深基坑施工對毗鄰地鐵的影響研究

翟永勇 周子瑜 鄔建華 濮仕坤

1. 南京勘察工程有限公司 江蘇 南京 210007；2. 陸軍工程大學國防工程學院 江蘇 南京 210007；

3. 黑龍江省人防設計研究院 黑龍江 哈爾濱 150000

地鐵保護區范圍內的深基坑開挖給地鐵隧道的安全帶來不可避免的影響。徐中華[1]、王衛東等[2]、張治國等[3]、丁勇春[4]、劉杰等[5]、高廣運等[6]、魏綱[7]、黃茂松等[8]均對此有過論述。既有文獻基本上都是從開挖深度和基坑開挖影響范圍這2個因素對地鐵的影響進行分析。本文將結合實際工程，考慮初始地應力、開挖步驟、地層物理參數、施工降水等諸多因素，利用數值分析的方法，深入研究大型基坑開挖及施工降水時對既有隧道周圍土體的影響，對確保基坑施工和地鐵運營安全有很好的指導意義。

1 工程概況

1.1 項目概況

本工程由7棟12ü 18層體型復雜的綜合樓組成，樓下及樓間設置3層（局部為4層）整體地下室。采用框架或框架-核心筒結構，基本柱網尺寸為9 mh 9 m。擬采用天然地基上的獨立基礎或筏板基礎。

整個基坑分A、B 地塊開挖施工。A 地塊基坑開挖面積約21 300 m2，周長約730 m，基坑開挖深度為15.25～23.45 m；B地塊基坑開挖面積約10 800 m2，開挖深度為22.15～23.20 m。

基坑與地鐵隧道距離緊密，圍護樁外邊緣與地鐵軌道交通保護線距離為7.40 m，圍護樁外邊緣與地鐵軌道主體結構邊線距離為12.45 m。地鐵隧道管片厚度250 mm，隧道半徑2.20 m，管片中心埋置平均深度為19.80 m。

基坑分2次開挖：A地塊先開挖，B地塊后開挖，中部為預留土壩，待最后開挖（圖1）。

圖1 基坑A、B地塊分布

1.2 地質水文概況

擬建場地土自上而下依次為人工堆土層，其下一般為①全新世早期沖積相成因土層，土質以粉質黏土為主；②中、晚更新世沖洪積、殘積相成因土層，土質以粉質黏土混卵石為主，骨架顆粒多為石英質巖，孔隙被可-硬塑狀粉質黏土充填；③白堊紀葛村組沉積巖，其土質以全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖為主。

擬建場地地下水類型屬潛水，主要賦存于表層填土中。潛水的補給來源主要為大氣降水，其次為生產、生活用水的排放，以及管道滲漏。現場測得其初見水位埋深3.3～3.5 m。

2 基坑支護方案

場地周圍建筑密集，施工作業面狹窄，且開挖深度深、面積大，考慮圍護結構與土體的時空效應的受力特點，以 安全可靠、經濟合理、技術可行、方便施工 的原則，確定相應支護方案為內支撐和灌注樁支護結構。

整個基坑支護結構采用旋挖灌注樁，水平方向采用4層（局部3層，局部第1層設置鋼管支撐）鋼筋混凝土支撐支護形式，垂直方向設置格構柱。這種支撐體系有可靠性高、剛度大、變形小以及可有效控制軟土沉降等優點，基坑支護平面如圖2所示。

圖2 基坑內支撐平面示意

3 基坑三維模型的建立

3.1 建立基坑三維模型

根據現場工程地質條件建立有限元模型。水平方向：坑外部分自鉆孔灌注樁向外延伸70 m；豎直方向：自坑底向下延伸22.5 m；模型總尺寸為380 mh 300 mh 45 m（長h 寬h 高）。鉆孔灌注樁等效為地下連續墻，采用板單元模擬；地鐵管片采用板單元模擬；支撐采用梁單元模擬。總單元數為88 243個，節點數為15 322個（圖3、圖4）。

圖3 整體三維有限元模型

圖4 基坑支護模型

3.2 模型幾何參數

1）旋噴灌注樁。模擬基坑開挖過程中生成閉合止水帷幕，可以根據剛度等效的原則將旋挖樁轉化為一定厚度的地下連續墻，則由等剛度轉換原則可得式（1）[9]：

當D=1.10 m、t=0.20 m時，經上式計算得h=0.87 m。

2）立柱。本工程立柱采用的材料為160 mmh 12 mm型號角鋼4根。為簡化模型，在建模時采用方形混凝土柱代替角鋼[10]，考慮混凝土立柱的不利受力狀態，且該尺寸通常由軸心受壓和受彎2種內力控制，經計算后將其尺寸確定為1 100 mmh 1 100 mm。

As shown in Fig. 6, the self-heating effect is modeled with the thermal network. In detail, the self-heating effects model is expressed as[21]

3）內支撐。內支撐尺寸如表1所示。

表1 內支撐尺寸參數

3.3 開挖施工過程模擬

本文研究重點為基坑開挖完成后既有地鐵的變形情況，因此，在進行建模分析時，對施工步驟進行相應簡化。需根據實際施工情況來設計模擬開挖步驟。本基坑分2次開挖，綜合考慮施工最不利情況，模擬工序分為18個階段：場地初始滲流分析；場地初始應力分析；修建地鐵隧道；設置圍護結構與立柱；第1次降水及變形分析；基坑開挖至－2.20 m；設置第1道內支撐，基坑開挖至－8.15 m；第2次降水及變形分析；設置第2道內支撐，基坑開挖至－12.95 m；第3次降水及變形分析；設置第3道內支撐，基坑開挖至－17.75 m；第4次降水及變形分析；施作第4道內支撐，基坑開挖至底；開挖預留土壩至－2.20 m；設置預留土壩區域第1道內支撐，并開挖至－8.15 m；設置預留土壩區域第2道內支撐，并開挖至－12.95 m；設置預留土壩區域第3道內支撐，并開挖至－17.75 m；設置預留土壩區域第4道內支撐，并開挖至底。

4 數值模擬結果及分析

4.1 支護結構變形及內力分析

1）近地鐵側圍護結構變形分析。圖5為基坑開挖至底時近隧道側的地下連續墻水平位移云圖。由圖可知，地下連續墻向基坑內發生一定位移，最大位移在墻體中下部。留土壩圍護結構邊線中點處，沉降變形曲線呈典型的 魚腹 形。沉降變形隨著開挖深度的增加依次增大，最大沉降量為4.5 mm，位于坑外21 m左右，該位置基本與隧道拱頂位置相對應，表明地表沉降溝與隧道位置有密切聯系。

圖5 A、B地塊近隧道側圍護結構變形云圖

圖6和圖7分別為A、B地塊基坑開挖過程中近隧道側地下連續墻中心截面的水平位移變化曲線。由圖可知，隨著基坑開挖深度的增加，圍護結構向坑內的位移逐漸增大，當位移達到峰值后，基坑的開挖使位移有減小的趨勢，墻體位移曲線呈現中間大、兩頭小的拋物線形，最大水平位移分別為19.1 mm和16.3 mm，圍護結構的變形最終控制在較小的范圍內，滿足工程的安全要求。

圖6 A地塊近地鐵側圍護結構變形曲線

圖7 B地塊近地鐵側圍護結構變形曲線

分析圖6、圖7可知，隨著中間預留土壩開挖，會使圍護結構的側向變形逐漸變大，但這種影響效果十分微小，當基坑開挖5至基坑開挖8完成后，圍護結構側向變形和基坑開挖4時的變形基本相同，變形增量僅為1.91 mm。

2）近地鐵側地表沉降變形分析。圖8為基坑開挖過程對應的坑外地表沉降曲線，其位置位于近地鐵側基坑預

圖8 近地鐵側地表沉降隨基坑開挖深度變形曲線

圖9為立柱沉降變形分析圖。模擬結果顯示各個立柱最大的沉降值為0.93 mm，未超過1 mm的規范值。此沉降不會對基坑產生較大影響，可以滿足基坑安全要求。

圖9 立柱沉降變形

4.2 地鐵隧道變形分析

考慮該基坑平面有較大的凹凸不規則處，且與側方地鐵管線走線相對彎曲，故選取如圖10所示的A-A截面進行分析計算，其位置為預留土壩最后開挖區域近地鐵側的圍護結構中點處。

圖10 隧道變形分析截面

圖11為基坑開挖至底時盾構隧道的水平及豎向位移云圖。由圖可知，在豎向方向上，隧道各點均向下移動；在水平方向上，隧道各點均向基坑方向移動。其整體位移處于向斜下方變形的趨勢。將位移合成為如圖12所示的示意圖，可較為直觀地觀察到隧道變形趨勢，其最大位移位置大致處于分析截面A-A處。

圖11 基坑完全開挖時的隧道變形

圖12 隧道位移

現對控制截面A-A各個關鍵控制點的水平位移及豎向位移進行分析，如圖13所示。模擬的各個關鍵控制點在平面內的位移變形如表2所示。

圖13 A-A各個關鍵控制點位置分布

表2 各個關鍵控制點位移

由上表可知：當基坑完全開挖后，A、B在X方向相對位移為0.1 mm，A、B在Y方向相對位移為3.7 mm，C、D在X方向相對位移為4.1 mm，C、D在Y方向相對位移為－0.1 mm，隧道變形后呈現Y向收斂而X向擴張的 鵝蛋形 ，該變形滿足CJJ/T 202ü 2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》的安全要求。

5 結語

1）在基坑開挖過程中，最大變形位置基本位于近地鐵側圍護結構中點處，且變形程度隨基坑開挖深度的加深而增大，地鐵整體位移趨勢呈現為向基坑方向斜下方移動。

2）基坑開挖卸荷使地鐵管片產生附加彎矩，這種附加彎矩由變形產生，對地鐵管片呈現出壓扁效應，即基坑開挖對沉降變形的影響更為明顯，對橫向變形的影響稍弱。

3）近地鐵側地表沉降峰值位置基本位于地鐵隧道中心線正上方，說明地鐵的存在改變了基坑外場地土沉降槽的位置，且地表沉降變形呈現 魚腹 狀，在距離近地鐵側基坑邊緣3倍深度位置，沉降值大致為沉降峰值的一半。

4）隨著基坑開挖，圍護結構變形逐漸增大，當變形達到峰值后，位移隨基坑開挖深度的增加而減小，同樣呈現魚腹 狀，在隨后的預留土壩小場地開挖對圍護結構位移無明顯影響。

5）圍護結構在開挖面中點處位移、在轉角處的應力均比較大。