软土地基长条形基坑施工对既有邻近隧道的变形影响

黄 迅1，史 吏，金 磊，王 哲

(1.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200000；2.浙江工业大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310023)

随着我国城镇化的发展，各大城市正在大规模地推进地铁建设，以缓解地面交通压力[1-2]。城市空间有限，后续工程建设会不可避免地近接既有盾构地铁隧道，例如我国上海、南京等地均有对临近既有隧道进行基坑开挖的工程报道[3-6]。临近基坑围护结构施工和后续土方开挖，会改变地铁盾构隧道的既有应力场，进而盾构隧道产生上浮、轨面不平顺等整体变形以及管片接缝变形、渗水等局部变形问题，严重影响地铁的安全运营。因而，有必要针对临近基坑施工对既有盾构地铁隧道的变形影响进行理论和实测研究，从而确定基坑施工对盾构隧道的影响水平。Lo等[7]采用二维有限元模型分析了基坑开挖对临近隧道的附加内力水平，与实测结果对比分析表明：数值模拟可用于预测类似工程中的隧道应力应变。孙立柱[8]通过有限元软件模拟了砂土地基中深基坑开挖对临近地铁车站的变形和受力影响。刘尊景等[9]确定了软土地基中基坑施工对邻近地铁的影响水平，并针对性地给出了地铁保护措施。张治国等[10]运用Plaxis软件模拟了临近开挖对地铁隧道的影响水平，并针对性地提出了既有隧道纵向变形的两阶段分析方法[11]，但该方法未考虑基坑侧壁的卸荷作用和基坑围护结构[12]，与工程实际差别较大。蒋利明等[13]利用有限元软件模拟分析了上海软土基坑开挖对临近隧道的变形影响，结果表明：隧道以水平横向变形为主，基坑基地搅拌桩地基处理后能够显著减少周边环境变形水平。孔令荣等[14]总结了砂土地基中基坑开挖引起邻近隧道水平位移、沉降及隧道收敛变形水平的主要影响因素，发现基坑与隧道的相对水平距离与竖向间距为主控因素。Shi等[15]在大量数值模拟的基础上，提出了用于计算隧道周边开挖卸荷引起隧道变形的简便公式。结合离心机进行试验，Vorster等[16-17]分析了隧道在开挖过程中对原有隧道的作用。郑刚等[18]对临近基坑围护结构施工以及基坑开挖引起的隧道变形进行了现场实测分析，结果表明：基坑分块开挖可有效控制既有隧道沉降和差异沉降。此外,周宁等[19]和王航[20]也针对基坑施工对盾构隧道的影响进行了相关数值模拟的研究。

现有研究多是针对砂土地基，对软土地基的相关研究相对较少，同时现有研究多是针对市政基坑以及整体开挖，关于具有显著空间效应的车站狭长基坑及其分区开挖对周边环境变形影响的研究报道相对较少。笔者针对杭州城北软土地基某狭长地铁车站基坑分区开挖施工，采用数值模拟以及现场实测分析了基坑开挖对临近既有地铁盾构隧道的变形影响，分析了软土地基狭长基坑开挖对临近隧道的变形影响规律，获得了基坑围护结构以及区间隧道的变形水平，可为软土地区类似近接工程提供研究经验和数据支持。

1 工程概况

1.1 狭长基坑与既有盾构隧道的相对位置关系

杭州城北地铁周围某基坑平面尺寸为158 m×48.9 m，开挖深度为5.85～7.5 m。基坑长宽比大于3，可定义为狭长基坑。该基坑南侧为既有地铁盾构隧道，该区间为双线隧道，靠近基坑一侧为上行线，基坑和区间隧道的平面相对位置关系如图1所示。

图1 拟开挖狭长基坑与既有盾构区间隧道的平面相对位置关系Fig.1 Diagram of relative planar position between foundation pit and existing shield tunnel

基坑围护结构外边线与既有区间隧道的最近距离约为17 m，拟开挖基坑与既有区间隧道的典型断面见图2，隧道外径为6.2 m，内径为5.5 m，上、下行隧道与基坑围护桩的水平净距分别约为20 m和39 m。场地标高为-1 m，坑底标高为-6.55 m，隧道底标高约为-20 m，即隧道底与基坑坑底的竖向净距约为13.5 m。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，该区间隧道轨道交通结构安全保护等级为A级，要求隧道沉降和收敛变形不得超过10 mm。

图2 拟开挖狭长基坑与既有区间隧道剖面相对位置关系图Fig.2 Section profile on locations of foundation pit and tunnel in protected area

1.2 基坑分区开挖和围护结构设计

为降低基坑开挖对既有隧道的变形影响，设计采用分坑开挖，如图1所示，东侧A1基坑平面尺寸为68 m×48.9 m，基坑挖深5.85～7.5 m；西侧为A2基坑平面尺寸为90 m×47 m，基坑挖深5.85～6.8 m。分坑中隔墙设计采用直径0.9 m、间距1.1 m的钻孔灌注桩结合直径0.85 m、间距0.6 m的三轴水泥搅拌桩帷幕的形式。分坑开挖顺序为先施工东侧A1基坑，后施工西侧A2基坑。本基坑设计采用灌注桩、钢筋砼支撑结合坑内外搅拌桩挡土的围护方案，其中灌注桩桩径0.9 m、桩长23.4 m、桩间距1.1 m，搅拌桩桩径0.85 m、桩长23.4 m和桩间距0.6 m。坑内搅拌桩加固范围为灌注桩外边线外扩3.7 m，其中坑内还设置裙边抽条加固。

2 有限元模型及土体参数

2.1 有限元计算模型

根据上述基坑和盾构隧道几何模型，基于Plaxis3D平台，采用10 节点的二阶四面体单元进行网格划分，建立如图3所示的有限元分析模型，模型X方向尺寸(平行于区间隧道走向)为400 m，Y方向尺寸为350 m，深度(Z方向)为60 m。考虑到模型侧向边界与隧道外边界的间距为3～5倍洞径，模型底边界与隧道底部间距为1倍洞径。同时，基坑边界至最近模型侧边的距离为1.5～2倍基坑开挖深度。因而，可认为400 m×350 m×60 m的有限元模型已足够大，地基模型截断边界对隧道和基坑的静力变形影响可以忽略不计。

图3 网格图Fig.3 Mesh grid

模型共计采用了91 741 个实体单元模拟土体，7 275 个壳单元以及330 个梁单元模拟基坑以及隧道结构，土体实体单元和梁、壳结构单元之间采用界面接触单元，可以考虑土体和结构之间的受压接触和受拉脱开，同时可以考虑结构透水性(即接触面结构侧的孔压为0)。界面接触单元参数为土体参数乘以Rinter强度折减系数，一般情况下由于土-结构相互作用界面比相邻土层的强度低，因此选取Rinter强度折减系数为0.7。

随着基坑的开挖，周边土体以及盾构隧道也将产生变形。利用PLAXIS的冻结单元功能模拟基坑开挖，共选取A1基坑开挖、拆撑以及A2基坑开挖和拆撑，共4 个关键工况进行分析，见表1。

表1 模拟工况表Table 1 Simulated working condition

2.2 土体本构模型及参数

基坑和区间隧道影响深度范围内的主要土层为粉质黏土和淤泥质粉质黏土层，自上而下的土层分布以及基本物理力学参数取自勘察报告，详见表2。既有区间隧道位于淤泥质粉质黏土层中，该层土体具有层厚大、含水率高、强度低和灵敏度高等特点，为典型软弱土，是本工程的重点关注土层。

表2 土体物理参数Table 1 Physical parameters of soils

土体采用带M-C屈服面的HSS本构模型进行模拟，该模型为等向硬化弹塑性模型，可同时考虑剪切硬化和压缩硬化，且可分别定义加荷和卸荷模量，十分适用于基坑开挖模拟，各土层HSS本构模型参数见表3。基坑围护结构以及隧道衬砌单元均为线弹性本构。

表3 各土层HSS本构模型参数表Table 1 Parameters table of HSS constitutive model for each soil layer

3 基坑开挖对既有隧道的变形影响分析

3.1 基坑和隧道水平位移

利用上述有限元模型，针对软土基坑分区开挖对临近既有地铁隧道的变形影响进行模拟研究，A1基坑开挖、拆撑以及A2基坑开挖和拆撑等4 个关键工况下的基坑围护结构位移水平以及既有隧道的位移水平分别见图4，5。

图4 基坑围护结构Y方向水平位移云图Fig.4 Y-Direction horizontal displacement of enclosure structure

图5 地铁隧道水平位移云图Fig.5 Horizontal displacement of existing metro tunnel

由图4可知：基坑围护结构的水平位移随着基坑开挖范围的扩大而逐渐增大，水平位移最大值从23.1 mm扩大到23.7 mm，但在拆除支撑后，位移都会有所回弹，减小到了23.6 mm，并保持稳定不变。从图5中可以看出：地铁隧道水平位移变化与围护结构保持相同的趋势，在A2基坑开挖完成后地铁隧道水平位移达到最大值2.6 mm。在A1基坑开挖至坑底期间，隧道水平位移最大值显示在隧道中部，后续工况中的隧道最大水平位移位置开始慢慢下移到基坑开挖中心所对应的隧道断面。在A2基坑拆除支撑后，隧道最大水平位移缩小到了2.225 mm，并保持稳定不变。

3.2 盾构隧道的收敛变形

隧道不同断面位置的水平、竖向变形不同，同一断面位置不同角度方位的水平、竖向变形不同，以下选取水平变形较大的A2基坑中部所对应的隧道横断面作为代表性断面位置，对不同工况下隧道的收敛变形进行分析，如图6，7所示，其中图6放大5 000倍，图7放大10 000倍。

图6 盾构隧道(上行线)收敛变形分析Fig.6 Convergence deformation analysis of shield tunnel (upper line)

图7 盾构隧道(下行线)收敛变形分析Fig.7 Convergence deformation analysis of shield tunnel (down line)

通过以上分析可知：由临近基坑开挖引起的隧道收敛变形范围为0.2～2.6 mm，详见表4，模拟结果表明隧道收敛变形远小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》的收敛变形限值10 mm，说明了当前基坑围护设计以及分区开挖方案在控制周边环境变形方面的有效性。

表4 不同工况下盾构隧道的收敛变形Table 4 Convergence deformation of shield tunnel under different conditions 单位：mm

3.3 指标控制分析

通过上述三维有限元数值计算分析可知：基坑开挖后，围护结构向基坑开挖侧发生水平移动，引起坑外土体也发生向基坑内侧的水平移动，继而导致地铁隧道发生向基坑内侧的水平变形及竖向变形，各工况下的基坑围护结构和隧道变形最大值汇总于表5。由表5可知：隧道变形与基坑围护结构水平位移发展保持一致，且隧道水平方向变形要大于竖向。

表5 基坑围护结构和隧道变形最大值汇总表Table 5 Summary of deformation of enclosure structure and tunnel structure 单位：mm

4 既有地铁隧道收敛变形监测结果

本工程由于周边环境复杂，周边环境变形控制要求高，因此监测周期从基坑开挖前的测斜孔埋设完毕开始，直至基坑地下室顶板施工完毕位移为止，监测时长为九个半月，在基坑开挖影响范围内的既有隧道布置35 个监测断面，断面命名格式为2s70～2s280，结果如图8所示。

图8 监测点布置图Fig.8 Layout of monitoring points

盾构区间上、下行线隧道监测断面的收敛变形随整个基坑开挖施工期的发展情况见图9，10。A1基坑开挖到坑底、A1基坑拆撑、A2基坑开挖到坑底和A2基坑拆撑等4 个关键工况节点的隧道收敛沿隧道轴向的分布情况见图11，12。图8～12中收敛变形扩径为正，缩径为负。由图9～12可知：A1基坑开挖期间，上行线隧道的水平收敛变形发展平稳，收敛累计值及平均速率均较小，最大水平收敛值为1.3 mm，略小于数值模拟的2.1 mm。下行线的水平收敛基本保持在0.4 mm左右，位于数值模拟结果0.2～0.9 mm区间。在A2基坑开挖与支撑拆除期间，上、下行线水平向变形较为稳定，上下行线最大位移分别为2.0 mm和1.2 mm，与数值模拟所得上下行线在A2基坑开挖至坑底时所得位移最大值2.6 mm与1.3 mm十分接近。上述对比分析说明了数值分析模型的正确性。应指出，在整个基坑开挖施工过程中，既有隧道上、下行线水平收敛最大累计值达到了2 mm，但未超过3 mm的报警值，满足相关地铁保护规范的要求。

图9 区间上行线水平收敛累计分布Fig.9 The cumulative distribution converges horizontally on the upper line of the interval

图10 区间下行线水平收敛累计分布Fig.10 The cumulative distribution converges horizontally on the lower line of the interval

图11 上行线145～175断面水平收敛累计时程曲线(2018年)Fig.11 The cumulative time history curve of horizontal convergence of the section of upward line 145-175

图12 下行线100～130断面水平收敛累计时程曲线(2018年)Fig.12 The cumulative time history curve of the downward line 100-130 cross-section converges horizontally

6 结 论

结合杭州软土地基某既有隧道临近的狭长基坑开挖实际工程，采用三维有限元结合现场实测分析了软土地基狭长基坑分区开挖对临近既有地铁隧道的变形影响。研究结果表明：1) 临近隧道的结构变形和收敛变形发展趋势与基坑各开挖工况围护结构的变形相一致，说明了临近基坑开挖是既有隧道变形的关键诱发因素；2) 软土地基基坑开挖带来的水平向卸荷作用，使得既有隧道结构的水平向变形大于竖向变形；3) 数值模拟显示临近基坑开挖引起的隧道收敛变形最大值为2.6 mm，既有隧道现场实测收敛变形最大值为2.0 mm，计算值与实测值十分接近，说明了数值分析模型的正确性，同时说明了软土地基狭长基坑采用分区开挖结合坑内外搅拌桩加固，可以有效控制基坑开挖引起的周边环境位移水平。