深基坑对紧邻地铁车站及盾构隧道的影响

袁 钊

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

深基坑对紧邻地铁车站及盾构隧道的影响

袁 钊

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

为研究深基坑对邻近地铁结构的影响，通过软土地区的工程实例，详细记录了基坑开挖引起的地铁车站和盾构隧道的变形过程.发现车站变形主要表现为上抬和背向基坑倾斜，位于基坑侧方底部以上的隧道变形主要表现为下沉，而车站和隧道相接处的沉降差表现明显.隧道水平收敛随基坑开挖明显增大，表现为横鸭蛋效应，可简化为平面应变问题进行分析评估.隧道收敛变形和坑外深层土体变形是后续研究的重点.

深基坑；地铁车站；盾构隧道

目前，中国城市与地铁的发展相互促进，带来城市更加繁荣的同时，对地铁的线路站点密度提出了更高的要求，诸如上海、北京、深圳、天津、南京等城市的地铁已经形成了网络化运营，但是规划的线路依旧在加密和扩张.与此同时，在地铁换乘站点建设和周边物业开发过程中，常常出现深基坑邻近已有车站和隧道的情况，如2005年上海明珠二期(4号线)张杨路站对地铁2号线的影响[1]，类似工程案例在2010年前多出现在上海，最近几年在北京、西安、广州、天津等城市中，也开始面临同类的工程难题，后续也将会有更多的类似问题出现.前期科研和设计人员对类似问题进行了大量研究，普遍认为基坑开挖过程及降水措施，会打破已有地铁车站和隧道的受力平衡，造成沉降差并产生次生病害，从而影响地铁结构的服役性能.相关的科研文献中，学者们多侧重利用数值模拟方法开展研究，主要利用FLAC有限差分法和ANSYS、PLAXIS、MIDAS有限单元法等商业软件进行分析计算，同时基于监测数据的最终变化量进行验证[2-4].太沙基认为“一个记录完善的工程实录应当受到与十个具有创新性的理论一样程度的重视”，本文以上海杨浦区邻地铁站和盾构隧道的深基坑工程为例，结合已有的研究成果，对基坑开挖过程中车站及盾构隧道的变形进行了详细记录和分析，为后续类似工程设计优化提供参考.

1 工程简介

本项目位于上海市杨浦区，其中南区4层商业建筑地块和东部两栋2～3层商业建筑地块采用钢结构施工，不进行基坑开挖，北区地块基坑工程南侧为某地铁车站及区间隧道(见图1).项目基坑围护结构边线距离区间隧道约10.5 m，距离车站端头井约8.3 m，与车站标准段主体结构共墙.基坑分为三个区独立交叉施工，其中Ⅰ区为远离地铁开挖3层区域，基坑开挖面积约5 180 m2，开挖深度约15.5～16.4 m；Ⅱ区、Ⅲ区为紧邻地铁的长条形开挖1层区域，开挖面积约1 583 m2，开挖深度约7.0～7.4 m，南侧与车站共墙(见图2)，车站顶板埋深约1 m，底板埋深约13 m，车站主体结构采用地下二层两跨钢筋混凝土结构，未设工程桩；在基坑西侧，Ⅰ区、Ⅲ区对应φ6.2 m的通缝盾构隧道，隧道顶部埋深约6 m(见图3).

基坑Ⅰ区近地铁侧及居民楼侧采用宽8.0 m,φ850@600三轴水泥土搅拌桩裙边加固，加固深度自第2道支撑至坑底以下4 m，其它侧采用宽6.0 m,φ850@600三轴水泥土搅拌桩满堂加固，加固范围为坑底至坑底以下4 m；Ⅱ区及Ⅲ区基坑坑底以下采用φ850@600三轴水泥土搅拌桩满堂加固，加固范围为坑底至坑底以下6 m.

图1 项目平面示意图

图2 横剖面1示意图

图3 横剖面2示意图

根据勘察设计报告，本工程范围内地层参数(见表1).

表1 土层物理力学性质综合成果表

本区域对工程有影响的地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水，水位随季节变化而变化，勘察期间水位埋深为0.9～1.1 m.本场地有较厚填土，未发现暗浜分布.基坑区域存在较厚的④层为淤泥质软土层，属于饱和、流塑状态，该层土抗剪强度低，灵敏度高，具有触变性和流变性特点，是上海地区最为软弱的土层之一，同时也是导致基坑围护体变形、内力增大的主要土层.工程范围内的②层粉质粘土和③层粘质粉土夹淤泥质粉质粘土，渗透性强，导致基坑开挖时易产生塌方、管涌、流砂等不良地质现象.

2 地铁结构监测方案

根据地铁设计和主管部门提出的地铁结构设施控制标准:地铁结构设施绝对沉降量≤20 mm、隧道变形曲线的曲率半径R≥15 000 m、相对弯曲≤1/2 500，为实时了解在基坑施工过程地铁结构的变形情况，本项目进行了地铁结构沉降监测和盾构隧道管径收敛监测.

本项目监测范围为沿地铁走向一侧施工用地边界向两侧延伸4倍基坑开挖深度.施工前在基坑施工区域正对范围和1倍基坑深度延伸范围内对应的上、下行线整体道床上按照约13 m设置3个垂直位移监测点(道床接缝处加密布设)，其余监测范围内按照12 m(约10环)的间距设置垂直位移监测点，且尽量利用已有定期沉降监测点；共计设置136只道床垂直位移监测点，上下行线各68点(见图1).施工前在施工区域正对范围和1倍基坑深度延伸范围内对应的地铁隧道管片上每隔6 m(约5环)设置管径监测断面，其余监测范围内每隔12 m(约10环)的间距设置管径监测断面，且尽量与沉降监测点对应布设，共计设置56只断面，上下行线各28只断面.

3 监测数据分析

整个施工严格遵循软土地区基坑施工的时空效应理念，分区分块，先远后近施工，每个地块地下结构施工完成后，方可进行下一分块基坑开挖.其中Ⅰ区基坑施工约10个月，地下结构施工约5个月；Ⅱ区基坑施工约5个月，地下结构施工约2个月；Ⅲ区基坑施工约1个月，地下结构施工约1个月.具体施工时间节点(见表2).

3.1 垂直位移监测数据分析

详细整理各个工程节点上下行线沉降纵断面曲线和特征点历时曲线(见图4～图7).

表2 工序施工时间节点

图4 上行线沉降累计变形量纵断面曲线图

图5 下行线沉降累计变形量纵断面曲线图

图6 上行线沉降特征点历时曲线图

图7 下行线沉降特征点历时曲线图

从以上累计垂直位移曲线可以看出：

(1)图4为近基坑侧的上行线地铁结构在竖直方向变形，根据工况8最终沉降曲线：东侧延伸区域隧道(SX01～SX07)垂直位移变化量主要分布在-1.99～0.49 mm，相对比较稳定，与有关文献中认为基坑工程影响范围为4倍基坑开挖深度范围吻合；钢结构施工区域(SX08～SX29)垂直位移变化量主要分布在-3.32～1.64 mm，变形略微下沉，主要影响因素为钢结构加载桩基拖带沉降引起周边土体沉降；东侧基坑施工区域内正对车站(SX30～SX42)垂直位移变化量主要分布在-1.59～3.78 mm，变形略微上抬[5]；西侧基坑施工区域车站(SX43～SX50)垂直位移变化量主要分布在-5.26～2.03 mm，表现为轻微下沉，车站结构变形以基坑中部为界限，出现下沉与上抬的拐点；西侧基坑施工区域隧道(SX51～SX60)垂直位移变化量主要分布在-15.75～0.97 mm，延伸区域隧道(SX61～SX68)垂直位移变化量主要分布在-10.36～0.79 mm，下沉较为明显，且洞口有明显沉降漏斗区域，与文献[6-7]观点一致，类似项目的主要影响风险点为车站与隧道交接处的沉降差，其它远离施工区域隧道结构变形逐渐减小.

(2)图5下行线地铁结构在竖直方向变形与上行线表现整体上趋于一致，基坑施工正对区域有近20 m范围内的隧道，沉降变形达到变形控制值-20 mm.

(3)结合图4和图5发现：施工范围正对车站区域表现为上抬，且近基坑侧上行线上抬量大于远侧下行线，车站表现为背向基坑倾斜，与已有文献研究结果一致；施工范围正对隧道区域表现为明显下沉，远离基坑侧隧道下沉量略大于基坑侧，已有基坑工程地表沉降统计规律表明最大沉降位置为坑外0.7 H处，但是深层土体位移的研究相对较少，这一现象难以用地表沉降统计规律描述，多数科研人员认为是因为地下构筑物的存在改变了土体应力应变场，本文认为需要后续结合案例继续研究[8].

(4)从图6上行线地铁结构沉降历时曲线图可以看出：地铁整体结构在桩基及围护加固施工期间，表现为轻微上抬；车站结构在Ⅰ区即大区基坑开挖前期，变形相对稳定，开挖后期，车站结构开始表现为明显上抬，在Ⅱ、Ⅲ区基坑开挖期间亦有明显上抬趋势；隧道结构在Ⅰ区即大区基坑开挖前期表现为轻微下沉，后期隧道结构则加速下沉，该沉降速率一直持续至基坑地下结构完成；地铁整体结构在地上结构施工期间有下沉趋势，与加载桩基拖带沉降相关.图7下行线沉降趋势与上行线一致.

3.2 管径收敛监测数据分析

详细整理各个工程节点上下行线管径收敛纵断面曲线和特征点历时曲线(见图8～图11).

图8 上行线管径收敛累计变形量纵断面曲线

图9 下行线管径收敛累计变形量纵断面曲线

图10 上行线管径收敛累计变形历时曲线图

图11 下行线管径收敛累计变形历时曲线图

从以上累计管径收敛曲线可以看出：

(1)车站甲方向隧道位于基坑工程延伸区域，上、下行线隧道水平方向管径变形较小.

(2)图8和图9表明：车站乙方向，位于基坑工程正对区域的上下行线隧道，水平收敛变形趋势及范围一致，水平收敛变形增大，横鸭蛋效应明显，临近基坑的上行线受到的影响大于下行线，上行线变化量最大达到11.2 mm，下行线变化量也达到7.9 mm，延伸区域的水平收敛变形量逐渐减小.

(3)图10和图11表明：管径收敛变形量主要发生在Ⅰ区即大区开挖后期，主要原因为随着开挖量的加大，隧道侧向土压力差逐渐加大引起；在正对隧道范围的Ⅲ区小坑开挖后期，上行线收敛变形亦有明显增加；水平收敛变形表现出明显的时空效应，隧道收敛变形可简化为平面应变问题进行分析评估.

4 结 论

以上分析表明，在现有设计和施工技术条件下，基坑工程不可避免地对邻近地铁结构产生明显影响，且表现出明显的时空效应.开挖引起近侧车站结构产生上抬趋势大于远侧车站结构，从而造成车站结构的背向基坑倾斜，这与已有研究成果一致.引起基坑开挖底面以上的侧方隧道结构下沉，且与车站结构相接处产生明显的沉降漏斗区域，这种沉降差是类似工程的主要危害，已经引起有关研究人员的重视；基坑开挖引起的隧道管径收敛变化不容忽视，管径收敛变形主要发生在相应范围的基坑开挖后期，相关文献对此类危害介绍较少，是后续研究的重要内容和方向；已有的基坑变形理论主要基于地表沉降变形统计数据建立，基坑开挖引起深层土体位移场变形尚未建立有效理论体系，难以完全解释坑外地下构筑物的变形趋势，这是后续研究的重点.

[1] 曾 远,李志高,王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J].地下空间与工程学报,2005,1(4):642-645.

[2] 谢秀栋，刘国彬，李志高,等.邻近运营地铁车站基坑开挖土层位移特性分析[J].地下空间与工程学报，2007，3(4):742-757.

[3] 王 印,王石飞,顾国荣.深基坑开挖对已有车站共用墙体影响的现场测试及分析[J].岩土工程学报,2008(s1):419-425.

[4] 高 盟，高广运，冯世进，等.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究[J].岩土工程学报,2008,30(6):818-823.

[5] 李志高，曾 远，刘国彬.邻近地铁车站基坑开挖位移传递规律数值模拟[J].岩土力学，2008，29(11):3104-3108.

[6] 王志杰，许瑞宁.基坑开挖对紧贴既有地铁车站的影响分析[J].公路,2015(4):299-302.

[7] 贾夫子，王立峰，逯武全,等.基坑开挖对近邻地铁车站和隧道的影响[J].岩土力学,2016(s2):673-678.

[8] 尚祖峰,刘海禄,何钰龙,等.墙后填土对悬臂式挡土墙应力位移影响[J].浙江水利水电学院学报,2014，26(3):66-69.

Influence Analysis of Deep Foundation Pit on Adjacent Subway Station and Shield Tunnel

YUAN Zhao

(Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200438, China)

In order to study the influence of deep pit on adjacent subway structures, the practical engineering example on soft soil area is presented, with a detailed record on the deformation process of subway station and shield tunnel caused by excavation, it is concluded that the station deformation mainly performs as an uplifted effect and an inclination opposite to the foundation pit. The tunnel deformation at the bottom of the foundation pit is sinking, and the joint area of the tunnel and station bears obvious differential settlements. In addition, along with the foundation pit excavation procedure, the horizontal tunnel convergence increases obviously, which can be characterized as a transverse duck egg effect, and therefore can be simplified as a plane strain problem. In our future study, the most challenged problem is the tunnel convergence deformation and deep soil deformation of the outside pit.

deep foundation pit; subway station; shield tunnel

2016-11-28

袁 钊(1983-)，男，河南许昌人，硕士，工程师，主要从事结构变形监测与安全分析评估方面工作.

TV551.4

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1008-536X(2017)04-0053-08