樁錨深基坑開挖引起鄰近地鐵隧道變形的研究

宋勝利，申付新，王 凱，楊文峰，趙桐德

（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

0 引言

隨著城市建設高速發展，城市軌道交通網越來越密集，高層建筑物在既有運營地鐵隧道區間周邊的新建逐漸增加。為減少深基坑開挖對運營地鐵的影響，對基坑支護要求不斷提高，其支護結構在滿足自身安全的同時還要保證鄰近地鐵線路的正常運營。所以要對基坑開挖過程中地鐵隧道的變形情況進行研究，將其控制在允許范圍內十分必要[1-3]。為保證鄰近深基坑地鐵的正常運營，必須考慮基坑開挖對隧道的變形影響，并進行全程監測和采取相關控制措施[4]。

深基坑工程自身具有復雜性，且開挖過程受時空效應影響明顯，這增加了深基坑開挖對相鄰隧道影響規律研究的難度。為此，國內眾多學者就深基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響進行大量研究分析，并取得寶貴的研究成果。王衛東等[5]對南方軟土深基坑進行研究，并通過數值模擬方法分析基坑開挖卸載對地鐵隧道區間變形的影響；王立峰等[6]研究發現隧道管片的變形隨埋深的不同而呈現不同的變形模式；宋曉鳳等[7]認為深基坑開挖時，基坑側壁與隧道的水平凈距為2倍的開挖深度是一個臨界值，可將基坑開挖影響范圍分為強影響區和弱影響區，并隨著基坑側向支撐強度的增加，雙排樁較單排樁對隧道水平變形的抑制作用增強；戚科駿等[8]研究發現隧道變形與基坑開挖存在明顯的時空效應，且隧道變形明顯滯后于基坑開挖；杜江濤等[9]采用數值模擬與現場監測數據結合進行對比分析的方法探究隧道變形規律；劉庭金等[10]在分析樁錨深基坑引發地鐵盾構隧道病害的原因時，發現樁錨支護導致地鐵隧道附近土體產生松動區，地鐵隧道斷面出現“橫橢圓形”變形趨勢。

雖然眾多學者對于基坑開挖過程中對鄰近隧道的應力及變形進行了研究，但隨著城市用地的緊張，房屋建筑與地鐵線路之間的關系也逐漸復雜，二者的距離也越來越小，所以對于樁錨深基坑開挖對鄰近地鐵隧道的變形還有待繼續研究。

本文以北京地區某鄰近地鐵隧道采用樁錨結構支護的深基坑開挖為工程背景，通過數值模擬和現場實際監測數據相結合的研究方法，探究樁錨支護深基坑開挖對鄰近地鐵隧道的變形規律。

1 工程概況

1.1 基坑及地鐵隧道區間概況

某工程處于北京市通州區運河核心區，總用地面積28 847m2，其中建設用地面積17 815m2，擬建3棟寫字樓、1棟單身公寓，寫字樓地上23層，公寓地上24層，地下室均為3層。基坑大致呈矩形，長103.23m，寬42m。擬建場地地形較平坦，開挖深度16.76～17.76m，靠近地鐵隧道側的開挖深度較小，約16.76m。鄰近已運營的地鐵6號線二期工程通運門站—北運河站區間。隧道左線距離基坑較近，右線為遠側，左右線隧道水平相距13m。基坑側壁距離用地紅線4.0m，距離地鐵隧道管片19.5～21.0m。基坑與地鐵相對位置如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵相對位置

1.2 鄰近地鐵側支護概況

此基坑支護為臨時支護結構，設計使用年限為1年，基坑側壁安全等級為一級，鄰近地鐵隧道的基坑側壁支護深度16.76m，采用“樁錨支護體系”。護坡樁長23.50m，樁徑800mm，樁間距1 400mm，樁身混凝土為C25，樁身混凝土保護層厚50mm。樁間布置4道預應力錨桿，既有地鐵區間隧道采用盾構法施工，隧道底部埋深為13.8～15.3m，隧道的掘進設備采用直徑6 280mm的土壓平衡盾構機，采用厚300mm的C50預制混凝土管片襯砌，地鐵側基坑樁錨支護結構如圖2所示。

1.3 土層力學參數

根據現場原位試驗與室內土工試驗成果的綜合分析，主要土層的物理力學參數如表1所示。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型基本假定

1）假定計算模型初始應力只考慮土體自重，固結早已完成。

圖2 地鐵側基坑支護

表1 各土層參數指標

2）假定止水帷幕隔水效果良好，且地下水不作為此次研究問題的重點，故不考慮地下水的影響。

3）假定本基坑支護結構、6號線地鐵隧道結構及土體之間變形協調。

4）假定土體均質，為理想型彈塑性體，各土層水平分布，樁錨支護結構按照彈性材料考慮。

5）假定以最不利因素分析，地鐵區間結構自重與土體自重計算荷載均以最不利情況考慮；基坑周圍的堆載按照20kPa計算。

2.2 計算模型簡化

通過利用FLAC3D軟件模擬該基坑開挖對已運營6號線隧道的作用。考慮到本基坑工程量巨大，若建立完整的模型計算耗時又費力，并且研究重點是2-2剖面的樁錨支護結構側。最終確定模型尺寸為長70m，高35m，寬9m。隧道襯砌可采用實體單元模擬，取混凝土密度，彈性模量按照鋼筋混凝土進行相應提高。實體單元為開挖土體及周圍土體；結構單元為冠梁、圍梁、護坡樁、錨桿。模型共23 180個節點，19 737個單元。

2.3 模型材料參數

根據基坑工程實際情況及對北京地區土體的分析經驗，將數值模擬土體本構模型定為Mohr-Coulomb模型，基坑支護錨桿和護坡樁設計參數如表2，3所示，其中錨桿直徑均取150mm。

表2 錨桿參數指標

表3 護坡樁參數指標

2.4 施工工序模擬

1）工況1 在地面施作護坡樁及澆筑冠梁等。

2）工況2 從地面向下開挖深度為2.8m，即為布置第1排預應力錨桿下0.5m處。

3）工況3 從此時的坑底繼續開挖3.3m深至布置第2排預應力錨桿下0.5m處。

4）工況4 從此時的坑底繼續開挖4.0m深至布置第3排預應力錨桿下0.5m處。

5）工況5 從此時的坑底繼續開挖3.5m深至布置第4排預應力錨桿下0.5m處。

6）工況6 從此時的坑底繼續開挖3.2m深至基坑底，同時澆筑基坑底板。

2.5 相關變形控制規定

本工程基坑安全等級整體按一級考慮，鄰近地鐵側采取變形加強控制，樁頂水平及豎向位移控制值為20mm，報警值為16mm，變化速率3mm/d。依據地鐵軌道相關的規范規定：地鐵隧道水平位移和豎向位移預警值限制在10mm之內，控制值均限制在20mm之內。基坑監測點布置如圖3所示。

圖3 地鐵側基坑監測點布置

3 模擬結果與監測結果對比分析

3.1 數值模擬可靠性分析

首先檢驗數值模擬的擬合性，將數值模擬計算的2-2剖面支護樁基坑側壁的水平位移計算值與基坑支護樁現場監測數據結合對比，可直觀發現護坡樁水平位移的變化趨勢，如圖4所示。

圖4 水平位移對比

由圖4可知，護坡樁水平位移曲線與監測數據曲線走勢很接近，變化規律高度一致。數值模擬水平位移最大值為8.91mm，現場監測水平位移最大值為9.32mm，均在控制值范圍以內，說明此基坑樁錨支護可保證基坑自身使用安全，且數值模擬計算的簡化沒有問題，材料參數取值符合實際情況，可通過該模型研究對鄰近地鐵隧道產生的變形影響。

3.2 地鐵隧道斷面豎向分析

3.2.1 變形情況

利用已建模型對將各工況引起地鐵隧道斷面變形進行分析，發現豎向變形最大值均發生在隧道靠近基坑側，可直觀表現變形狀況，方便研究其規律（見表4）。

表4 左線隧道豎向最大變形值

由表4可得出數值模擬地鐵隧道的豎向變形隨著工況開挖逐漸增大，最大豎向位移發生工況6，數值為0.880mm。逐步工況分析，由工況1可知，鉆孔灌注樁和冠梁的施工對地鐵隧道影響微小，可忽略不計。工況2的隧道豎向變形出現下沉。左線地鐵上部受壓，發生下沉，同時底部也發生下沉。分析此原因，由于基坑開挖尚很淺，土體卸載對地鐵隧道影響不是很明顯。隨著第1道錨桿打入施工，錨桿錨固段距離地鐵隧道約3.4m，錨固段到達隧道正上方，隧道上方周圍土體整體與預應力錨桿協同工作。錨固端土體對隧道有向下壓迫趨勢，土體擾動加上土體承載力降低，導致其出現下沉，并未因隧道位于基坑下側隨開挖導致其上浮。

工況3～6中地鐵隧道左線橫斷面位移均表現為整體上浮，最大位移發生近基坑側，隧道發生一定角度的扭轉。

3.2.2 變形原因分析

第2道錨桿的錨固段與隧道凈距為1.8m，地鐵隧道左側土體與錨桿的協同工作導致部分土體受到擾動，整體有向左位移的趨勢，形成土體松動區，對地鐵卸載較明顯，隧道出現偏左上方向的上升位移。伴隨著工況4開挖完成，基坑開挖深度已接近于地鐵隧道的埋深。隨著第3道錨桿打入后，錨桿的錨固段已深入地鐵隧道下方，在土體與錨固段相互作用機理下，使隧道有向上抬起的趨勢，從而左線隧道產生了左側明顯高于右側的上浮。同理，第4道錨桿的打入，隧道受到的向上分力增大，土體卸載非常明顯，上浮趨勢也增加。最終，基坑開挖到底并澆筑底板，隧道豎向位移達到最大值，由于預應力錨桿與基坑周邊土體的協同受力，基坑開挖深度遠超過隧道埋深，此時地鐵隧道受土體開挖卸載影響明顯，隧道未出現下沉，仍處于上浮狀態。

總之，鄰近深基坑的地鐵隧道，隨著基坑的開挖，靠近基坑一側的隧道豎向變形明顯大于遠離側。左線隧道整體處于上浮狀態，隧道近基坑側壁豎向位移較遠離側大，豎向被擠壓，隧道橫斷面產生一定角度的扭轉，方向指向基坑開挖側。

3.3 地鐵隧道斷面水平方向分析

將數值模擬計算的各工況引起地鐵隧道斷面橫向變形累計最大值進行統計，如表5所示。

表5 左線隧道水平向最大變形值

該基坑施工完畢后，經模擬計算可得最大橫向位移同樣發生工況6，亦發生在隧道靠近基坑的一側，橫向變形最大值為2.520mm。由工況1可知，鉆孔灌注樁和冠梁的施工，對地鐵隧道影響微小，可忽略不計。由工況5～6可知，隧道水平位移發展較快，差值為1.185mm，應引起注意。

隧道隨著基坑開挖深度增加，隧道整體向基坑方向水平位移越來越大。分析工況6水平位移發展迅速的原因，工況5完成后，繼續開挖3.2m，此時基坑開挖深度已超過隧道埋深，地鐵隧道受土體開挖卸載非常明顯，樁錨支護與土體協同工作，有整體向基坑的運動趨勢，導致隧道水平位移增加較大。

綜合分析可知，左線地鐵隧道左側壁位移明顯大于右側，整體向基坑側位移，隧道橫斷面被水平拉伸，但發生一定角度的扭轉，沿徑向指向基坑開挖位置。

3.4 隧道位移監測結果分析

基坑開挖施工期間，對地鐵6號線隧道左線進行實時監測，以水平和豎向位移為主。2-2斷面監測點布置如圖5所示。

圖5 隧道監測點布置

通過隧道豎向位移最大值監測圖發現，隧道豎向位移隨基坑開挖深度增加而上浮變大，增大到最大值為1.036mm，當澆筑底板完成，豎向變形最大值為0.912mm，減少0.124mm，之后趨于穩定。基坑開挖整個過程中，地鐵左線隧道最終最大豎向變形值為0.912mm，與數值模擬計算最大豎向位移值0.880mm相差很小，進一步驗證模型數值模擬基坑工程支護的合理性。

由隧道豎向位移最大值監測圖可知，隨著基坑開挖的進行，開挖深度越來越大，隧道水平位移后期增長較快，基坑開挖完成累計最大水平位移值為2.868mm，混凝土底板澆筑后，隧道水平位移減少0.261mm，之后為2.607mm基本穩定不變。對比數值模擬計算的地鐵隧道最大水平位移值2.520mm，說明基坑的樁錨支護結構體系滿足要求。

綜合隧道水平位移與沉降分析，當基坑開挖完成澆筑底板后，地鐵隧道的水平和豎向變形都有所降低，對于深基坑開挖，應當合理控制開挖深度，減少基坑暴露時間，及時澆筑基坑底板可有效控制鄰近地鐵隧道變形。

總之，綜合分析以上數值模擬水平及豎向位移圖和現場監測的數據分析，對照數值模擬開挖到基坑底部的總位移可直觀看出樁錨支護對于周圍土體及地鐵隧道受基坑開挖的影響趨勢。綜合研究發現，除工況1～2外，隧道基本整體發生上浮。隨著深基坑開挖，靠近基坑一側的隧道變形明顯大于遠基坑側的隧道，且靠近基坑的側壁位移大于遠離基坑一側。由地鐵隧道變形的數據分析，地鐵隧道最大水平位移值遠大于豎向位移值。可得基坑開挖過程中隧道橫斷面的變形規律：橫向發生拉伸，豎向被擠壓，呈現橫橢圓形，隨著開挖工況不同，隧道出現一定角度的扭轉。

4 結語

1）深基坑的樁錨支護對鄰近已運營地鐵隧道影響較大。鄰近深基坑的地鐵隧道，隨著基坑的開挖，靠近基坑一側的隧道變形明顯大于遠離的一側，且隧道靠近基坑的側壁位移大于遠離基坑一側。樁錨支護的錨固段距離地鐵隧道較近，錨桿與土體協同工作，導致隧道整體產生上浮。

2）由數值模擬與現場監測數據對比分析，驗證數值模擬模型的簡化合理可行，該基坑采用樁錨支護體系可保證基坑自身安全使用。對于深基坑開挖，應當合理控制開挖深度，減少基坑暴露時間，及時澆筑基坑底板可有效控制鄰近地鐵隧道變形。

3）鄰近深基坑的地鐵隧道水平方向位移影響大于豎向位移。隧道橫斷面在豎向產生壓縮，橫向發生拉伸，呈橫橢圓形，隨著開挖工況，沿徑向指向基坑開挖位置，并產生一定角度的扭轉。該研究可為后續鄰近地鐵隧道的深基坑開挖提供參考。