地下连续墙支护下深基坑开挖对邻近地铁隧道变形影响分析

张焕荣 刘方威 万淑敏

摘 要：南京某深基坑北侧地下连续墙支护距离已经运行的地铁隧道最小净距仅为 12m，为控制地铁隧道变形，在地下连续墙两侧采用三轴水泥土搅拌桩进行槽壁加固。文章以此工程为背景，采用 MIDAS/GTS 有限元软件，对地下连续墙支护情况下深基坑開挖引起的邻近地铁隧道纵横向位移进行三维有限元数值模拟，通过模拟计算对比分析水泥土搅拌桩加固措施的有效性，以期为类似设计和施工提供参考。

关键词：地铁;深基坑;地下连续墙;邻近隧道;变形分析

1 引言

随着城市地下空间的大力开发和利用，不可避免在地铁附近进行深基坑施工，由于地铁隧道等建（构）筑物的存在，导致基坑周边的环境非常复杂敏感，典型的工程如南京紫峰大厦深基坑周边有3条主干道，管线密集，距离南京地铁1号线隧道主体结构最近处仅5m;本文中的南京某深基坑，距离已经运行的地铁隧道2号线最小净距仅为12 m，而且周边分布有基督教堂（文物保护单位）等重要建筑物。对于邻近地铁隧道复杂环境中的地下连续墙支护深基坑工程而言，依据三维数值分析等先进技术方法，研究深基坑开挖对邻近地铁隧道变形的影响规律，并提出相应的保护邻近地铁措施，这对于解决城市深基坑工程开挖中对既有地铁等建（构）筑物的控制与保护问题，具有重要的理论和实践指导意义。

目前，常规支护结构的设计一般多采用规范推荐的平面竖向弹性地基梁法及三维弹性地基板法，这2种方法均可以模拟实际工况并计算围护结构与支撑体系的内力与变形，三维方法还可同时考虑围护结构的空间效应，但这2种计算方法由于在计算模型中均无法考虑基坑周边的重要建（构）筑物，不能直接计算分析其对周边环境的影响，因此在计算分析深基坑开挖的环境效应时存在一定的局限性。刘国彬等结合软土基坑隆起变形的残余应力法和软土卸荷模量的概念，建立了基坑隆起变形的计算模型，推导出基坑工程底部已运行隧道上抬变形的计算公式，能够预测基坑底部已运行隧道的上抬变形。在分析深基坑开挖引起的环境效应时，经常采用连续介质有限元方法，该方法将基坑的围护结构、周边一定影响范围内的土体以及某些重要建（构）筑物作为一个整体进行分析，以开挖面上土体地应力的释放作为开挖时的荷载，并以单元的“生死”来模拟土体开挖以及支撑体系的施工。

本文采用三维有限元方法模拟本工程深基坑的开挖，分析模型主要包括深基坑围护结构、已运营的地铁隧道以及一定影响范围内的土体，根据计算分析得到的结果，在设计中采取相应措施控制地铁隧道变形。

2 工程概况

南京某工程由主楼、商业裙房以及地下室等组成，其中，主楼共48层，结构总高度为220 m，商业裙房共10层。基坑面积约为12 400 m2，周长约为490 m，地下室基础底板相对标高为-20.90 m，基坑总体区域开挖深度为22.1 m。场地周边环境较为复杂，南侧为天主教堂（文物保护单位），东侧为购物中心（重点建筑物），北侧为地下连续墙（距地铁隧道仅为12m），地铁隧道采用箱体结构形式，隧道宽度约6.28 m，埋深8.9～9.8 m，如图1所示。

3 支护设计

基坑周边采用“两墙合一”的地下连续墙支护结构，既可以作为深基坑开挖时挡土止水的围护结构，也可作为地下室的结构外墙。基坑周边及塔楼区域的地下连续墙厚度为800 mm，北侧邻近地铁区域及南侧天主教堂区域的地下连续墙厚度为1 000 mm，深度为34.1m。邻近地铁一侧区域的地下连续墙采用三轴水泥土搅拌桩对槽壁进行加固，在外侧采用直径为850mm高压旋喷桩封堵，先施工地铁一侧的三轴搅拌桩，待其达到强度要求后再施工地下连续墙。坑内设置4道钢筋混凝土支撑，每道支撑竖向间距按实际工程中的经验取为h1 = 5.75 m，h2 =4.5m，h3 = 3.5m，h4 = 3.5 m，h5 = 3.6m，深度为20.9m，每道支撑水平间距为10 m，截面尺寸均为800mm×800 mm，靠近地铁隧道一侧支护设计剖面图如图2所示。

4 基坑开挖对邻近地铁隧道影响计算分析

4.1 有限元模型建立

基坑开挖的平面尺寸约为170 m×73 m，开挖深度为22.1 m。考虑到基坑开挖对周围土体以及既有地铁隧道的扰动，模型侧向边界和底部边界均延伸至2倍的开挖深度之外。模型尺寸为270 m×200 m×85 m，在可能出现应力集中以及位移变化较大的区域适当加密网格。网格形状尽量规则，避免出现形状不好的单元，以防止计算的收敛和结果精度受到影响。模型侧面约束水平位移，底面固定，表面自由。土体采用摩尔库伦模型，既有地铁隧道采用板单元模拟，地下连续墙采用各向同性的板单元模拟，采用弹塑性无厚度接触面单元模拟围护结构与土体之间的相互作用。施工附加荷载的计算长度与基坑开挖北侧的长度一致，荷载值取为20 kN/m。三维有限元模型如图3所示，地下连续墙计算参数如表1所示。

基坑开挖施工的模拟过程共分成12个计算工况，如表2所示。

4.2 基坑开挖计算分析

4.2.1 邻近地铁隧道侧壁水平位移

由于既有地铁隧道线路方向与基坑北侧平行，因而基坑开挖对既有地铁隧道侧壁的水平位移影响较大。由图4邻近地铁隧道水平位移云图可知，深基坑开挖至坑底时，邻近地铁隧道侧壁的最大水平位移为6.24mm，表现为向基坑方向偏移，发生在对应基坑开挖中心位置处附近;随着远离基坑开挖范围，地铁隧道侧壁的水平位移逐渐减小，最后趋向于0。

4.2.2 邻近地铁隧道底部竖向位移

基坑开挖对既有地铁隧道底部的竖向位移同样影响较大，由图5邻近地铁隧道竖向位移云图可知，深基坑开挖至坑底时，邻近地铁隧道底部的最大竖向位移为6.95 mm，表现为隆起，且发生在对应基坑开挖中心位置处附近;随着远离基坑开挖范围，地铁隧道底部的竖向位移逐渐减小，且表现为沉降。

以上计算结果表明，邻近地铁隧道的最大水平位移与竖向位移均发生在对应的基坑开挖中心位置处附近，随着远离基坑开挖范围，地铁隧道的水平位移和竖向位移均逐渐减小。

4.3 三轴水泥土搅拌桩加固影响分析

设计过程中，为预估邻近地铁隧道一侧设置三轴水泥土搅拌桩对于控制地铁隧道变形的有效性，在另一计算方案中取消了三轴水泥土搅拌桩。2种方案下计算得到的地铁隧道侧壁水平位移和底部竖向位移的结果如图 6和图7所示。

（1）由图6可知，深基坑开挖时，无论是否设置水泥土搅拌桩，邻近地铁隧道侧壁的水平位移变化趋势基本一致，但当设置三轴水泥土搅拌桩时，邻近地铁隧道衬砌的整体水平位移明显减小，减小量为2.6 mm。

（2）由图7知，深基坑开挖时，无论是否设置水泥土搅拌桩，邻近地铁隧道底部的竖向位移变化趋势基本一致，但当设置三轴水泥土搅拌桩时，邻近地铁隧道底部的整体竖向位移明显减小，减小量为2.8 mm。

以上计算结果表明，深基坑开挖时，在邻近地铁隧道一侧设置三轴水泥土搅拌桩的加固措施，可有效减小既有地铁隧道的侧壁水平位移和底部竖向位移。

5 结束语

深基坑工程对环境的保护要求较高，为此，本工程采取了在地下连续墙和地铁隧道之间设置三轴水泥土搅拌桩的加固措施。通过对该工程围护结构和邻近地铁隧道的计算分析表明，邻近地铁隧道侧壁的最大水平位移以及底部最大竖向位移均发生在对应的基坑开挖中心位置处;设置三轴水泥土搅拌桩可以有效控制邻近地铁隧道的变形，具体来说，侧壁水平位移可以减小2.6mm，底部竖向位移可以减少2.8 mm，满足规范中对地铁变形不得超过20 mm的要求，表明设计中采取的相应加固措施合理可行。

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收稿日期 2020-03-16

责任编辑 朱开明