地下連續墻支護下深基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形影響分析

張煥榮 劉方威 萬淑敏

摘 要：南京某深基坑北側地下連續墻支護距離已經運行的地鐵隧道最小凈距僅為 12m，為控制地鐵隧道變形，在地下連續墻兩側采用三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固。文章以此工程為背景，采用 MIDAS/GTS 有限元軟件，對地下連續墻支護情況下深基坑開挖引起的鄰近地鐵隧道縱橫向位移進行三維有限元數值模擬，通過模擬計算對比分析水泥土攪拌樁加固措施的有效性，以期為類似設計和施工提供參考。

關鍵詞：地鐵;深基坑;地下連續墻;鄰近隧道;變形分析

1 引言

隨著城市地下空間的大力開發和利用，不可避免在地鐵附近進行深基坑施工，由于地鐵隧道等建（構）筑物的存在，導致基坑周邊的環境非常復雜敏感，典型的工程如南京紫峰大廈深基坑周邊有3條主干道，管線密集，距離南京地鐵1號線隧道主體結構最近處僅5m;本文中的南京某深基坑，距離已經運行的地鐵隧道2號線最小凈距僅為12 m，而且周邊分布有基督教堂（文物保護單位）等重要建筑物。對于鄰近地鐵隧道復雜環境中的地下連續墻支護深基坑工程而言，依據三維數值分析等先進技術方法，研究深基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形的影響規律，并提出相應的保護鄰近地鐵措施，這對于解決城市深基坑工程開挖中對既有地鐵等建（構）筑物的控制與保護問題，具有重要的理論和實踐指導意義。

目前，常規支護結構的設計一般多采用規范推薦的平面豎向彈性地基梁法及三維彈性地基板法，這2種方法均可以模擬實際工況并計算圍護結構與支撐體系的內力與變形，三維方法還可同時考慮圍護結構的空間效應，但這2種計算方法由于在計算模型中均無法考慮基坑周邊的重要建（構）筑物，不能直接計算分析其對周邊環境的影響，因此在計算分析深基坑開挖的環境效應時存在一定的局限性。劉國彬等結合軟土基坑隆起變形的殘余應力法和軟土卸荷模量的概念，建立了基坑隆起變形的計算模型，推導出基坑工程底部已運行隧道上抬變形的計算公式，能夠預測基坑底部已運行隧道的上抬變形。在分析深基坑開挖引起的環境效應時，經常采用連續介質有限元方法，該方法將基坑的圍護結構、周邊一定影響范圍內的土體以及某些重要建（構）筑物作為一個整體進行分析，以開挖面上土體地應力的釋放作為開挖時的荷載，并以單元的“生死”來模擬土體開挖以及支撐體系的施工。

本文采用三維有限元方法模擬本工程深基坑的開挖，分析模型主要包括深基坑圍護結構、已運營的地鐵隧道以及一定影響范圍內的土體，根據計算分析得到的結果，在設計中采取相應措施控制地鐵隧道變形。

2 工程概況

南京某工程由主樓、商業裙房以及地下室等組成，其中，主樓共48層，結構總高度為220 m，商業裙房共10層。基坑面積約為12 400 m2，周長約為490 m，地下室基礎底板相對標高為-20.90 m，基坑總體區域開挖深度為22.1 m。場地周邊環境較為復雜，南側為天主教堂（文物保護單位），東側為購物中心（重點建筑物），北側為地下連續墻（距地鐵隧道僅為12m），地鐵隧道采用箱體結構形式，隧道寬度約6.28 m，埋深8.9～9.8 m，如圖1所示。

3 支護設計

基坑周邊采用“兩墻合一”的地下連續墻支護結構，既可以作為深基坑開挖時擋土止水的圍護結構，也可作為地下室的結構外墻。基坑周邊及塔樓區域的地下連續墻厚度為800 mm，北側鄰近地鐵區域及南側天主教堂區域的地下連續墻厚度為1 000 mm，深度為34.1m。鄰近地鐵一側區域的地下連續墻采用三軸水泥土攪拌樁對槽壁進行加固，在外側采用直徑為850mm高壓旋噴樁封堵，先施工地鐵一側的三軸攪拌樁，待其達到強度要求后再施工地下連續墻。坑內設置4道鋼筋混凝土支撐，每道支撐豎向間距按實際工程中的經驗取為h1 = 5.75 m，h2 =4.5m，h3 = 3.5m，h4 = 3.5 m，h5 = 3.6m，深度為20.9m，每道支撐水平間距為10 m，截面尺寸均為800mm×800 mm，靠近地鐵隧道一側支護設計剖面圖如圖2所示。

4 基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響計算分析

4.1 有限元模型建立

基坑開挖的平面尺寸約為170 m×73 m，開挖深度為22.1 m。考慮到基坑開挖對周圍土體以及既有地鐵隧道的擾動，模型側向邊界和底部邊界均延伸至2倍的開挖深度之外。模型尺寸為270 m×200 m×85 m，在可能出現應力集中以及位移變化較大的區域適當加密網格。網格形狀盡量規則，避免出現形狀不好的單元，以防止計算的收斂和結果精度受到影響。模型側面約束水平位移，底面固定，表面自由。土體采用摩爾庫倫模型，既有地鐵隧道采用板單元模擬，地下連續墻采用各向同性的板單元模擬，采用彈塑性無厚度接觸面單元模擬圍護結構與土體之間的相互作用。施工附加荷載的計算長度與基坑開挖北側的長度一致，荷載值取為20 kN/m。三維有限元模型如圖3所示，地下連續墻計算參數如表1所示。

基坑開挖施工的模擬過程共分成12個計算工況，如表2所示。

4.2 基坑開挖計算分析

4.2.1 鄰近地鐵隧道側壁水平位移

由于既有地鐵隧道線路方向與基坑北側平行，因而基坑開挖對既有地鐵隧道側壁的水平位移影響較大。由圖4鄰近地鐵隧道水平位移云圖可知，深基坑開挖至坑底時，鄰近地鐵隧道側壁的最大水平位移為6.24mm，表現為向基坑方向偏移，發生在對應基坑開挖中心位置處附近;隨著遠離基坑開挖范圍，地鐵隧道側壁的水平位移逐漸減小，最后趨向于0。

4.2.2 鄰近地鐵隧道底部豎向位移

基坑開挖對既有地鐵隧道底部的豎向位移同樣影響較大，由圖5鄰近地鐵隧道豎向位移云圖可知，深基坑開挖至坑底時，鄰近地鐵隧道底部的最大豎向位移為6.95 mm，表現為隆起，且發生在對應基坑開挖中心位置處附近;隨著遠離基坑開挖范圍，地鐵隧道底部的豎向位移逐漸減小，且表現為沉降。

以上計算結果表明，鄰近地鐵隧道的最大水平位移與豎向位移均發生在對應的基坑開挖中心位置處附近，隨著遠離基坑開挖范圍，地鐵隧道的水平位移和豎向位移均逐漸減小。

4.3 三軸水泥土攪拌樁加固影響分析

設計過程中，為預估鄰近地鐵隧道一側設置三軸水泥土攪拌樁對于控制地鐵隧道變形的有效性，在另一計算方案中取消了三軸水泥土攪拌樁。2種方案下計算得到的地鐵隧道側壁水平位移和底部豎向位移的結果如圖 6和圖7所示。

（1）由圖6可知，深基坑開挖時，無論是否設置水泥土攪拌樁，鄰近地鐵隧道側壁的水平位移變化趨勢基本一致，但當設置三軸水泥土攪拌樁時，鄰近地鐵隧道襯砌的整體水平位移明顯減小，減小量為2.6 mm。

（2）由圖7知，深基坑開挖時，無論是否設置水泥土攪拌樁，鄰近地鐵隧道底部的豎向位移變化趨勢基本一致，但當設置三軸水泥土攪拌樁時，鄰近地鐵隧道底部的整體豎向位移明顯減小，減小量為2.8 mm。

以上計算結果表明，深基坑開挖時，在鄰近地鐵隧道一側設置三軸水泥土攪拌樁的加固措施，可有效減小既有地鐵隧道的側壁水平位移和底部豎向位移。

5 結束語

深基坑工程對環境的保護要求較高，為此，本工程采取了在地下連續墻和地鐵隧道之間設置三軸水泥土攪拌樁的加固措施。通過對該工程圍護結構和鄰近地鐵隧道的計算分析表明，鄰近地鐵隧道側壁的最大水平位移以及底部最大豎向位移均發生在對應的基坑開挖中心位置處;設置三軸水泥土攪拌樁可以有效控制鄰近地鐵隧道的變形，具體來說，側壁水平位移可以減小2.6mm，底部豎向位移可以減少2.8 mm，滿足規范中對地鐵變形不得超過20 mm的要求，表明設計中采取的相應加固措施合理可行。

參考文獻

[1]戴斌，王衛東，王建華. 緊鄰地鐵隧道超深基坑工程的設計分析與實踐[C]//中國土木工程學會土力學及巖土工程學術會議，2007.

[2]JGJ 120-2012 建筑基坑支護技術規程[S]. 2012.

[3]劉國彬，黃院雄，侯學淵. 基坑工程下已運行地鐵區間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J].巖石力學與工程學報，2001，20（2）：202-207.

[4]王衛東，沈健，翁其平，等. 基坑工程對鄰近地鐵隧道影響的分析與對策[J]. 巖土工程學報， 2006，28（增）：1340-1345.

[5]王紹君，胡永利，凌賢長. 基坑開挖對既有地鐵線路位移影響分析[J]. 施工技術，2010，39（增）：628-631.

[6]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.

[7]曾遠，李志高，王毅斌. 基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究[J]. 地下空間與工程學報，2005，1（4）：642-645.

[8]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）：53-57.

[9]蘇子升. 地鐵車站深基坑施工方式對基坑圍護結構變形影響分析[J]. 現代城市軌道交通，2019（12）：37-41.

[10] 張培森. 基坑開挖對已有地鐵變形影響數值分析[J]. 地下空間與工程學報，2009，5（增）：1375-1378.

收稿日期 2020-03-16

責任編輯 朱開明