偏压条件下地铁工作井开挖安全及井-隧相互影响研究

张宇翔,焦玉勇*,荆 武,钟 天,黄才彬

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉市汉阳市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430050)

近年来，随着城市建设加快，“城市病”问题日益突出，城市地下空间的开发与利用已成为发展的必然趋势[1]。而在开发利用城市地下空间的过程中，不可避免地会对周围环境产生影响，尤其是当不同的工程相继施工时，会对周边环境产生更加复杂的影响，甚至导致建筑物、管线等发生破坏。比如在修建城市轨道交通工程时，地铁工作井(以下称深基坑)开挖完成后，以其侧壁作为工作面进行隧道的开挖，将会导致深基坑围护结构及周边环境出现更进一步的变形，严重时甚至导致深基坑发生失稳破坏。

针对深基坑开挖安全，已有学者进行了大量的研究,目前所采用的研究方法主要是对现场收集到的监测数据进行分析[2-3]，如：黄山景等[4]研究发现,在非对称荷载作用下，围护桩桩顶会产生整体的旋转变形，桩身会产生水平与切向两个方向的位移；Ou等[5]的研究表明,在受非对称荷载一侧的围护结构位移会大于不受荷载一侧，受荷载一侧的围护结构最大弯矩也会处于更深的位置。还有学者结合相关基坑工程实例进行了理论推导，如张浩等[6]通过理论推导，得到了堆载作用下地基附加侧应力表达式，并得出桩前土体侧移作用下桩身实际附加荷载，同时给出了结构桩被动受力的半解析解。另外，对于深基坑的非对称设计也有相关的研究[7-8]，如：有学者提出使用分离荷载结构模型，通过寻找支撑不动点来对两侧基坑围护结构分别进行设计；还有学者提出将偏压侧的支护内力与支撑轴力作为初始条件施加到不受偏压一侧，同时施加静止土压力作为初始条件，通过力的平衡与位移协调计算，可得到墙后土压力及支撑内力。但由于这些方法对基坑工程进行了过度简化以及方法本身的限制，并未得到广泛的应用。以基坑工程为依托进行数值模拟的方法得到了广泛应用,如:陈军等[9]研究了多级支护条件下非对称荷载基坑的变形特征，并分析了留台宽度、高度以及加固深度等关键参数的影响；高亿文等[10]、Xu等[11]、Guo等[12]分析了不同因素对非对称荷载作用下深基坑围护结构变形以及邻近土体应力分布的影响。

关于深基坑开挖井-隧之间的相互影响，目前的研究主要集中在深基坑开挖对隧道变形的影响，如：Zhang等[13]通过大量数值模拟得到了隧道位移与深基坑开挖宽度和深度、围护结构刚度、地层参数、深基坑与隧道位置之间的相互关系，并据此建立了简化的预测方法，用于预测软黏土中深基坑开挖引起的隧道位移；罗鑫等[14]针对基坑开挖对下卧隧道变形的影响进行了理论分析，通过数值模拟方法对几种加固措施下的加固效果进行分析并与监测数据进行了对比；戴轩等[15]通过三维数值模拟分析了隧道开挖对在建深基坑变形的影响，结果发现隧道下穿基坑会使基坑已施工完成的围护结构与支撑产生差异变形。

武汉市南北跨及扬子准地台和秦岭褶皱系，第四系地层分布广，地质条件复杂，这种独特的地质环境使得武汉市地下空间开发面临着地下水、断裂构造、岩溶塌陷、软土地面沉降的挑战，而深基坑开挖的复杂性使得基坑的开挖特性具有一定的地域性。目前有关武汉地区深基坑变形已有一定程度的研究[16-17]，但对于在偏压条件下深基坑变形特性及井-隧相互影响的研究报道较少。因此，本文以武汉地铁19号线5标段4号井为例，依托工程地质勘察资料建立三维数值模型对深基坑变形进行了数值模拟计算与分析，并在地铁施工过程中对深基坑周边地表沉降、围护桩深层水平位移、支撑轴力进行了全程现场监测，通过将数值模拟分析结果与现场监测数据进行对比分析，研究了偏压条件下地铁深基坑开挖安全及井-隧相互影响。

1 工程背景及地质概况

本工程建设场地位于长江三级阶地，根据工程地质勘察资料，该场地地层密实性、透水性、厚度等不均一，地下水水位不连续，总体水量不大，水位埋深为0.3～4 m，主要地层为填土、淤泥质黏土、粉质黏土、强风化泥岩，各地层基本物理力学参数见表1。场地岩溶在施工前均已探明并进行了注浆填充。该场地北侧为一山体，距深基坑约10 m，深基坑开挖完成之后，以深基坑的南侧壁与北侧壁进行隧道的施工。

表1 某工程建设场地地层基本物理力学参数

深基坑设计长为30.8 m、宽为27.8 m，开挖深度为24.25 m，在施工过程中，由于地铁工作井开挖产生的渣土运输不及时，导致大量的渣土堆积在深基坑南侧，使地铁工作井处于严重的偏压作用下，更加增大了工程施工的风险。

2 深基坑围护结构设计

根据深基坑深度以及周边工程地质条件，深基坑围护结构采用钻孔灌注桩加内支撑的支护方案。钻孔灌注桩直径为1 200 mm，桩间距为1 500 mm，桩长为28 m；内支撑采用一道混凝土支撑加三道钢支撑，第一道内支撑为混凝土支撑，支撑截面尺寸为800 mm×1 000 mm，第二、三、四道内支撑为钢支撑，采用直径为800 mm、壁厚为16 mm的钢管撑。深基坑围护结构剖面图，见图2。

图1 某工程建设场地周边环境

图2 深基坑围护结构剖面图

3 地铁工作井开挖安全及井-隧相互影响的数值模拟研究

3.1 数值模型建立

根据场地地质情况及设计资料，采用数值软件FLAC3D对深基坑在开挖过程中的变形特征以及隧道开挖对深基坑变形的影响进行了数值模拟研究。建立的数值模型两侧边界取5倍的开挖深度，高度取2倍的开挖深度，最终模型长为116 m、宽为116 m、高为50 m，模型共划分为377 860个单元、69 094个节点，见图3。

图3 数值模型

模型前后与左右边界均设置为法向约束边界，模型底部边界设置为固定约束边界。钻孔灌注桩采用相应厚度的地下连续墙即地连墙代替，地连墙可采用实体单元模拟，考虑为线弹性材料，其杨氏模量为20 GPa、泊松比为0.2、嵌固深度为4 m；内支撑采用Beam结构单元模拟，钢支撑杨氏模量为200 GPa、泊松比为0.3，混凝土支撑杨氏模量为20 GPa、泊松比为0.2。模型共建立4层地层。为了模拟山体与渣土堆放对深基坑变形的影响，在模型北侧上表面施加渐变荷载来模拟山体，模型南侧施加70 kPa的均匀应力模拟渣土堆。岩土体本构采用莫尔-库伦模型(Mohr-Coulomb)。由于在地铁隧道开挖前，渣土堆已清运完毕，深基坑仅受到山体偏压作用的影响，故隧道的衬砌结构采用壳(Shell)单元模拟。

3.2 施工工况设置

将模型计算至初始地应力平衡状态并施加围护结构后，按照现场情况，本次数值模拟共设置了9种施工工况，各工况对应的开挖流程见表2。在深基坑及周边环境设置地表沉降测线、围护桩深层水平位移测点，对数值模拟计算结果进行记录，以便下文进行分析，具体数值模拟测线和测点位置平面图，具体见图4。

表2 施工工况设置

图4 数值模拟测线和测点位置平面图

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 深基坑水平位移云图分析

根据偏压条件下深基坑开挖过程中深基坑周边地表沉降、围护桩深层水平位移的数值模拟计算结果，选取工况一、工况五、工况九3种工况，在南北(A-B)与东西(C-D)两个方向上(见图4)进行切片，得到在3种工况下不同方向的深基坑水平位移云图，见图5。为了更加明显地看出位移的变化情况，将位移放大400倍。

由图5可见：在深基坑开挖过程中，深基坑南侧和北侧受偏压的影响大，其地表沉降和围护桩深层水平位移的变化规律与东侧、西侧不同，呈现出明显的非对称性；深基坑东侧和西侧不受偏压的影响，其地表沉降和围护结构深层水平位移呈现出对称性。围护桩最大深层水平位移的位置随深基坑开挖的进行逐渐下移，围护桩变形也逐渐变化为“凸肚型”。在隧道开挖后，由于受到山体偏压的影响以及隧道为南北向开挖，深基坑南侧、北侧地表沉降和围护桩深层水平位移发生了显著变化，而深基坑东侧、西侧受到来自隧道开挖的影响不明显；隧道开挖施工初期深基坑对隧道的影响不大。

图5 不同工况下不同方向的深基坑水平位移云图

3.3.2 围护桩深层水平位移分析

通过对深基坑南、北两侧围护桩深层水平位移曲线(见图6)进行对比分析可知：

图6 深基坑南、北两侧围护桩深层水平位移曲线对比

(1) 在深基坑开挖阶段，深基坑两侧围护桩深层水平位移曲线为“前倾型”，两侧围护桩的变形方向均为向深基坑内；随着开挖深度的增加，深基坑两侧的围护桩最大深层水平位移的位置不断下移，两侧围护桩深层水平位移曲线逐渐发展为“凸肚型”；在深基坑开挖结束后，深基坑北侧的围护桩深层水平位移明显大于南侧，但水平位移值均在控制范围内，深基坑整体处于稳定状态。此外，偏压的作用还会使围护桩桩顶的深层水平位移明显增大，故在对偏压作用下的深基坑进行设计时应注意控制深基坑围护桩上部的位移量。

(2) 隧道的开挖会使深基坑两侧的围护桩重新产生位移，但深基坑南、北两侧围护桩的深层水平位移变化特征不同。深基坑南侧围护桩随着隧道开挖的进行，开挖深度15 m以上的围护桩向深基坑外侧移动，开挖深度15 m以下的围护桩向深基坑内侧移动，围护桩上部最终变形量为0.33mm，围护桩下部最终变形量为4.95 mm；深基坑北侧围护桩深层水平位移随隧道的开挖不断增大，围护结构整体朝深基坑内侧移动，围护桩下部变形较上部大，最大位移深度基本不变，位于17.5 m处，最终变形值为12.15 mm。由于深基坑南、北两侧的地层模拟参数和施工顺序一致，因此在偏压条件下隧道的开挖会使深基坑继续产生非对称变形。

3.3.3 地表沉降分析

通过对深基坑南、北两侧地表沉降曲线(见图7)进行对比分析可知：

图7 深基坑南、北两侧地表沉降曲线对比

(1) 在深基坑开挖阶段，由于深基坑南侧与北侧所受到的偏压大小不等，使得深基坑北侧的地表沉降曲线呈现“三角型”，深基坑南侧的地表沉降曲线呈现“凹槽型”，深基坑南侧的最终地表沉降值大于北侧；深基坑北侧的地表沉降在靠近山体的地方达到最大值，深基坑南侧的地表沉降则在渣土堆放位置达到最大值，深基坑两侧的地表沉降值均处于可控范围内。

(2) 在隧道开挖阶段，隧道开挖使深基坑两侧地表沉降的变化趋势一致，均随着隧道开挖的推进而逐渐增大，深基坑南侧的地表最大沉降变化量大于北侧；在隧道开挖至30 m之后，隧道开挖对深基坑地表沉降的影响可忽略不计。

(3) 深基坑南侧的地表沉降最大值位于距深基坑12 m处，最终地表沉降最大值为18.6 mm；深基坑北侧的地表沉降由于受山体偏压的影响，最终地表沉降最大值为14.8 mm，位于距深基坑25 m处。

4 现场监测结果分析

4.1 监测点位布设

通过现场监测对整个深基坑开挖施工过程中地铁工作井的动态变化进行了准确、及时的测量，主要对深基坑周边地表沉降、支撑轴力、围护桩深层水平位移等进行监测。

在深基坑每条边上各布设3个地表沉降监测断面，共布设12个监测断面、36个地表沉降监测点，监测点编号为1-1～12-3；在深基坑每条边布设2个围护桩深层水平位移监测点，共布设8个围护桩深层水平位移监测点，编号为ZQ1～ZQ8；在第一、第二、第四道支撑上均布设了轴力计，共布设5个内支撑轴力计。具体深基坑变形监测点位平面布设，见图8。

图8 深基坑变形监测点位平面布设

4.2 监测数据分析

4.2.1 围护桩深层水平位移实测分析

本文对位于深基坑南侧的ZQ3与北侧的ZQ8两个监测点处围护桩深层水平位移监测数据进行了对比分析，由于在隧道开挖时，破坏了围护桩中的测斜管，因此只对深基坑开挖阶段的监测数据进行分析，其监测曲线见图9。

由图9可见:深基坑北侧围护桩深层水平位移最大值为6.15 mm，南侧深层水平位移最大值为12.05 mm，均处于可控制范围内，表明深基坑处于安全稳定状态。结合现场情况分析，深基坑两侧的工程地质情况和施工顺序基本相同，因此山体的影响使得深基坑南侧围护桩深层水平位移明显大于北侧;深基坑两侧围护桩上部深层水平位移均受到偏压的影响，其较无偏压作用的深基坑有明显的增大。ZQ8监测点处围护桩顶部水平位移与最大水平位移相差不大，表明支护结构对顶部水平位移的约束效果不好。

图9 深基坑周边围护桩深层水平位移监测曲线对比

综上分析可见，深基坑周边围护桩深层水平位移的数值模拟结果与实测数据所反映的规律基本一致，因此在对受到偏压作用下的深基坑围护结构进行设计时，需根据深基坑两侧偏压的不同，充分考虑偏压对不同侧围护结构受力与变形特征的影响，以确保深基坑围护结构的整体稳定性。

4.2.2 地表沉降实测分析

通过对比深基坑南、北两侧地表沉降随时间的变化曲线(见图10)可知：深基坑两侧地表沉降的变化趋势大致相同，均为随深基坑开挖深度的增加而不断增大，在基底浇筑后逐渐趋于稳定。这是由于在深基坑开挖初期，地层岩性为具有高压缩性的软土，且深基坑周围存在大型挖机、吊车等荷载，使地表沉降变化速率加快；随着开挖深度的增加，下层地层岩性为粉质黏土、强风化泥岩，地表沉降变化速率有所减缓，最终深基坑南侧地表沉降值达到-11.96 mm，北侧地表沉降值达-13.44 mm，深基坑整体处于安全稳定状态。

图10 深基坑周边地表沉降随开挖时间的变化曲线对比

4.2.3 内支撑轴力实测分析

在深基坑的开挖阶段，对深基坑第一、第二、第四道内支撑轴力进行了监测，得到深基坑内支撑轴力随开挖时间的变化曲线，见图11。

由图11可见：随着开挖的进行，第一道混凝土支撑所受到的轴力迅速增大，在第二道钢支撑架设完成之后达到稳定，并且第一道混凝土支撑所受到的轴力明显地大于第二道和第四道钢支撑，说明第一道混凝土支撑承担了大部分来自开挖引起的土压力以及来自荷载的额外压力；由于钢支撑中ZCL2-1和ZCL3-1轴力计存在于角撑之中，ZCL2-2和ZCL3-2轴力计存在于对撑中，通过分析数据可知对撑所受的轴力要大于角撑；另外，第二道和第四道钢支撑实测轴力在深基坑开挖期间具有明显的波动性，轴力甚至下降为0，结合相关研究结果[18]可以认为，偏压条件下深基坑围护结构会产生扭转变形，降低了钢支撑与深基坑围护桩的接触效果，使得钢支撑的支撑效果也降低，对深基坑开挖安全不利。

图11 深基坑内支撑轴力随开挖时间的变化曲线对比

5 结 论

本文以武汉地铁19号线5标段4号井为例，依托工程典型地质剖面建立了三维数值模型，对偏压条件下深基坑开挖的变形特征以及隧道开挖对深基坑变形的影响进行了数值模拟研究，并通过对偏压条件下深基坑开挖过程中其周边的地表沉降、围护桩深层水平位移、内支撑轴力变化特征进行现场监测,将数值模拟结果与现场监测数据进行了对比分析，得到主要结论如下：

(1) 偏压条件下，深基坑周边的围护桩深层水平位移、地表沉降均呈现出非对称变形的特征；邻近偏压侧的围护桩深层水平位移和地表沉降明显大于远离偏压侧；深基坑围护桩桩顶受到偏压的影响较大，使深基坑桩顶水平位移明显增大，最终使深基坑桩顶水平位移接近围护桩深层水平位移最大值。

(2) 第一道混凝土支撑承受的轴力最大，轴力值也较为稳定；而第二、三、四道钢支撑承受的轴力波动较大，支撑效果弱于混凝土支撑。

(3) 偏压条件下，隧道施工将会使深基坑围护桩深层水平位移和地表沉降重新发生变化，且变化具有非对称性。

(4) 隧道施工主要对深基坑围护桩下半部分位移以及隧道上方地表沉降的影响较大，但变形量均处于可控制范围之内，深基坑处于安全稳定状态。在隧道施工30 m后深基坑围护桩深层水平位移和地表沉降的变化可忽略不计。

(5) 数值模拟结果与实测数据所反映出的深基坑开挖变形规律基本一致，说明采用数值模拟与实测数据相结合的方法对保障地铁隧道施工安全简单有效。