大型深基坑开挖对旁边地铁盾构隧道影响的实测分析

魏纲，厉京，宣海力，董力政，徐咏咏，张世民

(1. 浙江大学城市学院 土木工程系，浙江 杭州 310015；2. 华润置地(杭州)发展有限公司，浙江 杭州 310020)

为缓解我国城市的道路交通压力，地铁逐渐成为各大城市的交通命脉。随着城市发展的需求，既有地铁隧道旁边的基坑开挖工程也日益增多。在地铁旁边进行基坑开挖势必会对地铁隧道产生不利影响，甚至造成严重危害。同时，地铁隧道对变形的要求也极为严格，上海暂行规定[1]对紧邻地铁的深基坑施工要求：地铁结构最终绝对沉降量和最大水平位移量不能超过20 mm；隧道回弹变形不超过15 mm。因此，研究地铁旁基坑开挖对隧道的影响具有重要意义。目前关于基坑开挖对旁边地铁隧道影响的主要研究方法有：有限单元法[2−3]、实测分析法[4−9]、理论计算法[10−11]、模型试验[12−13]等。况龙川[4]最早开始研究深基坑施工引起旁边地铁隧道的变形；刘庭金[5]详细研究了隧道的绝对位移、相对位移、横断面收敛；邵华等[7]结合施工工况对基坑开挖引起的地铁结构变形及病害情况进行了分析；李进军等[8]根据地铁技术规范设计基坑支护方案，并分析了地铁的变形。近年，基坑开挖对临近隧道变形的研究有了新方向，王立峰等[9]考虑基坑分块开挖的先后顺序对某邻近隧道的水平位移和沉降的时空分布做了深入分析；周顺华等[11]针对基坑开挖引起临近运营地铁盾构隧道不均匀变形的计算问题，提出了能量计算法；郑刚等[14]详细研究了基坑开挖引起的邻近隧道影响变形区。但少见大型基坑采用“坑中坑”和两道隔离墙的工程案例，同时缺乏隧道水平位移的经验预测公式。因此有必要作进一步研究。本文以杭州地铁2号线旁边某大型深基坑开挖工程为例，该工程采用“坑中坑”和“地下连续墙外再增设一排同深度的隔离桩并用连梁连接”的特殊加固措施，对基坑开挖引起的靠近基坑侧的隧道水平位移、竖向位移和水平收敛进行了实测分析，并研究了加固措施的效果和基坑的开挖方式。

1　现场测试

1.1　工程概况

本基坑位于杭州市萧山区市心中路与金城路交叉口，东至永久路，南至金城路，西至市心路，北至大浦河。市心路下为已投入运营的杭州地铁 2号线，基坑西南侧与人民广场站接驳，西北侧临近地铁隧道。基坑平面尺寸呈长方形，总面积约40 000 m2。由于基坑开挖面积过大，采用“坑中坑”的开挖方式，即基坑分A区和B区，临近地铁侧的A区基坑先施工，远离地铁侧的B区后施工。其中A区基坑面积约5 000 m2，开挖深度15.8 m，靠近隧道侧开挖宽度65.9 m。基坑围护结构边线距离隧道最近约 9.5 m，地下室边线距离隧道外边线最近约13 m。地铁盾构隧道外直径5.5 m，盾构埋深14.3 m，上行线隧道靠近基坑侧，为本文主要研究对象。隧道和基坑位置关系见图1和图2。

本工程地处钱塘江冲海积平原，存在软土和饱和可液化土层，场地岩土种类较多，均匀性差，性质变化大。具体土层的物理力学性质见表 1。基坑开挖土层③-1，③-2和③-3层为砂质粉土和粉砂夹粉土层，为渗透性较好浅部潜水主要含水层；其下卧层④-1层淤泥质粉质黏土渗透性差，为相对隔水层；基坑围护结构止水帷幕深度进入④-1层。

图1　基坑、隧道和车站的相对位置平面图Fig. 1　Relative location of foundation pit, tunnel and station

1.2　基坑支护结构设计方案及加固措施

本基坑靠近地铁隧道侧支护结构采用0.8 m厚地下连续墙结合三道钢筋混凝土内支撑体系，连续墙内侧采用Φ850 mm三轴水泥搅拌桩作为槽壁加固，地下连续墙深入地面以下37.2 m。坑内采用自流深井降水，靠近地铁一侧坑外不降水，其余范围坑外设置自流深井控制性降水。

图2　基坑与隧道相对位置剖面图Fig. 2　Relative sectional location of foundation pit and tunnel

表1　土体物理力学性质Table 1　Physical and mechanical parameters of soils

本工程除了采用“坑中坑”的控制措施外，还在地连墙外侧再增设了一道Φ800 mm@1 200 mm灌注桩作为隔离桩，隔离桩与地下连续墙通过连梁连接为整体。隔离桩与地下连续墙之间采用 Φ850 mm三轴水泥搅拌桩加固土体，水泥掺量20%，三轴搅拌桩兼做止水帷幕，加固深度19.5 m。支护结构剖、平面详见图2和图3，连梁结构见图4。该措施的机理是增加围护体的厚度和刚度，以减小基坑开挖引起的围护结构外侧土体移动，从而减小隧道位移。

收集的6个紧邻已建地铁盾构隧道的基坑开挖工程实测案例[4−9]，发现工程全部采用地下连续墙与多道内支撑(钢支撑、混凝土支撑)体系加固，与本基坑相似。而本基坑的特色在于地下连续墙外再增设一排同深度的隔离桩，并用连梁连接。在地铁隧道施工中隔离桩能有效控制邻近建筑物的变

形[15]，故本工程相当于设置了两道防护结构，这在现有基坑支护方式中较少见。文献[9]也采用了这种特殊的“增设隔离桩”的加固形式，但没有采用“坑中坑”的开挖方式。

图3　防护结构平面详图Fig. 3　Protective structure in details

图4　连梁详图Fig. 4　Binding beam in details

1.3　基坑工程施工进展

由于篇幅有限，本文仅针对先行开挖的A区基坑进行研究，分别研究靠近地铁侧的基坑监测情况及靠近基坑的上行线隧道监测情况。A区基坑具体施工进展为：1) 2014−08−25支护结构水泥搅拌桩开始施工，为了分析方便此日记为第 1 d，详见下文；2) 77 d地下连续墙开始施工，92 d靠近地铁侧地连墙施工完成，100 d地连墙全部施工完成；3) 147 d第1层土体开挖，167 d第1道钢筋混凝土支撑浇筑；4) 192 d第2层土体开挖，217 d第2道钢筋混凝土支撑浇筑；5) 243 d第3层土体开挖，252 d第3道钢筋混凝土支撑浇筑；6) 279 d由于水平能够位移和收敛过大，第4层土体分6区开挖；7) 285 d第1块底板浇筑；8) 345 d第3道支撑开始拆除；9) 376 d地下3层浇筑，390 d第2道支撑开始拆除；10) 425 d地下2层浇筑，439 d第1道支撑拆除；11) 453 d地下1层浇筑。

图5　A区第4层土层分块开挖图Fig. 5　Step excavation of fourth soil layers in A area

A区基坑开挖时，前3层土层采取整体开挖的方式，但当土方开挖至第3道支撑底部位置时，隧道上行线水平位移最大值达到6.3 mm，超过报警值5 mm，水平收敛最大值达到4.8 mm，超过报警值4 mm。为保证地铁隧道安全运营，开挖施工方案调整为分区开挖，且按照“时空效应”理论，要求严格做到“分层、分块、对称、平衡、限时”开挖支撑，减少基坑的暴露时间[7]。A区具体划分为6个区块(1区～6区)，进行第4层土层开挖和底板施工，并在6区留好土坡道，在留土坡道两侧增打拉森钢板桩，加快施工周期，保护基坑安全性。周边留土采用分块的方式挖除，并及时分块浇筑基础底板，可以有效控制开挖阶段基坑围护结构变形、基坑隆起及对周边环境的影响[3]。

首先进行1区和2区土方的同步开挖，1区和2区基础底板混凝土浇筑完成后，分别进行3区和4区的土方开挖，采用了“分块、对称、平衡”的开挖理念；3区、4区底板混凝土浇筑完成后进行5区开挖和底板混凝土浇筑；最后6区开挖和浇筑。区域划分详见图5。

1.4　隧道监测布置

上行线隧道监测点布置见图6，监测项目包括：隧道水平位移、水平收敛和竖向位移。监测点布置在隧道与地下室相邻的部位及向北延伸 40环范围内，每5环布置1个监测断面(最后1个间隔3环)，共21个，对应环号分别为965，970…1 060，1 063环，其中A基坑开挖范围对应的环号为1 005～1 063环，本部分监测图只绘制了部分环号。隧道各监测项目累计预警值为4 mm，累计报警值为5 mm，报警变化速率(连续2 d)为1 mm/d。

图6　上行线监测点平面布置图Fig. 6　Layout of monitoring site of uplink tunnel

2　现场监测结果分析

2.1　隧道的水平向位移分析

2.1.1实测分析

A基坑对应的开挖区间为1 005环至1 061环。选取6个有代表性的隧道监测点，分析上行线隧道的水平位移变化，曲线见图 7，图中正值表示隧道靠近基坑，负值表示隧道远离基坑，以下同。

如图所示：1)随着时间增长，上行线隧道的水平位移一开始比较小，出现正值和负值。随着基坑开挖，水平位移均朝向基坑侧移动且逐渐变大；2)越靠近基坑开挖区间(中心)，隧道的水平位移值越大，远离基坑开挖侧的965和985环的水平位移量较小，均控制在4 mm以下，但区间1 000环的最大水平位移值达到6.4 mm已超过报警值，且曲线发生波动，最大增加速率为 0.15 mm/d；3) 279 d(基坑改用“分区开挖”)后，位移变形速率有所降低，变形速率最大为0.08 mm/d，表明分块开挖有效地减缓了隧道向基坑移动的速率；4)由于继续对土体扰动，后续施工导致水平位移仍在增加，开挖区间内的1 025环和1 040环的最大值水平位移值达到11.7 mm和11.0 mm。

图7　隧道水平位移值随时间变化曲线Fig. 7　Time-varying curves of horizontal displacement of tunnel

图8为各测点水平位移值在不同施工阶段的变化曲线。如图所示：1)在水泥搅拌桩开始施工时，隧道几乎没有水平位移；2)随着地连墙及支护结构施工，965环～1 005环位移值为正。而在开挖区间内水平位移呈现负值，1 050环最大值为−1.9 mm，这是由于地连墙深入土体以下施工，推动土体向外侧移动，土体对隧道产生附加压力，使隧道远离基坑；3)随着土体不断开挖，开挖区间内水平位移值由负变正且持续增长，这是由于基坑开挖卸载，导致隧道靠近基坑一侧的水平向压力减小，隧道受到的水平向压力不平衡，朝向基坑一侧的附加力作用使隧道向基坑方向移动。由于水平位移量过大，第4层土体采取分块开挖措施，控制水平位移量；4)随着底板和地下室的浇筑，水平位移值继续增加。底板浇筑时1 020环的位移值为7.7 mm，当地下二层浇筑完成后位移趋于稳定，最终1 020环最大位移值达到11.9 mm，表明底板浇筑后还是不能放松警惕。地下室的浇筑能提高整个基坑支护的刚度，从而控制隧道的水平位移；5)最终水平位移分布曲线呈正态分布，在开挖区间的隧道水平位移值最大，开挖区间外侧水平位移明显减小。由于非对称开挖，曲线峰值略偏向北侧。

图8　不同施工阶段隧道水平位移变化曲线Fig. 8　Change curves of horizontal displacement of tunnel in different construction stages

2.1.2隧道水平位移经验公式

本工程隧道与基坑净间距仅S=9.5 m，利用文献[16]提出的隧道最大水平位移Umax的经验计算公式：Umax=69.211*S−1.2809，计算得到最大水平位移值为3.87 mm，而实测数据为11.9 mm，已远远超过预测值，表明该公式存在不足。原因是因为该公式仅考虑了S值，没有考虑开挖宽度B值。显然在相同S值时，不同B引起的隧道水平位移会不同。B越大，土体应力释放越厉害，隧道水平位移也越大。收集了文献[3]，[4]，[7]，[9]，[17]和[18]的实测数据，结合本案例数据，对文献[16]提出的经验计算公式进行了修正。如图9所示，通过对7组实测数据的拟合发现：隧道的最大水平位移值Umax(单位：mm)与B/S值近似呈指数函数关系：

由图8曲线可知，隧道在开挖范围内的水平位移曲线接近正态分布。基于正态分布曲线公式，提出离基坑开挖中心x距离处的隧道水平位移值U(x)的计算公式为：

式中：Umax为隧道最大水平位移值；x为计算点离基坑开挖中心的水平距离；b为隧道最大水平位移处距离基坑开挖中心的偏移量；i为隧道水平位移宽度系数，指正态分布曲线拐点离峰值处距离。

图9　隧道最大水平位移值与B/S关系Fig. 9　Relation between max horizontal displacement of tunnel and B/S

图10　隧道水平向位移的预测曲线Fig. 10　Prediction curves of horizontal displacement of tunnel

将式(1)带入式(2)，得到：

本工程中B=65.9 m，S=9.5 m。文献[19]的研究表明隧道水平位移呈正态分布，影响范围约为3B。正态分布曲线范围是6i，即i=0.5B，所以i=33 m，另外b取6 m。利用式(3)计算隧道水平位移预测曲线，与实测值进行对比，见图10。如图所示，开挖区间[−33 m，33 m]内预测值与实测值比较吻合，两端的数据有点差距。

2.2　隧道的水平径向收敛分析

图11为上行线隧道水平收敛变化曲线，图12为不同施工阶段隧道水平收敛值变化曲线，图中正值表示隧道水平向直径增大(即拉伸)，负值表示隧道水平向直径减小(即收缩)。图11，图12与图7、图8相比，隧道水平径向收敛曲线与隧道水平位移曲线的大小及变化趋势比较接近，相对而言，水平收敛的影响范围更集中。

图11　隧道水平收敛值随时间变化曲线Fig. 11　Change curves of horizontal convergence of tunnel with time

如图11所示：1)随着时间增长，隧道水平收敛值一开始变化较小，等土层开挖后逐渐变正值且增大，最终隧道水平直径增大、呈“水平向拉伸”状态，即加剧了横椭圆形状，结果与文献[16]吻合；2)越靠近基坑开挖区间，隧道水平径向拉伸越明显。远离基坑开挖区间的 965和 985环直径变化幅度小，最大收敛值分别为2.7 mm和2.6 mm；而1 000和1 063环最大收敛值分别为3.5 mm和4.1 mm，开挖区间内的1 025和1 040环最大收敛值则分别达到9.2 mm和10.5 mm，远超过报警值；3) 6个测点中，1 063环上下波动最明显，变形不稳定，最大变形速率为0.07 mm/d；1 000和1 040环曲线较陡，最大增加速率达到0.14 mm/d；4)在279 d(基坑改用“分区开挖”方式)后，收敛曲线基本保持稳定速率增加，变形速率未明显减小，可见隧道管片径向收敛受开挖方式影响不太显著。

图12　不同施工阶段隧道水平收敛变化曲线Fig. 12　Change curves of horizontal convergence of tunnel in different construction stages

如图12所示：1)支护结构施工阶段，隧道水平径向收敛规律不明显，在零值上下波动；2)土层开挖后，开挖区间水平收敛正向增长，且速率也增大，水平向直径增大。在第3道支撑施工完成后1 040环最大水平收敛值达到4.4 mm；3)随着底板、地下3层、2层、1层浇筑，水平收敛值继续增加，但增量减小，全部浇筑完成后1 040环最大值达到10.5 mm；4)开挖区间隧道水平收敛值最大，开挖区间外侧水平收敛明显较小。隧道水平收敛曲线呈正态分布，峰值接近正中央，比较对称。

2.3　隧道的竖向位移分析

图 13为上行线隧道竖向位移变化曲线，图中正值表示上浮，负值表示沉降。如图 13所示：1)围护结构施工期间，隧道产生上浮，最大值为2.7 mm。这是由于围护结构施工需深入地面以下，对土体扰动、导致土体产生向外侧挤压，使隧道上浮；2) 147 d(土层开挖)后，隧道开始持续沉降并伴随小幅度波动，各监测点趋势相似。279 d(基坑改用“分区开挖”方式)后，沉降曲线逐渐平缓，速率减小，表明“分区开挖”能有效第减缓隧道的竖向位移变化；3) 1 040和1 063环出现最大沉降值分别达到5.2 mm和6.3 mm，1 063环沉降最大增加速率为0.07 mm/d，其余监测点均控制在5 mm以下，普遍变化速率较小；4) 376 d后，基坑开始依次进行地下3层、2层的拆撑浇筑，曲线发生回弹，表明隧道上浮，最终沉降有所减小。由于本工程位于软土地区，土体含水量高，渗水效果差，所以隧道沉降受到水位影响比较严重，沉降值较大，有待深入研究。图 14为不同施工阶段隧道竖向位移值变化曲线。如图所示，隧道竖向位移的变化规律与水平位移和水平收敛规律明显不同，与开挖区间关联不大，曲线变化复杂、凌乱，没有明显的规律性。

图13　隧道竖向位移值随时间变化曲线Fig. 13　Change curves of vertical displacement of tunnel with time

图14　不同施工阶段隧道竖向位移变化曲线Fig. 14　Change curves of vertical displacement of tunnel in different construction stages

2.4　上行线隧道安全性判断

截至2016−07，基坑A区靠地铁隧道侧的建筑结构已施工至第6层，隧道最大水平位移15.06 mm，最大竖向位移6.35 mm，最大径向收敛10.28 mm。表明隧道水平位移仍在增加，但地上建筑施工影响较小，变形速率减小；隧道竖向位移和水平收敛则变化不明显。隧道水平和竖向位移均<20 mm，水平收敛<15 mm，符合规范[1]要求，隧道处于安全状态。

统计表明：邻近地铁隧道的深基坑工程开挖方式多采用“分块开挖、分层浇筑”的方式，且多篇文献对开挖方式提出要求：文献[3]要求分区分段挖除土方，每段开挖至基底标高后及时浇筑素混凝土垫层，待该区浇筑基础底板后，方可进入下一块土方和基础底板的施工；文献[8]对比“整体顺作”和“分区顺作”的基坑开挖方案，提出“分区顺作”可缩短基坑开挖暴露范围、降低基坑整体开挖中大范围卸土对地铁的影响；文献[9]的工程实例与本工程非常类似，同处于软土地区的深基坑开挖，采用的是“中心岛式分区分层开挖”的方式；文献[17]提出分块对称开挖的施工措施可较好减少深大基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响。这些资料表明“分块开挖、分层浇筑”能有效控制土体的水平向位移和收敛，减小基坑开挖对旁边隧道的影响。

本工程的隧道水平位移值和水平收敛值相较于其它类似工程[3,7,17−18]还是偏大。笔者分析认为，主要原因在于工程最初的土层开挖方式存在不足，多数大型基坑均先采用盆式开挖方式开挖远离地铁侧土方，形成中部的临时支撑，再对紧邻地铁侧土体进行开挖，以减少隧道变形[3,8]。而本基坑则是先开挖紧邻隧道的A区，因此造成隧道有较大位移。建议在类似工程中，应先开挖 B区、再开挖A区。

由式(1)可知，B越大会导致U越大。本基坑A区总面积达5 000 m2，且靠近隧道侧开挖宽度比较大(B=65.9 m)，但前3层土层开挖时均采用“大开挖”的方式，造成隧道产生严重的位移和变形。第4层开挖时才改用“分块开挖、分块浇筑”的开挖方式，结果就导致隧道总体水平位移偏大，地下连续墙和隔离桩的双重加固作用效果也不明显。故建议类似大型深基坑工程必须选择优化施工方案，采用“分块开挖、随挖随撑、分块浇筑”的开挖方式，减小靠近隧道侧的基坑开挖暴露宽度B。

3　结论

1) 本基坑位于杭州软土地区，采取“坑中坑”和“地下连续墙外再增设一排同深度的隔离桩并用连梁连接”的控制措施。由于前3层土体采取整块开挖，实测效果一般，并直接导致隧道水平和竖向位移变化明显。调整开挖方式后，隧道整体位移变化速率减小，但水平收敛变化不明显。建议大型基坑必须采取“分区开挖”，减小靠近隧道侧的基坑开挖暴露宽度；同时先开挖远离隧道侧基坑、再开挖紧邻隧道侧基坑，以减小对隧道的影响。

2) 实测结果表明：地连墙施工时，土体向外挤出，使隧道水平位移值为负；基坑土体开挖卸荷导致坑外深层土体向基坑内侧移动，隧道不断靠近基坑，水平位移值逐渐增大、呈正态分布，开挖区间内的水平位移值最大，超过监测报警值，影响范围约为3倍开挖宽度。

3) 隧道的水平收敛变化规律总体与水平位移规律相似，也应合理控制，土层开挖后隧道水平收敛变形明显，直径拉伸，隧道形状呈“横椭圆”；隧道竖向位移随时间总体呈现先隆起、后沉降，最后又有所回弹，但与开挖区间关联不大，在空间上规律性差。

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