基坑相鄰地鐵隧道變形與應力控制措施

徐長節，孫鳳明，陳金友，徐禮閣

（1.浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，杭州310058；2.浙江大學 軟土與環境工程教育部重點實驗室，杭州310058；3.杭州市城東新城建設投資有限公司，杭州310021）

近年來中國在地下工程建設方面十分活躍，很多大中型城市都在不斷的積極利用地下空間。城市中的地下工程主要為地下室的建設，同時以地鐵和地下通道等帶狀分布的地下空間也十分常見。由于城市用地的緊張，這必然導致相鄰工程的相互影響越發突出。這種相互影響的方式以及影響程度應該是分析一個工程問題的焦點。

目前主要以各種位移量的大小作為安全指標，但其大小的界定還沒有統一說法。

文獻［1］通過現場實測資料從隧道沉降，水平位移以及橫向變形等角度探討了基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響。文獻［2］利用經驗分析和數值分析方法分析了基坑開挖對地鐵隧道沉降及變形影響并提出了合理的保護措施。文獻［3］利用三維有限元法詳細討論了基坑開挖影響車站變形的幾項主要施工措施，并指出基坑開挖時合理設置托換樁，進行土體加固和分塊開挖是控制變形的有效措施。文獻［4］利用plaxis模擬了某一臨近地鐵隧道深基坑的開挖，總結了不同工況以及不同施工方式對結構物產生的不同影響。文獻［5］［6］采用整體有限元法分析了深基坑開挖卸荷對臨近已建隧道的影響。文獻［7］通過有限差分數值模擬方法，得到了鄰近大剛度地鐵車站的基坑開挖位移傳遞規律，分析表明了車站結構的存在對基坑變形產生了遮擋作用以及基坑開挖對車站產生背向傾斜等實用結果。文獻［8］詳細介紹了利用plaxis進行基坑開挖模擬的適用性并探討了相關適用條件。

1 工程概況及周邊情況

工程位于杭州市下沙經濟開發區。該基坑東西向長約200m，南北走向約80～100m，如圖1所示。工程±0.000相當于黃海高程6.800m，場地相對標高以－0.400m計。地下為2層汽車車庫，基坑設計開挖總深度為－11.800m。一共分3層開挖，第1次開挖至－2.300m，第2次開挖至－8.900m，第3次開挖至坑底。由于工程的重要性以及周邊環境的復雜性，基坑安全等級確定為一級。

在基坑的北面和西面目前為空地，在基坑南面有一已運行的上下行地鐵隧道。基坑圍護結構距盾構邊緣最近距離約11m，基坑底距盾構隧道頂約2m，如圖2所示。由于基坑開挖導致圍護結構變形從而對臨近地鐵隧道產生不利影響。為了確保地鐵隧道的安全，設計中采取了加強地鐵隧道一側圍護結構剛度，并擬在施工中采取分塊對稱開挖方法。本文利用plaxis有限元軟件動態的模擬整個設計及施工過程，預先分析研究基坑開挖可能對地鐵隧道產生的影響。最后通過和常規施工方法進行對比揭示了基坑所采用的設計和施工方法是合理可行的。

圖2 鄰近隧道的基坑剖面

2 基坑圍護結構

2.1 擋土結構的確定

基坑大部分區域采用型鋼水泥攪拌墻作為擋土結構兼止水帷幕，同時考慮對南側地鐵隧道保護，該側采用大直徑鉆孔灌注樁排樁結合雙排三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕，如圖3所示。型鋼水泥攪拌墻采用進口三軸攪拌設備，樁徑為850mm，中心距為600mm。鉆孔灌注樁樁身混凝土強度等級C25，樁徑1 000mm，中心距1150mm。

圖3 基坑圍護結構平面圖

2.2 支撐體系的確定

考慮到基坑的開挖深度及周邊環境條件，最終采用兩層鋼筋混凝土內支撐。第1道支撐中心標高－1.80m，第2道支撐中心標高－8.40m，第1道支撐截面為900（b）×800（h）mm，第2道支撐截面為1 000（b）×900（h）mm，均采用C30混凝土。

2.3 地下水控制方面

主要采用設置三軸攪拌作止水帷幕進行控制，同時根據相關工程經驗，采用簡易深井降低基坑內外的地下水位。

3 數值分析

采用plaxis有限元軟件對其進行二維模擬分析，所選截面為基坑鄰近隧道側的長邊中點位置的剖面（圖1）。根據所選基坑剖面尺寸大小以及相鄰隧道位置，最終取模型水平向長度為200m，豎向深度為40m。土體的本構模型采用了可以考慮卸載，再加載和初次加載時土體模量不同Hardening－Soil模型（E50為標準排水三軸試驗中的割線剛度，Eoed為主固結儀加載中的切線剛度，Eur為卸載／重新加載剛度）。

表1 土層物理力學指標

每層土體參數選取由地勘報告確定，見表1。圍護結構和隧道襯砌通過plate單元模擬，內支撐采用Anchor單元模擬，最后將結構實際尺寸和材料性質換算成相應的計算參數，詳見表2。

表2 圍護結構及隧道襯砌相關參數

續表2

3.1 兩種不同施工模型的建立

首先模擬了常規施工過程，如表3所示，即采用整體開挖方案。通過先挖土后支撐的分層開挖方式如圖4所示，采用消滅和激活相關單元體來實現此過程。最后模擬了本工程現場實際施工過程，如表4所示，采用分塊對稱開挖每層土體以及快速施工底板等措施來保證工程的安全性。有關文獻以及工程實踐都指出了時空效應原理對工程影響的重要性，因此在每一層土體開挖時，都采用了先挖基坑中間塊土體然后再對稱挖除左右兩塊土體，如圖5～6所示。基坑開挖到坑底時，加速底板施工對保障工程安全性也是十分重要的。

表3 常規施工過程

表4 工程現場施工過程

圖4 分區開挖平面圖

圖5 鉆孔樁 常規開挖施工步8

圖6 鉆孔樁 分塊開挖施工步10

3.2 對比兩種數值分析結果

通過定義相關施工步，2種施工方法的最終變形圖，如圖7～8所示。由圖可知正是因為基坑開挖卸荷作用，從而使圍護結構發生側向變形，坑底發生隆起以及隧道也產生了相應位移。通過比較2個變形圖，可以看出本工程所采用的分塊對稱開挖施工方法能夠顯著的減小相應變形。由于基坑兩側的環境條件以及相應圍護結構剛度的不同，導致兩側圍護結構的側移量也有所差異。

圖7 鉆孔樁 常規開挖最終變形圖

圖8 鉆孔樁 分塊開挖最終變形圖

圖9表達了樁在不同數值分析模式以及實測情況下最終變形。從圖中5條變形曲線可以看出，樁發生最大位移處基本都位于坑底附近。樁的最大位移量在實測，采用鉆孔樁－（分塊開挖：常規開挖）以及采用SMW工法樁 （分塊開挖：常規開挖）分析模式下分別為9.5，11.0，15.2，22.8及26.7mm。實測數據和采用鉆孔樁－分塊開挖分析模式結果具有較好的吻合性，間接證明了本工程所采用的設計和施工方法是安全合理的。由4種不同設計施工方法結果對比得出，采用鉆孔樁 分塊對稱開挖可以顯著的減少圍護結構變形，同時也說明了不同的圍護結構剛度和施工方法的選擇將對結構最終變形影響程度是不同的。相對施工方法而言，采用加強圍護結構剛度能更好的控制其最終變形，所以合理地選擇有關圍護結構形式對工程的安全性是十分重要的。同樣，基于時空效應原理來選擇合理的開挖方式可以進一步減小結構變形，如圖10所示。由圖10、11對比可知基坑兩側的圍護結構變形是不一樣的，原因在于基坑兩側的環境是不一樣的，其中一側圍護結構受地鐵隧道的影響。

圖9 臨近隧道圍護結構最終變形有限元計算結果及實測對比圖

圖10 遠離隧道側SMW工法樁最終變形有限元計算結果及實測對比圖

圍護結構和隧道水平位移隨開挖步變化見圖11，從該圖可以總結出以下幾點：采用分塊對稱開挖時各個結構的最終水平位移值要遠小于整體開挖方式，同時分塊對稱開挖下結構的變形發展速度也相應降低了許多。從不同挖土階段的變形量來看，兩種施工方法都是在開挖第2層土體時產生的變形增量最大，原因在于第2層土體比較厚，開挖卸荷量大所致。由圖12可知，上行隧道最大水平位移在實測，采用鉆孔樁 （分塊開挖：常規開挖）以及采用SMW工法樁－（分塊開挖：常規開挖）分析模式下分別為7.0，6.0，10.1，21.2及23.1mm。從數據結果來看，采用鉆孔樁－分塊開挖數值分析不僅和真實設計施工相吻合而且也證明了此法在基坑開挖時可以很好的控制其變形。從施工現場來看，當該基坑底板施工完畢后，整個基坑圍護結構以及鄰近地鐵隧道的位移得到了很好的控制，由此證明該基坑設計施工是一個成功的例子。

圖11 結構位移隨施工步變化圖

圖12

圖13

由于上行線隧道距離基坑最近，所以選其最終變形進行分析。如圖12（a）所示，隧道產生了近似剛體位移，原因在于隧道襯砌剛度要遠大于其周圍土體剛度。隧道產生變形的根源在于其周圍應力場發生了變化，由于基坑開挖打破了原有應力場，隧道為適應新的應力場必須在位移和內力上有所調整。由圖13可以看出4種不同設計施工方法分別使隧道管片產生了154.3，165.4，190.2，205.8kN·m的彎矩，通過和管片設計容許彎矩180.0kN·m進行對比，說明了目前管片的強度是滿足要求的。

由于基坑開挖導致鄰近隧道產生了位移和附加內力。通過和管片設計容許彎矩值比較，該隧道管片結構強度是安全可靠的。根據實際觀測，在整個地下室施工期間，隧道結構未出現任何裂縫，軌道也未出現明顯變形，證明本工程采取的措施是安全得當的。

圖14 實測隧道沿基坑長邊方向水平位移變化圖

圖14為現場實測上行地鐵隧道沿縱向產生的不同水平位移量，從整體上可以看出位于基坑中部一定范圍內的地鐵隧道產生明顯位移，隨著遠離基坑核心區，隧道的變形也相應的顯著減弱。隧道水平位移的不均勻性將導致其產生彎曲變形，從而使隧道襯砌產生附加內力。目前關于地鐵隧道附加變形警戒值還沒有在相應規范中確定，現在主要還是一些參考類似工程的經驗數據。參照《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》對地鐵安全保護區內的施工項目的要求，地鐵隧道結構絕對沉降量及水平位移不大于20mm。但如何準確合理的確定新建工程對已有建筑物和構筑物的影響成為目前城市建設中很棘手的問題。這個問題不僅關系到工程的安全性，同時也和工程的造價緊密相關。我們認為位移允許值一方面受到正常使用的要求控制，另一方面也應該由結構內力不超過結構設計強度的準則來控制。

4 結 論

以某一相鄰地鐵深基坑為背景，利用有限元軟件對其施工過程進行了數值模擬，通過比較模擬不同施工方法所產生的結果以及和現場實測資料對比，總結出了以下幾點認識。

1）利用數值分析軟件合理模擬現場施工狀況，不僅能夠很好的預測工程安全與否而且可以為設計提供參考；

2）基坑開挖施工中，合理采用分塊對稱開挖方法和加強有關圍護結構剛度能夠很好的控制基坑變形。對于變形控制嚴格的工程來說，采用多種方法聯合使用是十分有效的；

3）關于開挖地下空間對已有建筑物或構筑物的影響，一方面受到正常使用的要求控制，另一方面還應該由結構內力不超過結構設計強度的準則來控制。

［1］蔣洪勝，侯學淵.基坑開挖對臨近軟土地鐵隧道的影響［J］.工業建筑，2002，32（5）：53－56.Jiang H S，Hou X Y.The influence of deep excavation on adjacent metro tunnel in soft ground ［J］.Industrial Construction，2002，32（5）：53－56.

［2］許俊超.深基坑開挖對臨近地鐵隧道影響分析［J］.山西建筑，2012，38（17）：93－94.Xu J C.Analysis on the impacts of deep foundation pit excavation upon subway tunnel ［J］.Shanxi Architechture，2012，38（17）：93－94.

［3］高盟，高廣運，馮世進，等.基坑開挖引起緊貼運營地鐵車站的變形控制研究［J］.巖土工程學報，2008，30（6）：818－823.Gao M，Gao G Y，Feng S J，et al.Control of deformation of operating subway station induced by adjacent deep excavation［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（6）：818－823.

［4］戚科駿，王旭東，蔣剛，等.臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（s2）：5485－5489.Qi K J，Wang X D，Jiang G，et al.Analysis of deep pit excavation adjacent to tunnel ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（s2）：5485－5489.

［5］Dolezalova M.Tunnel complex unloaded by a deep excavation［J］.Computers and Geotechnics，2001，28（3）：469－493.

［6］Sharma J S，Hefny A M，Zhao J，et al.Effect of large excavation on deformation of adjacent MRT tunnels ［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2001，16（2）：93－98.

［7］李志高，曾遠，劉國彬.鄰近地鐵車站基坑開挖位移傳遞規律數值模擬［J］.巖土力學，2008，29（11）：3104－3108.Li Z G，Zeng Y，Liu Guobin，et al.Numerical simulation of displacement transfer law of excavation adjacent metro station［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（11）：3104－3108.

［8］劉小麗，馬悅，郭冠群，等.PLAXIS 2D模擬計算基坑開挖工程的適用性分析［J］.中國海洋大學學報，2012，42（4）：19－25.Liu X L，Ma Y，Guo G Q，et al.Applicability of PLAXIS 2D used for numerical simulation in foundation pit excavation［J］.Periodical of Ocean University of China，2012，42（4）：19－25.

［9］Hsieh P G，Ou C Y.Shape of ground surface settlement profiles caused by excavation［J］.Canadian Geotechnical Journal，1998，35（6）：1004－1017.

［10］Peck R B.Deep excavations and tunneling in soft ground，Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering［C］.Mexico City：［s，n.］，1969：225－290.

［11］Kuesel T R.Tunnel engineering handbook［M］.New York：N.Y.Van Nostrand Reinhold Company Inc，1982.

［12］Crofts J E，Menziest B K，Tarzi A I.Lateral displacement of shallow buried pipe lines due to adjacent deep trench excavation［J］.Geotechnique，1977，15（2）：161－179.

［13］Kojima，Yoshiyuki.Tunnel deformation behavior due to ground surface excavation above the tunnel.［J］.Journal of the Society of Materials Science，Japan，2003，52（8）：958－965.

［14］Sharma J S，Hefny A M，haob J，et al.Effect of large excavation on deformation of adjacent MRT tunnels［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2001，16（2）：93－98.

［15］孔令榮，崔永高，隋海波.基坑開挖對鄰近地鐵變形的影響分析［J］.工程勘察，2010（6）：15－20.Kong L R，Cui Y G，Sui H B.The influence of foundation pit excavation on adjacent metro tunnel ［J］.Geotechnical Investigation ＆Surveying，2010（6）：15－20.