双侧基坑施工对地铁隧道变形影响分析

沈 玺

(上海轨道交通维护保障有限公司，上海 200233)

0 引 言

随着城市地下空间的不断开发，越来越多的基坑工程施工发生在地铁隧道的保护区范围之内，这必将对地铁隧道的竖向变形和收敛产生不利影响.上海地区土层条件较差，承压水位较高[1-2]，基坑开挖卸载和降承压水会更容易引起临近地铁隧道发生变形并影响运营隧道的结构安全.

近年来众多学者对基坑开挖影响下隧道的变形进行了研究.刘国彬，等[3]以上海广场基坑工程为背景,结合软土基坑隆起变形的残余应力法和软土的卸荷模量,探索了利用坑内加固和基坑工程的时空效应施工法等措施来控制基坑下的已建成隧道的上抬变形.李家平[4]以上海雅居乐广场浅基坑工程为背景,采用数值方法分析了地基加固、抗拔桩以及考虑时空效应的分块、限时开挖等技术措施以减小下部隧道变形的效果.张治国，等[5]提出了基坑开挖对临近地铁隧道纵向变形影响的一维有限元方程计算方法.周泽林，等[6]推导了隧道与周围土体相互作用的有限元耦合平衡方程，引入弹性半空间层状模型，建立了层状地基中基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法.

本研究基于硬化土本构模型理论，建立了基坑和隧道的有限元模型，采用流固耦合分析方法对前阶段基坑开挖进行模拟，并与实测结果进行对比验证，同时采用本模型对后续基坑施工进行了预测分析，为基坑后续施工和地铁安全保护提供建议.

1 工程概况

上海前滩大型商业区25-1号地块位于上海三条线路交汇处，该项目基坑分为南、北两个区域，分别位于地铁6号线和11号线的南北两侧，基坑开挖面积约29 300 m2.其中，南区开挖面积约29 000 m2，根据地铁保护相关要求，共分为8个小坑分别开挖，该侧基坑普遍挖深约14.5 m，基坑外侧采用1 m厚地墙进行围护，墙深45 m，基坑内侧隔墙采用0.8 m厚地墙，墙深30 m；北区开挖面积约10 300 m2，基坑普遍挖深在11.2 m，共分7个小坑进行开挖，同样采用0.8 m厚地连墙围护，地墙深度为24 m，地墙外又采用厚0.8 m、深38 m的TRD进行止水.

该项目基坑开挖面积大，且两侧基坑距离地铁11号线隧道最近皆在10 m左右，其施工极有可能对地铁隧道产生不利影响，因此该基坑等级为特级.根据地铁监护测量发现，在项目南区1b基坑和北区1基坑开挖期间，邻近地铁的最大竖向变形量约为1 cm，隧道的最大收敛变形达到将近2.5 cm，皆发生在图1中的断面Ⅰ处，该处地铁6号线为矩形隧道，地铁11号线为单圆隧道，隧道顶埋深约为13.5 m，(见图2).

根据勘察成果和相关资料，本场地位于上海典型古河道分布区，分布有较厚的⑤2-1砂质粉土层和⑤2-2层粉砂层，这两层为承压含水层，渗透性相对较好，项目施工期间微承压水位约为地面下6 m.本场地第⑧层相对隔水层缺失严重，因此第⑦层和第⑨层承压含水层连通较为普遍，承压水位也在地下约6 m左右.本场地的典型工程地质剖面(见图3).

图1 基坑项目与地铁相对位置关系(A线—6号线，B线—11号线，C线—8号线)

图2 断面Ⅰ处隧道与基坑剖面相对位置关系

图3 场地典型工程地质剖面

2 模型建立与分析验证

2.1 硬化土本构模型

硬化类弹塑性本构模型采用帽子屈服面，以塑性体应变为硬化参数，能较好地描述黏性土在破坏之前的非线性和依赖于应力水平或应力路径的变形行为，HS模型是典型的硬化类弹塑性模型[7-10].HS模型假设三轴排水试验的剪应力q与轴向应变ε1成双曲线关系，其应力应变关系(见图4).

图4 HS模型关于三轴试验的应力应变关系

(1)

式中：σ3—三轴试验中的围压；

m—刚度水平依赖幂指数，根据上海地区经验，粘性土中m取0.8，砂性土中m取0.5.

因此，HS模型不仅可以反映土体的非线性应力应变关系，还能反映岩土工程复杂的应力路径，适合于多种土类(软土和较硬土层)的破坏和变形行为的描述.

2.2 模型建立

采用岩土工程专用软件Midas GTS NX对隧道变形最大的断面Ⅰ进行建模.考虑本研究的主要对象为地铁隧道，而南区1b基坑较大，因此，对南区1b基坑采取对称建模的方式，北区基坑采用全断面建模，并向外延伸2倍开挖深度以外，模型水平向尺寸为240 m，竖向选取100 m深度进行建模研究.

模型边界分为位移边界和水头边界两种.其中，位移边界需要约束模型底部两个方向位移和模型侧向的水平方向位移，水头边界需要根据第⑤2层微承压含水层和第⑦、第⑨承压含水层的观测平均水位定义其水头边界，即为地面以下6 m.模型及网格划分(见图5).根据勘察成果及试验数据，再结合上海地区HS本构参数取值经验，确定土体的HS本构模型参数(见表1)[11-12].

表1 土体HS本构计算参数

图5 模型及网格划分

2.3 模型验证

通过现场施工情况，可将本基坑之前施工工况分为三个阶段，各阶段的主要工况信息(见表2).其中第1阶段场地还未进行开挖，但受南侧其他施工地块降水的影响，本场地内水位模拟场地承压水位随之受到影响，南边界承压水位变化(见图6)，在模拟中可控制该阶段的南侧边界水位变化来实现.

表2 各阶段工况信息汇总表

图6 第一阶段模拟场地南边界承压水位变化情况

项目先进行南1b区基坑施工，基坑分三层土开挖，在开挖第二层土时就开始降第⑤2层微承压水，基坑施工过程中该层最大水位降深约7 m.待南1b区基坑底板形成之后，北1区基坑开始施工，基坑分二层土开挖，开挖第二层时进行⑤2层微承压水降水，基坑开挖到底时该位置承压水降深约3 m.三个阶段结束后场地的竖向变形云图(见图7).

为了验证基坑开挖对隧道变形影响模拟分析的合理性，将模拟所得的隧道沉降和收敛历时曲线与实测对比，图8和图9分别为各阶段11号线上行线沉降和收敛模拟值与实测值的对比.从图中可以看出，模拟结果与实测结果吻合较好；由于基坑位于隧道侧上方进行开挖，因此隧道沉降整体呈上抬趋势；在阶段2中，在南1b基坑开挖前期未降承压水，11号线上行线上抬较为明显，后期将承压水时竖向变形稍有回落；阶段3后期隧道上抬明显是由项目暂时结束承压水降水从而引起承压水位上抬造成的；隧道的收敛受承压水水位的变化不明显，其随着基坑的开挖一直呈增大的趋势，11号线上行线目前实测收敛已将近3 cm.

图7 开挖完成时场地的竖向变形云图

图8 11号线上行线隧道沉降模拟值与实测值的对比

图9 11号线上行线隧道收敛模拟值与实测值的对比

3 基坑下阶段施工引起的隧道变形预测

现阶段该项目仅远离地铁的南1b和北1大区基坑施工完成，而近地铁侧的北4区和南3b区还未进行施工.根据后续施工安排，本项目先进行北4区开挖，再进行南3b区开挖.为了预测分析11号线盾构隧道在后续基坑施工过程中的变形情况，在此采用上一节经过实测验证的模型对隧道的后续沉降和收敛变形进行了预测.

图11和图12分别为北4区和南3b区基坑开挖期间地铁11线隧道竖向变形和收敛变化曲线.从图中可以看出，两个近地铁基坑开挖引起的11号线隧道最终竖向抬升约5 mm，11号线收敛变形增大约8 mm；北4区在开挖第二层土时开始降承压水，南3b区在开挖第三层土时开始降承压水，因此隧道的竖向变形和收敛曲线受承压水降水影响稍有波动.

根据上海市轨道交通安全保护区暂行管理规定[13]，在保护区范围内的工程活动引起隧道变形不能超过20 mm，而本基坑在前期远区施工期间，已造成11号线收敛变形达到约28 mm，预测在后续近地铁基坑施工期间，有将增加8 mm收敛变形，大大超出了地铁保护的要求，需要在下阶段施工之前，对隧道采收敛变形进行纠正并采取一定的保护措施，比如在隧道内通过注浆孔对隧道进行注浆加固等，并控制好后续施工的施工质量，必要时在基坑降承压水阶段，对临近地铁侧坑外采取回灌措施.

图10 开挖结束时场地的竖向变形云图

图11 后续施工中11号线竖向变形预测

图12 后续施工中11号线收敛变形预测

4 结 论

本研究基于上海前滩大型商业区25-1号地块的邻近地铁基坑工程，采用流固耦合分析模型对工程降水及基坑开挖影响下地铁隧道的沉降和收敛进行了分析，并对后续施工进行了预测分析，得到了以下主要结论：

(1)结合实测数据对比分析，验证了本模型在模拟基坑施工造成的邻近隧道变形分析中的适用性，从而为项目后期分析及类似工程项目分析预测提供了参考.

(2)基坑位于隧道侧上方开挖时，由于卸载引起的坑底回弹会造成隧道竖向抬升，而降深层承压水会导致隧道发生沉降，因此该隧道竖向变形随施工工况波动较明显.

(3)根据当前南1b区和北1区基坑开挖施工下B线隧道收敛将约28 mm，需及时采取隧道内注浆或隧道外侧注浆等方式对隧道进行修复加固.

(4)预测后续北4区和南3b隧道基坑施工期间，如果不采用保护措施，隧道收敛将持续增大约8 mm，累计收敛将达到近38 mm，会对隧道运营安全带来一定的隐患.因此建议应先对隧道进行注浆修复，再进行基坑施工，同时应严格控制施工质量，特别是坑底回弹量和围护结构侧向变形.