双侧基坑开挖对中间地铁隧道的影响研究

顾 翀

(浙江理工大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310000)

由于地铁交通的便利性，地铁隧道旁已经成为各种住宅和商业建筑的黄金地段，这不可避免会在隧道周围施工深基坑工程。紧邻地铁的深基坑工程不仅会改变基坑周围土体的位移场和应力场，甚至会危及隧道和周边建筑的安全。

针对紧邻地铁深基坑施工的问题，众多学者进行了一系列的研究。周建昆等[1]基于某深基坑工程，建立三维模型分析了深基坑开挖对临近地铁隧道变形的影响。研究表明现有基坑支护方案能保证现有隧道的安全。高广运等[2]通过对临近地铁隧道深基坑施工过程的监测，提出一种新的加固工艺可以有效地阻隔基坑施工对临近隧道的影响。况龙川[3]基于实测数据研究了深基坑开挖对紧邻双线隧道的影响。研究表明，基坑开挖会导致紧邻基坑范围的隧道产生显著的水平变形，且隧道横断面呈“扁椭圆形”。张明远等[4]通过数值模拟方法，建立三维模型模拟了临近隧道的基坑施工过程，对比不同施工方案对隧道变形的影响。褚峰等[5]基于小应变土体硬化本构模型，利用有限元软件研究了软土地区超深基坑施工对临近隧道的影响，数值结果与实测数据吻合较好。程斌等[6]通过有限元法研究了基坑施工与临近地铁隧道的相互影响。研究表明隧道紧邻基坑一侧有显著水平变形，此侧基坑支护需加强。但上述研究均为单侧基坑施工对紧邻隧道的影响，目前针对双侧基坑施工对紧邻隧道影响的相关研究较少[7-10]。

为此，本文基于某双侧深基坑工程，采用有限元建立三维数值模型模拟施工全过程，分析了基坑外墙边线与地铁隧道水平距离和不同开挖顺序对隧道变形的影响，确定了安全水平距离和开挖方案。同时通过对现场监测结果的分析总结了双侧深基坑施工过程中地铁隧道的变形规律。

1 概况

杭州滨江联庄二区项目南临规划联庄路，北临永久河，东临中恒世纪科技园，西临江涛阁小区，总用地面积52110m2，总建筑面积219407m2，其中地上建筑面积145907m2，地下建筑面积70000m2。

项目基坑面积约33167m2，基坑周长约1264m，基坑挖深为9.65～10.30m，设2层地下室，沿地铁边开挖深度约9.65m，坑中坑开挖深度为2.7m。地铁6号线中医药大学站-伟业路站(以下简称6号线)，区间盾构隧道横穿地块。区间内隧道埋深10.1～12.3m，隧道外径6.28m。地铁将地块分成南北2个区块。2区块整体设置2层地下室，2区块地下室之间在盾构隧道上方设置1层地下连接通道。

基坑四周均紧邻用地红线，中部横穿有地铁6号线，将基坑分为南北2个地块，形状不规则。其中，北区旁侧基坑的围护外边线与6号线区间盾构隧道的距离约为10m；南区旁侧基坑的围护外边线与6号线中区间盾构隧道的距离也约为10.4m；地块中间地下室连通道上跨区间盾构隧道。地下室连接通道采用顶管法施工，连接通道底与下卧盾构隧道顶的最小净距约4.3m，平面关系如图1所示。空间上，形成地铁区间隧道和车站、建筑物地下室等各种功能的地下空间密集分布的复杂平面布置形式，属于典型的城市紧凑型深基坑。

图1 基坑与地铁关系平面相对关系及测点布置图

研究区场地地层从上到下分为12层，主要土层名称及其物理力学参数见表1，典型剖面图如图3所示。其中基坑位于②层中。

表1 岩土体物理力学参数表

研究区浅层松散孔隙潜水主要赋存于①、②1、②2和③1土层孔隙中，水位年变化幅度约2m。承压水主要储存在⑥2、⑧2、⑧3层中。根据《杭州-临浦幅1∶50000水文地质、工程地质、环境地质区域调查报告》(1987年)，单井开采量1000～3000m3/d，随季节变化不明显。

2 基坑支护及监测方案

2.1 基坑支护方案

根据DB33/T 1139—2017《城市轨道交通结构安全保护技术规程》，可以判定基坑对应地铁区间隧道的轨道交通安全状况为“Ⅲ类”、邻近地铁车站和隧道的主体结构安全保护等级为A级、基坑安全等级为一级(重要性系数1.1)。

围护结构型式：临近地铁侧采用800mm厚地下连续墙，墙顶设800mm×800mm压顶梁；远离地铁侧采用Ø900@1100钻孔灌注桩，外侧设Ø850@600三轴水泥土搅拌桩止水止土，桩顶设1000mm×800mm压顶梁；分坑采用Ø900@1100钻孔灌注桩，桩顶设1000mm×800mm压顶梁。北区域基坑(A1、A2、A3)及南区域基坑北侧(B1、B2、B3、B4、B5)采用2道钢筋混凝土支撑，南区域基坑南侧(B6、B7)采用1道钢筋混凝土支撑；其中，第一道主、次支撑尺寸分别为800mm×800mm、700mm×800mm；第二道为800mm×700mm、700mm×700mm。土方开挖期间需采用临时钢立柱及钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支撑构件。

2.2 基坑监测方案及控制标准

为监测双侧基坑开挖引起的地铁隧道结构的变形，在左线、右线隧道布置测点，测点图如图1所示。根据该工程设计文件及安全性影响评估报告要求，地铁隧道监测控制值见表2。

表2 区间地铁隧道变形控制指标

3 不同施工方案的研究

基坑开挖实则为卸载过程，卸载量随着土体的开挖越来越大，可能引起基坑支护结构变形、地表沉降、土体隆起等不利影响。不同于隧道单侧基坑施工导致的卸载的非对称性，两侧基坑合理的开挖方法能减小两侧基坑土压力差值，从而有效地控制因基坑开挖引起的隧道变形。因此制定合理的开挖方案十分必要。

3.1 不同开挖方案介绍

为研究基坑不同开挖顺序对隧道结构变形的影响，选取3种不同开挖顺序工况进行数值模拟计算，具体开挖方案见表3。

表3 3种不同开挖方案

3.2 三维数值模型

采用Plaxis3D岩土工程有限元软件建立三维模型，如图2所示。模型的x方向(垂直于既有隧道)取350m，y方向(平行于隧道走向)取320m，z方向(厚度方向)取50m。2层地下室与盾构隧道之间边界距离为12m，连通道距离盾构隧道近距4.3m。本次分析模拟时土体采用小应变土体硬化HSS模型[1]，计算参数见表4；地下室基坑支护墙弹性模量大，受力后主要表现为弹性变形，故选用弹性模型；因地铁盾构隧道的变形控制要求严格，盾构隧道在侧方基坑开挖过程中的变形基本处于弹性阶段，故隧道管片采用弹性模型；内支撑和结构楼板采用点对点锚杆模拟；地连墙和隧道衬砌采用板单元模拟。结构计算参数见表4。

图2 基坑-地铁整体模型云图

表4 结构计算参数

3.3 基坑外墙边线与地铁隧道水平距离影响

为研究基坑外墙边线与地铁隧道水平距离对隧道结构的影响，并确定基坑外墙边线与地铁隧道安全水平距离，选取4种不同水平距离工况，分别为8、10、12、14m。不同水平距离引起的隧道结构最大变形见表5。

表5 不同距离引起隧道变形最大变形

从表5中可见，随着地下室与盾构隧道边界距离的增大，旁侧基坑对盾构隧道的影响逐渐减小。但是2层地下室与盾构隧道边界距离对隧道变形的影响较小。在不考虑联通道影响时，当边界距离从8m增大到14m时，左线盾构隧道最大水平位移从-4.3mm减小至-3.7mm，最大竖向位移从2.3mm减小至1.7mm；右线盾构隧道最大水平位移从3.3mm减小至2.5mm，最大竖向位移从2.2mm减小至1.7mm。盾构变形均满足控制要求。如考虑联通道施工的影响，隧道总位移变化显著增加，区间地铁隧道变形控制指标，区间盾构隧道安全控制指标中水平/竖向位移均需小于8mm，因此确定2层地下室与盾构隧道边界距离为10m时盾构变形是可控的。

3.4 不同开挖方案的影响分析

模型计算得到基坑施工完成时隧道结构变形曲线，如图3所示。图3(a)和3(b)分别为3种不同开挖方案下在左线隧道的左拱腰水平位移和拱底竖向位移曲线(定义靠近B基坑一侧的隧道为左线隧道，靠近A基坑一侧的隧道为右线隧道)。

对比图3(a)和3(b)可知，该过程在连接通道范围内隧道结构有显著的竖向位移和水平位移。3种不同开挖方案下左线隧道的拱竖向位移均超过5mm，超出了预警值，在实际施工过程中需着重监测连接通道范围内隧道结构安全。在连接通道范围外的隧道结构水平位移大于竖向位移，可见在基坑开挖过程中该隧道结构变形以水平位移为主导。

如图3(a)所示，两侧基坑施工完成后，工况3的水平位移最大，工况1的水平位移最小，其中工况2下最大水平位移比工况1的最大水平位移大约15%，工况3下最大水平位移比工况1的最大水平位移大约20%。可见基坑开挖卸载时，两侧基坑交叉开挖的施工方案优于单侧基坑开挖到底的施工方案。这是因为单侧基坑卸载的不对称性引起了较大的土压力差值，从而导致隧道结构想开挖一侧基坑位移。而两侧基坑交叉开挖引起的土压力差值小，对隧道结构变形影响小。另一方面，工况3的水平位移大于工况2的水平位移，这是因为B基坑紧邻隧道侧的基坑长度比A基坑紧邻隧道侧的基坑长度大，故B基坑紧邻隧道侧开挖卸载量大于A基坑。

图3 不同开挖方案下隧道变形曲线

如图3(b)左线隧道的拱底竖向位移曲线所示，工况1的隧道竖向位移略大于工况3和工况2。这是由于两侧基坑交叉开挖的相互影响引起的叠加效应，从而导致竖向土压力卸载量变大，从而两侧基坑交叉开挖引起的竖向位移略大。但相比于隧道水平位移，不同开挖方案对隧道竖向位移的影响较小。

4 基于监测数据的隧道变形分析

本节的监测数据均是基于实际施工过程中测试所得，即地下室与盾构隧道边界距离为10m，对邻近地铁侧基坑进行分坑设计，其中北区分为A1-A3三个区块，南区分为B1-B7七个区块，施工顺序为一期(B1、B3、A3)→二期(A1、A2、B2、B4、B6)→三期(B5、B7)。关键时间节点如下：

(1)2020年11月20号一期B1和B3开始土方开挖，且联络通道施工完成。

(2)2021年2月28号二期A1和A2开始土方开挖，同时一期A3底板施工完成。

(3)2021年5月26号三期B5和B7开始土方开挖，同时二期B4和B6底板施工完成。

(4)2021年7月6号三期B5和B7底板施工完成。

4个时间节点左线隧道监测点S420-S605的竖向位移和隧道管片净空收敛的监测结果如图4所示。从图4(a)可以看出，竖向左线隧道发生较大竖向位移在监测点S510-S530和S440-S470范围内，其中S510-S530为连接通道区域，联络通道施工完成时该检测范围内的最大竖向位移为1.8mm。从监测图中可以看出，东半部隧道为非直线，呈弯曲型。该部分隧道刚度小于直线段隧道刚度，可能导致S440-S470范围内发生的较大竖向位移。从图4还可以看出，二期和三期施工完成，隧道竖向位移均显著增大，但三期施工完成后隧道竖向位移未发生变化，这是由于远处分坑B5、B7开挖卸载对隧道基本无影响。从图4(b)可以看出，隧道管片净空收敛主要发生在东半部隧道，同样可能因为该部分隧道刚度小于直线段隧道刚度。此外，一期施工完成，隧道管片净空收敛显著增大，但二期和三期施工对隧道管片净空收敛影响有限。综合图4(a)和(b)，左线隧道竖向位移峰值和管片净空收敛峰值均小于8mm，在表5所述控区间地铁隧道变形控制范围内，说明本基坑工程的支护方案和施工方案均能保证隧道的变形安全。

图4 不同时刻隧道变形监测结果

基坑施工完成后左右线隧道监测结果对比如图5所示。由图5(a)可知，左线右线隧道竖向位移沿隧道纵向的变形规律一致，但是左线隧道变形显著大于右线隧道。同样是因为左线隧道紧邻基坑长度比右线隧道紧邻基坑长度大。由图5(b)可知，左线右线隧道管片净空收敛沿隧道纵向的变形规律一致，其管片净空收敛值也十分接近。

5 结论

本文结合某双侧深基坑紧邻地铁隧道施工的工程背景，分析了基坑外墙边线与地铁隧道水平距离和不同开挖顺序对隧道变形的影响。同时通过对现场监测结果的分析总结了双侧深基坑施工过程中地铁隧道的变形规律。主要得到以下结论：

基坑外墙边线与地铁隧道水平距离的增大可以有效控制隧道的变形，确定基坑外墙边线与地铁隧道安全水平距离为10m；基坑采用交叉开挖施工方案，隧道的水平和竖向位移最小，但对水平位移影响较小；大基坑施工会引起临近侧隧道更大的变形，且对弯曲段隧道的影响更为显著。本文仅研究了基坑开挖对临近隧道的影响，后续可分析临近隧道存在对基坑施工的影响。