深基坑开挖对邻近地铁隧道及民房变形的影响分析

文／伯洋洋 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江杭州 311122

引言：

随着我国经济的迅猛发展，越来越多的城市通过建设地铁来缓解交通拥堵问题。但城市空间有限，邻近地铁隧道的深基坑工程不断涌现。基坑开挖时不可避免的会造成周边土体位移，从而引起地铁隧道变形。例如，台北某基坑施工引起邻近地铁盾构隧道的水平位移达50mm，水平方向收敛变形21.5mm、竖向收敛变形21.4mm，过大的位移和变形将严重影响地铁的运营安全。

目前已有大量的学者就深基坑开挖对地铁隧道和建（构）筑物变形的影响进行了研究：（1）采用三维模拟与现场监测相结合的方式研究了基坑开挖对邻近既有地铁隧道变形的影响。（2）通过对软土地层邻近隧道深基坑工程案例进行总结，形成了包括分区设计、轴力自动补偿钢支撑系统、坑内土体加固、坑外隔断及承压水控制等较为成熟的基坑变形控制设计方案。（3）就基坑开挖、地表超载、承压含水层减压及降水方式等对已运营地铁隧道结构内力和变形的影响机理进行了研究，并提出了相应保护措施。（4）利用有限元数值模拟分析了软黏土地层中深基坑开挖引起的土体扰动对既有地铁隧道受力及变形的影响，并对加固处理措施提出了建议。（5）通过深入分析地铁盾构隧道水平位移和沉降的时空分布规律，总结了基坑开挖对邻近既有地铁隧道位移和变形的影响规律。（6）采用数值模拟分析了两侧深基坑施工对其间的浅埋既有地铁隧道变形的影响。

论文以深圳某邻近地铁隧道和2层浅基础民房的深基坑工程为案例，利用有限元分析软件详细分析了基坑开挖对地铁隧道和建筑物变形的影响，并结合现场监测结果印证了分析结论和设计方案的合理性与可靠性，为类似邻近地铁隧道及建筑物的深基坑支护方案提供参考和借鉴。

1、依托工程概况

1.1 基坑工程总体布置

本深基坑工程位于深圳市中心地段，周边环境（见图1）复杂，北侧和东侧均为市政道路，西侧为人行道，西南侧为民房，距离基坑约4.95m～23.84m。地铁隧道沿基坑北侧道路下方敷设，内径6.0m、外径6.7m，埋深约18m，与基坑最小净距4.77 m。基坑长28.0m，宽13.6m，深39.8m。考虑到基坑开挖深度大，距地铁隧道及民房近，因此必须严格控制基坑变形，保证周边环境和建筑物安全。

图1 基坑周边环境

综合考虑基坑周边环境及采用咬合桩支护可能导致的桩底劈叉及渗漏风险，基坑支护采用1m厚地下连续墙，竖向设置3道钢筋混凝土支撑+4道钢支撑，混凝土支撑尺寸为0.8m×0.8m，钢支撑外径800mm，壁厚16mm。同时对近基坑侧民房基础下土层采用单液浆进行跟踪补偿注浆加固。

1.2 工程地质条件

基坑从上至下分别穿越素填土、粉质黏土、全风化含砾砂岩、土状及块状强风化含砾砂岩、中风化含砾砂岩，基坑地质剖面图详见图2，基坑底位于中风化含砾砂岩。地铁隧道主要位于中风化含砾砂岩中。

图2 基坑地质剖面图

根据工程地质勘查报告，场地内各地层物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

1.3 水文条件

场地内地下水主要有2种类型：（1）第四系松散岩类孔隙水，主要赋存于冲洪积砂层和残积土层中；（2）基岩/构造裂隙水，主要存在于块状强风化含砾砂岩、中风化带和断裂构造裂隙中，略具承压性。勘察期间，场地内稳定地下水位埋深约3.1m。抗浮水位取至地表。

2、有限元模型分析

2.1 模型建立

采用MIDAS GTS NX软件建立二维平面应变模型进行数值模拟分析。土体采用平面应变单元模拟，地铁隧道与基坑地连墙、支撑采用两单位模拟，并考虑分步开挖支护，使计算结果与实际工况更为贴近。在数值分析过程中做了如下假设：（1）认为各地层均为水平状均匀分布且为各向同性体，地铁隧道、地连墙、支撑等结构的受力、变形均在弹性范围内；（2）土层采用修正摩尔-库伦本构模型，为弹塑性连续体，在基坑开挖过程中产生的变形是连续的。各土层物理力学参数见表1。

有限元模型（见图3）尺寸为长×宽=120m×57m，共建立27224个单元，27534个节点。在模型左侧和右侧均施加水平向约束，在模型底部施加水平向约束和竖向约束。

图3 有限元模型

2.2 分析过程

论文主要研究基坑开挖对地铁区间及民房变形的影响，分析对象为基坑开挖引起的增量位移，因此需对地层初始应力、地铁隧道及民房施工引起的位移进行清零。在施加地连墙支护结构后，采用逐步开挖、支撑、拆撑、施工结构板的方式进行模拟计算。本次模拟共计算32个施工步序。

2.3 结果分析

2.3.1 地表最大沉降分析

随着基坑开挖的进行，地表沉降逐渐增大，且距基坑两侧一定距离的地表均出现了明显的沉降槽。当开挖到基坑底时，地表沉降（详见图4）达到最大，为6.25mm，小于控制值30mm，满足周边市政道路及人行道正常使用要求。

图4 开挖至基底时地层沉降云图

2.3.2 支护结构最大变形分析

随着基坑开挖的进行，地连墙最大水平变形逐渐增大。当开挖到基坑底时，地连墙水平变形（详见图5）达到最大值，最大值出现在第五道支撑与第六道支撑之间、靠近民房侧，为3.32mm，远小于《深圳市基坑支护技术标准》SJG05-2020规定的限值30mm，满足要求。

图5 开挖至基底时支护结构水平变形云图

2.3.3 地铁隧道最大位移分析

分析发现，地铁隧道最大位移均随着基坑开挖深度的增大而增大。基坑开挖到底时，地铁隧道结构竖向位移及水平位移均达到最大值，近基坑侧地铁隧道结构最大竖向位移为3.73mm（详见图6）、最大水平位移为2.27mm（详见图7），远离基坑侧地铁隧道结构最大竖向位移为1.09mm、最大水平位移为1.05mm。说明邻近基坑开挖对地铁隧道有一定的影响，但影响程度较小，隧道最大位移均小于深圳地铁隧道结构安全控制指标标准值10mm，满足《深圳市地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法（2018年版）》要求；且当基坑与地铁隧道结构的净距越大时，基坑开挖对地铁隧道结构的影响越小。

图6 开挖至基底时地铁隧道最大竖向位移

图7 开挖至基底时地铁隧道最大水平位移

2.3.4 民房倾斜度分析

随着基坑逐步开挖，民房沉降逐渐增大。当开挖到基坑时，民房沉降达到最大值，最大值出现在远离基坑侧，为4.77mm。原因主要是民房距离基坑较近，且位于沉降槽最大值位置与基坑之间，远离基坑侧基础受地表沉降影响更大，故其沉降相对近基坑侧更大。民房基础最大倾斜度为0.04%，远小于（GB5007-2011）《建筑地基基础设计规范》中规定的允许值0.2%，满足使用要求。

3、现场监测

根据现场监测数据，地表沉降、支护桩最大水平位移、地铁隧道最大位移及民房沉降的变化规律与数值模拟基本一致，具体数值大小虽存在一定的差别，但均在可接受范围内。地连墙水平变形、地表沉降、地铁隧道结构水平和竖向位移、民房沉降的最大值均发生在基坑开挖至基底时。

地表最大沉降10.68mm，相对数值模拟结果增加4.43mm，增大70.9%，主要原因是市政道路车辆荷载的振动作用。地连墙最大水平变形5.03mm，相对数值模拟结果增加1.71mm，增大51.5%，主要原因是支撑架设不及时，导致地连墙变形加大。地铁隧道最大水平位移4.30mm，相对数值模拟结果增加0.57mm，增大15.3%；最大竖向位移3.08mm，相对数值模拟结果增加0.81mm，增大35.6%，主要原因是地铁隧道贯通仅1年左右，自身变形未完全稳定，与深基坑开挖影响叠加导致变形增大。2层浅基础民房近基坑侧最大沉降5.28mm，远离基坑侧最大沉降6.37mm，倾斜度0.03%，与数值模拟结果相当。

结语：

依托深圳市某深基坑工程，利用有限元数值模拟研究了基坑开挖对临近地铁隧道及民房变形的影响，并结合现场监测数据，进一步分析验证了基坑支护设计方案的合理性和安全性，得到主要结论如下：（1）对该地区的类似基坑采用“1m厚地连墙+7道内支撑”的支护体系，能有效控制基坑及周边建（构）筑物变形，满足规范要求；（2）随着基坑逐步开挖，基坑周边地表沉降、支护结构最大水平位移、地铁隧道最大位移及民房沉降均逐渐增大，在开挖至基底时达到最大值；（3）利用有限元分析和现场监测数据相互验证的方法对基坑支护结构体系及周边建构筑物进行综合评估是有效且可靠的，类似工程可参考借鉴。