之处在于，其为了区别浸润面上下，在非饱和土和饱和土中地下水渗流方式的不同，在Darcy定律中对渗透系数引入了一个折减系数Kr，当土体位于浸润面以下时，其对应的折减系数=1，当土体位于浸润面以上时，对应的折减系数是一个小于1的数值α；而在浸润面附近的过渡区域内的土体，折减系数则由α线性递增到1。

图2 厚度等效图解Fig.2 Diagram of thickness equivalent

图3 基坑计算模型Fig.3 Simulation model of foundation pit

土体强度指标与渗透系数参考地质报告取值，如表2，各类土的变形模量考虑应力路径的影响[12-13]，取卸载弹性模量：

E0=λ·γ′·z

(1)

式中：E0为卸载弹性模量，MPa；λ为与变形模量对应的应力路径影响系数(根据袁静等[12]的黏性土试验结果，黏性土应力路径系数为100，根据胡琦[13]的砂性图试验结果，砂土应力路径影响系数为160)；γ′为土体有效重度；z为深度。

表2 土体物理力学参数

2.1 计算结果与分析

基坑开挖前地铁隧道已施工完成，因此初始阶段将地铁隧道单元激活，并在开挖前设定常水位为地面下2 m，其初始应力场和渗流场如图4。模拟施工步与实际工况类似，有以下施工步：

施工步1：设置钻孔灌注桩、三轴水泥搅拌桩及地面超载。地面超载为隧道上方一直存在的荷载，可不考虑施加地面超载对地铁隧道的变形影响，将此步骤产生的变形归0，仅保留其应力水平。

施工步2：降水至第一道混凝土支撑以下，放坡开挖至第一道混凝土支撑底部，深度为2.8 m。

施工步3：施工第一道混凝土支撑，降水至坑底以下并开挖至底部，深度为8.75 m。

图4 初始应力场和渗流场Fig.4 Initial stress field and seepage field

不同施工步下基坑降水后渗流场见图5，不同施工步下水平向和竖直向土体变形云图如图6，图7。

基坑开挖引起的钻孔灌注桩围护结构及地铁隧道变形列于表3中，钻孔灌注桩围护结构和地铁隧道的变形主要由施工步3引起的。对比地铁隧道对水平及竖向的变形控制标准可知，远端隧道水平向和竖直向变形均在控制标准以内；近端隧道的竖向变形较小，在控制标准以内，但水平方向变形过大，施工步3完成后近端隧道最大水平变形为12.6 mm，远大于控制标准，需对设计方案进行优化，采取相应地控制措施，减小近端隧道水平变形。

图5 不同施工步中基坑降水后渗流场Fig.5 Seepage field after dewatering of different construction steps

图6 水平变形云图Fig.6 Horizontal deformation nephogram

图7 竖向变形云图Fig.7 Vertical deformation nephogram

3 施工方案优化

3.1 不同方案对比分析

近端隧道最大水平变形不满足限值要求，需对施工方案进行优化。优化时主要考虑以下几项控制措施：①水泥搅拌桩加深至隧道底部以下3 m；②基坑开挖深度由8.75 m减小至8.15 m，靠近围护部分的承台部分土体后挖；③在第1道混凝土支撑与坑底之间再施加第2道临时钢管斜撑；④加大围护结构刚度，提高基坑工程水平变形抗变形能力，钻孔灌注桩桩径由1 000 mm增大到1 200 mm；⑤坑外降水至地面下5 m。设计方案设定为方案1，其他方案为设计方案+相应的控制措施组合(表4)，优化方案6具体布置如图8，其他优化方案只要从图8中减少相应的控制措施即可完成。

表4 不同优化方案的控制措施组合

图8 5项控制方案示意Fig.8 Model of five control schemes

计算结果显示主要是近端隧道的水平变形超标，故以围护结构和近端隧道水平变形为指标进行分析。各优化方案下维护结构和近端下行线的最大水平变形计算结果如图9。

图9 不同方案下围护桩及近端隧道最大水平变形Fig.9 Maximum horizontal deformation of the support pile and nearer tunnel under different schemes

5项措施均能减小围护结构及隧道的水平变形，5项措施全部施加时近端下行线隧道的水平变形为4.86 mm，满足地铁保护要求，围护结构最大水平变形亦减小至5.57 mm。方案6与方案1(设计方案)引起的变形差为5项控制措施对变形减小的贡献总量，每项措施对变形减小的贡献量为该项措施实施前变形量与实施后的变形量之差。不同控制措施对围护结构和地铁隧道水平变形减小贡献量如图10，以减小开挖深度和坑外降水至地面以下5 m对变形控制效果最为明显，临时支撑的设置也能一定地控制基坑开挖引起的围护结构和临近地铁隧道的变形。

图10 不同控制措施对围护桩和近端隧道变形减小贡献量Fig.10 Settlement reduction of the support pile and nearer tunnel with different control measures

3.2 最优方案下施工过程分析

按照隧道变形的计算结果，最优方案为方案6，按照以下施工步完成。

施工步1：设置钻孔灌注桩、三轴水泥搅拌桩及地面超载、坑外降水等。此步骤产生的变形归0，仅保留其应力水平。

施工步2：放坡开挖至第1道混凝土支撑底部，深度为2.8 m。

施工步3：施作第1道混凝土支撑，降水至第2道钢支撑以下并开挖至第2道临时钢支撑，深度为6.1 m。

施工步4：施作第2道钢支撑，降水至坑底以下并开挖至坑底，深度为8.15 m。

施工步5：开挖靠近围护部分的承台部分，深度为8.75 m。

最优化方案下不同施工步基坑降水后渗流场见图11，不同施工步下水平向和竖直向土体变形云图见图12、图13，不同施工步下基坑开挖引起的钻孔灌注桩围护结构及地铁隧道变形列于表5中。该施工方案下隧道竖向及水平变形均满足地铁控制标准，远端隧道最大水平变形2.17 mm，竖向变形2.05 mm，近端隧道最大水平变形4.86 mm，竖向变形1.87 mm。远端和近端隧道的最终总变形分布如图14。

图11 不同施工步中基坑降水后渗流场Fig.11 Seepage field after dewatering of different construction steps

图12 水平变形云图Fig.12 Horizontal deformation nephogram

图13 竖向变形云图Fig.13 Vertical deformation nephogram

(续表5)

工况围护结构最大变形远端隧道最大变形近端隧道最大变形水平竖向水平竖向施工步45.472.091.984.601.77施工步55.572.172.054.861.87控制标准—5.0010.005.0010.00

图14 方案6下地铁隧道变形Fig.14 Final deformation of metro tunnel under sixth scheme

4 结 论

基坑工程临近地铁地铁隧道问题是岩土工程领域一个较热门的研究课题，结合某临近双线地铁隧道隧道的基坑工程，通过二维数值模拟得到以下3点结论：

1) 基坑开挖引起的近基坑端地铁隧道水平变形主要体现在近端隧道水平变形上，可将其作为施工中隧道变形控制及预警指标。本基坑工程施工时引起了临近地铁隧道较大变形，需采取一定的施工措施进行控制。

2) 笔者所提出的控制措施均能控制基坑开挖对地铁隧道变形的影响，以减小开挖深度和坑外降水的效果最为明显，在第一道支撑和坑底之间设置临时钢管支撑所减小的隧道变形大于加深水泥搅拌桩和加大围护结构刚度的。在实践中，可根据工程特点和相应情况，选择适合的控制措施组合进行分析。

3) 基坑开挖时地铁已在运营，其对隧道变形的要求很严格，在基坑施工中还需辅助其他措施，如分块开挖、基坑降水等，严格控制基坑引起的变形。

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Analysis and Scheme Optimization of Pit Excavation Adjacent to Metro Tunnels in Soft Ground

Ma Yongfeng1, Zhou Dingheng1, Cao Liqiao2, Yi Li3, Ran Wanyun4

(1. China Petroleum East China Design Institute, Qingdao 266071, Shandong, China; 2. China Railway Siyuan Survey & Design Group Co. Ltd., Wuhan 430063, Hubei, China; 3. Shanghai Shenyuan Geotechnical Engineering Co. Ltd., Shanghai 200040, China; 4. The First Civil Engineering Co. Ltd., of CREC Shanghai Group, Wuhu 241000, Anhui, China)

Based on the engineering practice of one pit construction in soft ground, the application of finite element method to simulate pit construction process was presented with the consideration of the seepage of groundwater. The deformation of foundation pit and the excavation affection on metro tunnels were analyzed in detail. In addition, the deformation results of different construction schemes were compared. Some conclusions have been drawn: the excavation affection on metro tunnels mainly reflects in horizontal deformation of the nearer tunnel, which can be determined as the control and early-warning index for tunnel deformation; the proposed 5 control measures can reduce the deformation of metro tunnels, and the control effect of excavation-depth reduction or outside dewatering measure are the most apparent; the composite analysis is carried out to select the appropriate construction control scheme, considering the actual conditions. Metro tunnels in the operation stage are very strict in the deformation restriction. Therefore, some assistant measures such as block excavation should be taken.

tunnel engineering; metro tunnel; construction effect; numerical simulation; scheme optimization

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.07

2014-10-22；

2014-11-28

马永峰(1981—)，男，山东日照人，工程师，主要从事岩土工程勘察与设计方面的研究。E-mail:yongfeng314@126.com。

U455.5;TU435

A

1674-0696(2015)05-033-07