兩側深基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響和保護措施研究

趙良云

杭州市地鐵集團有限責任公司 浙江 杭州 310006

在軟弱土地基中進行超大面積深基坑施工時，易引發對周邊環境的影響[1-2]。地鐵隧道結構作為一種柔性結構，受環境的影響非常明顯，周邊環境的變形會直接在隧道結構上體現出來，造成隧道結構變形與不均勻變形，影響地鐵交通系統正常使用。

基坑開挖之所以會導致鄰近的隧道產生附加應力與變形，是因為開挖卸荷使坑內軟弱土地基產生擾動，擾動后地基土的強度降低、變形性增大，周圍土體原有的應力平衡被打破，進而產生應力重分布[3]。上海地區地基土以淤泥質土為主，針對軟黏土地基中深基坑開挖對地鐵隧道的影響展開了大量的研究工作，提出了一些相應的技術處理措施[4-9]。魏鋼[10]收集了國內14個有關在隧道上方進行基坑開挖的案例，對采取的相應圍護結構進行了介紹。杭州地區正興建大量的地鐵工程，其分布有大量的粉土和淤泥質軟土，在該土層中進行深基坑施工具有很高的風險性，對周邊環境影響也較大。袁靜等[11-12]通過2個案例對杭州粉砂土地基中深基坑施工對鄰近地鐵隧道、車站的影響進行了研究。中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司[13]統計了杭州地鐵沿線周邊共35個基坑工程實例。劉尊景等[14]對文獻[13]中工程案例的各種加固措施和加固措施的適用范圍進行了統計歸納。

目前，關于基坑對地鐵影響的研究多針對單側基坑開挖或上方基坑開挖。本文在總結目前地鐵保護工作現狀的基礎上，提出了針對兩側深基坑同時開挖對鄰近地鐵隧道的保護措施，并對采取該保護措施方案的項目進行了分析研究，以期為鄰近地鐵隧道的兩側深基坑施工和地鐵保護提供指導。

1 工程概況

某項目位于杭州市臨平區南苑街道，東西南北4個方向均為市政道路，為4條道路合圍區塊。總用地面積125 404 m2（包括內部2條規劃道路），杭州地鐵1號線從南向北由中間穿過，將項目劃分為東西二區，東區大面積設置地下1層，東區遠離地鐵隧道位置設置地下2層；西區大面積設置地下1層。東區基坑開挖面積60 970 m2，周長約1 058 m，開挖深度7.20～12.05 m；西區基坑開挖面積37 160 m2，周長約845 m，開挖深度6.70～7.50 m。

本工程場地周邊環境復雜。四周的市政道路下管線較多，距離基坑最近10.1 m；杭州地鐵1號線隧道從項目中間穿過，圍護邊線距離隧道線在9.8～15.7 m之間（凈距），處于軌道交通設施保護區范圍內，目前地鐵1號線處于正常運營階段。基坑周邊環境如圖1所示。根據浙江省標準DB33/T 1096—2014《建筑基坑工程技術規程》的規定和周圍環境的特點，本基坑工程鄰地鐵隧道范圍以及地下2層范圍屬一級基坑工程，其他范圍屬二級基坑工程。

圖1 基坑周邊環境

根據本工程的巖土工程勘察報告，勘察深度內揭露的土層主要為：①1雜填土、②黏質粉土、③1砂質粉土、③2砂質粉土、③3砂質粉土、⑤粉質黏土、⑦粉質黏土混粉砂。

2 基坑圍護方案

2.1 基坑特點和難點分析

綜合分析場地地理位置、土質條件、基坑開挖深度及周圍環境等多種因素，該基坑具有如下特點和難點：

1）地下室距離已運營地鐵隧道近，地鐵隧道的保護是項目成敗的關鍵，一方面保護要求高，另一方面地處高滲透地區，地鐵沿線嚴禁降水，對基坑止水、降水要求也高，項目沿地鐵隧道線長度超過350 m，要求基坑沿隧道必須分塊施工，施工組織難度較大。

2）基坑開挖范圍的土層為高滲透性粉砂土，厚度超過28 m，應選擇合適的止水帷幕，確保止水效果。

3）基坑工程面積超大，總平面面積超過90 000 m2，基坑施工的影響范圍大、施工工期長，對圍護結構變形要求高。

4）基坑周邊環境較為復雜，周邊為市政道路，鄰近已運營地鐵隧道線；同時地下室邊線大部分距離用地紅線近，施工空間有限，圍護結構選型局限性大。

5）局部設置地下2層，圍護設計應充分考慮基坑分期分塊因素，減少分期施工之間的相互影響，確保分期施工的順利實施。

2.2 基坑圍護方案

經過對基坑特點和難點的分析及多方案對比后，采取以下圍護設計和施工保護措施。

2.2.1 圍護設計措施

1）基坑平面長邊尺寸近390 m，基坑施工對圍護結構變形影響大。解決方案為：分坑分塊施工，將基坑工程劃大為小，充分實現基坑的空間效應。沿盾構隧道一側利用工法樁分隔墻設置小基坑，如圖2、圖3所示。基坑靠盾構隧道一側基坑尺寸縮小后，可大大提高土方開挖、支撐以及主體結構的施工速度，基坑的空間效應和實效性大大提高，有利于基坑圍護結構的變形控制。

圖2 項目分區示意

圖3 地鐵隧道與東區、西區小基坑的相對關系

2）地鐵線一側止水降水控制。解決方案為：考慮含水層深厚（接近30 m），基坑施工周期長，沿地鐵盾構隧道一側60 m范圍內均采用可靠的TRD工法止水帷幕，帷幕底進入相對隔水層（⑤粉質黏土層），避免降水對盾構隧道的不利影響。同時地鐵盾構側嚴禁坑外降水。

3）地鐵線一側圍護結構變形控制。解決方案為：沿盾構隧道一側，圍護邊線距離結構墻300 mm，該范圍采用大直徑鉆孔灌注樁，保證了圍護結構控制變形所需的剛度；底板墊層設置配筋墊層，利用時間效應可在坑底位置短期形成有效的支撐，進一步減少變形。

4）拆撐工況的變形控制。解決方案為：為減少支撐拆除工況對圍護結構的應力變形影響。在底板位置設置一定的斜向傳力帶換撐，進一步控制圍護結構總位移，減小基坑施工對隧道的變形影響。

2.2.2 施工保護措施

1）沿盾構隧道一側的圍護結構施工保護措施。沿盾構隧道一側的圍護結構施工之前，應設置測斜管等監測點，實施監控圍護結構施工對地鐵的影響，并動態調整施工方案。該側需控制圍護結構施工速度。重視TRD及圍護樁成樁過程對地鐵盾構隧道的影響，帷幕及鉆孔樁施工采取防坍孔措施，嚴格控制水泥土及泥漿的相對密度，避免樁成孔施工過程中對地鐵隧道造成不利影響。

2）沿盾構隧道一側的土方開挖保護措施。鄰近地鐵盾構隧道小基坑的每層挖土深度不得超過1.5 m。小基坑的土方應間隔跳挖施工，每塊間隔長度不得大于20 m。開挖至坑底后，應在12 h內完成墊層施工。大基坑距離盾構隧道最近范圍（50 m保護范圍內）的基坑土方開挖時，施工單位仍應發揮基坑的時空效應，劃大為小。基坑開挖到底后，應及時施工混凝土墊層。

3）沿盾構隧道一側的圍護結構拆除保護措施。圍護樁與地下室外墻側壁之間應采用素混凝土回填密實，支撐拆除時應采用振動較小的靜力切割方法進行。

3 兩側深基坑開挖對地鐵隧道的影響研究

本工程場地是一個4條道路合圍區塊，杭州地鐵1號線從中間南北向穿過，但周邊道路位移沉降不是本工程的關鍵。隧道為柔性結構，易因外荷變化產生位移，極易因不均勻沉降或側向位移造成隧道滲漏。因此，控制隧道不均勻沉降和側向位移，是本工程關注的重點。

針對這個問題，展開了對地鐵隧道變形的二維和三維有限元分析。

3.1 有限元分析

為確保基坑施工期間隧道的安全。分別采用二維和三維Plaxis有限元軟件對基坑開挖的環境影響進行了分析。

3.1.1 二維Plaxis數值分析

模型尺寸為180 m（寬）×50 m（高）。土體采用Plaxis自帶的土體硬化（HS）模型。本次分析模型中對左線隧道、右線隧道一并進行了模擬。地鐵隧道外徑6.2 m、壁厚350 mm。圍護樁按照抗彎剛度相等的原則等價為一定厚度的地下連續墻進行內力分析。隧道襯砌及等效后地下連續墻，采用板單元模擬；水平支撐采用點對點錨桿單元模擬；止水帷幕采用土多邊形模擬。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定，兩側約束條件為水平方向固定、豎直方向自由。地面超載取20 kPa，影響范圍為坑邊10 m范圍。

計算結果顯示，隨著開挖深度增加，基坑影響范圍逐步擴大，影響深度逐步加深。距離圍護結構越遠，影響越小。左線隧道最大水平位移4.04 mm、豎向位移4.60 mm，右線隧道最大水平位移4.20 mm、豎向位移3.88 mm。基坑開挖對盾構隧道的影響均處于可控范圍，隧道最大水平位移及最大沉降均滿足軌道交通設施二級變形控制等級的控制值要求。

3.1.2 三維Plaxis數值分析

為準確分析基坑開挖對周邊地鐵隧道產生的影響，并考慮基坑開挖的空間效應及隧道的曲率變化，采用大型有限元分析軟件Plaxis 3D按連續介質有限元方法進行模擬分析。根據基坑開挖對隧道的影響范圍，東、西2個大區建立在同一模型中，選取計算模型尺寸為460 m（X方向）×450 m（Y方向）×33 m（Z方向），不利工況計算結果顯示，模型邊界有效主應力未發生明顯偏轉，模型尺寸合理可行，如圖4所示。本次模擬土體材料本構模型采用土體硬化模型（HS模型）。隧道襯砌、支護結構、建筑結構底板、防滲帷幕、噴射混凝土面層等均采用板單元模擬，支撐采用梁單元模擬，并且均采用彈性材料進行計算。根據基坑支護設計，設置模擬計算工況見表1（其中項目分區見圖2）。

圖4 三維計算模型

計算顯示，基本規律同二維計算結果相似。地鐵隧道的豎向位移隨著開挖工況的不斷發展而不斷增大（沉降），但是地鐵隧道右線水平位移從工況1到工況7向東側基坑內不斷增大，而從工況8到工況11則不斷減小；地鐵隧道左線水平位移從工況1到工況7向東側不斷增大，從工況8到工況11則向西側基坑內不斷增大。隧道斷面變形情況見圖5。周邊環境的變形云圖見圖6。右線隧道最大水平位移（向東）2.18 mm、豎向位移（沉降）0.66 mm，最小曲率半徑125 000 m，最大徑向收斂1.45 mm；左線隧道最大水平位移（向東）0.97 mm、（向西）1.38 mm、豎向位移（沉降）0.55 mm，最小曲率半徑400 000 m，最大徑向收斂0.95 mm。基坑開挖對盾構隧道結構的影響均處于可控范圍，各項安全控制指標均符合要求。

表1 模擬計算工況

圖5 隧道斷面變形

圖6 總位移云圖

3.2 實測數據分析

為了解基坑工程施工過程中支護結構及周圍土體的受力與變形情況，特別是確保已處于運營階段的地鐵1號線盾構隧道的安全可控，應重點對已建成的隧道道床沉降、道床水平位移、隧道橫向收斂等進行全程監控。

根據最終監測報告，盾構隧道各監測項目最大累計變化量：道床沉降3.0 mm、道床水平位移－3.8 mm、隧道橫向收斂13.7 mm。從各監測項目累計變化量來看，本項目基坑工程施工對保護范圍的地鐵區間盾構隧道造成了不利影響，施工期間共發生4次預警或報警，隧道橫向收斂較為嚴重。

東1、西1區底板完成日期為2018年5月3日；東2、西2區底板完成日期為2019年1月28日；東3區底板完成日期為2019年3月1日；地下室結構完成日期為2019年11月6日。

基坑開挖引起隧道道床上浮最大值為3 mm。東1、西1區基坑開挖影響較為明顯，隧道道床上浮量占最大量的90%；其他區的施工也使隧道道床上浮，并且因為開挖區域大、面積廣，對隧道的影響范圍擴大，表現為兩端上浮增量相對較大。

對于道床水平位移，當東區和西區底板施工全部完成時，右線和左線隧道道床“正常”向東和向西位移，累計值亦分別為向東和向西，最大為－3.8 mm和2.6 mm。

隧道橫向收斂累計變化量沿里程變化曲線見圖7。東1區和西1區基坑開挖對隧道橫向收斂影響較大，對于隧道中段來說，這一階段隧道產生的橫向收斂占總量約50%。

圖7 隧道橫向收斂累計變化量沿里程變化曲線

雖然基坑的東2、東3、西2區開挖大部分在離盾構隧道50 m以外，但對盾構隧道橫向收斂的影響仍較為明顯。對于隧道中段來說，這一階段隧道產生的橫向收斂仍占總量的50%以上。

對比基坑施工對盾構影響的關鍵值——隧道道床沉降、道床水平位移、隧道橫向收斂，計算值和實測值相差較大，特別是隧道橫向收斂值。究其原因，有限元數值分析的施工順序更為合理，東區施工完成后再施工西區，而實際施工時盾構隧道兩側基坑對稱同步進行開挖，并且在時間和空間上也沒有錯開進行，加重了對盾構隧道局部區段的影響，造成薄弱環節，產生更大的不利影響。加上基坑開挖到底之后，墊層、底板施工進度偏慢，工序搭接不良等情況導致未較好地控制盾構隧道上浮，也是橫向收斂偏大的原因。

4 結語

以杭州某地鐵隧道兩側深基坑項目為例，介紹了地鐵隧道兩側深基坑開挖采取的保護措施，以及采用的多種分析方法，并對實測數據進行了分析，得出以下結論：

1）本文采用二維、三維數值模擬等手段，研究兩側深基坑開挖對鄰近地鐵隧道保護措施的效果。通過多種分析方法，理論表明現行基坑圍護整體方案可滿足地鐵盾構隧道控制標準的要求。

2）軌道交通結構保護監測顯示，基坑開挖導致的道床沉降和水平位移均滿足地鐵隧道的控制標準，但是隧道橫向收斂累計變形量偏大，且分坑分塊施工效果不顯著，沿盾構隧道一側利用工法樁分隔墻設置的小基坑、大基坑施工產生的橫向收斂各占總量50%左右。

3）軌道交通控制保護區內，施工順序的選擇應仔細考慮。盾構隧道兩側存在基坑，不宜對稱同步開挖施工。宜在一側底板完成后再進行另一側施工，并且在時間和空間上錯開進行。否則易加重對盾構隧道局部區段的影響，造成薄弱環節而引發更大的不利影響。

4）數值模擬是一種理想化的分析手段，無法考慮施工因素等方面的影響，實際施工過程中，施工單位應結合圍護設計單位提出的施工要求，根據基坑和盾構隧道的監測結果，確保圍護結構的施工質量；同時動態調整施工方案，配合圍護設計單位的設計措施，確保地鐵運營安全。