軟土基坑施工對臨近地鐵盾構隧道影響分析

呂玉鵬

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

基坑臨近施工一直是巖土工程臨近施工領域的熱門方向，當基坑周圍出現有地鐵隧道時，基坑施工引起了周圍土體的變化，進而對鄰近的地鐵隧道產生影響。當影響超過允許范圍時，給隧道結構以及地鐵運營安全帶來威脅[1]。按照基坑與地鐵隧道的位置關系，可分為基坑上跨隧道、基坑平行隧道及基坑側上于隧道。對于基坑在隧道側上方這一位置關系，一些學者采用理論分析、現場實測、數值模擬等方法進行了研究[2]，對國內多數區間隧道上方基坑開挖的案例調研并采用統計分析方法對比了案例中基坑的開挖情況、土層情況、支護形式、與隧道距離、保護措施以及相應的隧道變形，整理了基坑開挖對區間隧道應采取的各種保護措施[3]，采用有限元分發研究基坑開挖卸載引起周邊土體變形對臨近地鐵隧道的安全影響[4]；將計算分析結果與實測結果進行了比較，研究了基坑加固力學參數與加固范圍的保護作用敏感些[5]；制定了一種新的縱向及橫向光纖傳感網絡的監測方案，對緊鄰基坑開挖時既有盾構隧道的受力狀態進行了監測[6]；研究了軟土地區基坑開挖誘發鄰近盾構隧道水平位移的簡化算法；根據基坑施工期間鄰近運營地鐵隧道變形監測數據[7]，對隧道變形從基坑圍護結構施工開始至開挖結束進行了全過程分析。本文采用有限元方法，建立了基坑施工對盾構隧道影響的數值計算模型，分析了盾構管片和軌道結構位移變化特征，所得結論以期為類似地質條件下地鐵車站附屬施工及既有結構保護提供借鑒與參考。

1 地鐵盾構隧道施工引起地面沉降的因素分析

1.1 覆土厚度和盾構外徑的影響

隧道盾構技術在地鐵施工中發揮著關鍵作用，盾構的外徑越大，其造成的單位長度的地層損失越大，同時在地面沉降槽寬度相同大的情況下，最大地面沉降也會出現增大。此外，隧道覆土厚度越大，最大地面層沉降值會越小，然而地面沉降槽的寬度會出現進一步的擴大。最大地面沉降會隨著覆土厚度與盾構外徑比值的增大而出現減小的現象。

1.2 開挖面前的沉降

在地鐵隧道盾構施工作業中，施工人員需要對沉降問題加以重視和關注，從開挖面距觀測點3~10m 的距離范圍內，直到開挖面位于觀測點正下方位置所產生的沉降現象。在施工作業中，盾構設備設置的盾構土壓艙壓力與開挖面土體原有土壓力之間難以實現有效平衡，受到土體應力釋放或者盾構反向土倉壓力引起的土層塑性變形的影響而出現相應的沉降問題。

1.3 盾構穿越土層性質

地鐵隧道盾構施工會面臨多種不同性質的土層，一般有砂質粉土、淤泥質粘性土等，不同土層所造成的地面沉降的影響程度也是不同的。相比較黏土層，穿越砂土層是其沉降槽寬度的系數比較小，從沉降量是最大的。工程技術人員通過所掌握的盾構半徑和埋深等數據，能夠計算出穿越黏土時的沉降槽寬度系數最大的結果，同時其對地面沉降影響的程度和范圍也是最大的，盾構設備穿越砂土地面時的沉降量是最大的。

1.4 盾尾間隙沉降

在地鐵盾尾經過測點之后會產生地表沉降的現象，沉降的范圍一般在測點后的20m 內。與此同時，因為盾構外徑要比管片的外徑大，管片外壁和土體之間有著明顯的空隙，在實際施工中出現注漿量不足或者不及時的問題，管片周圍的土體會流入到空隙中，在這個過程中出現土層應力釋放現象，最終導致地表發生變形問題。

2 地鐵隧道盾構施工技術分析

2.1 盾構出洞準備施工技術

盾構出洞施工是地鐵隧道施工中的關鍵作業內容，施工人員需要在此階段加強對沉降問題的重視，結合實際情況，充分了解此階段的各個注意事項和關鍵內容，做好施工設備和人員的協調，確保地面沉降問題能夠得到有效控制和解決。同時對盾構機完成出洞操作后進行科學審核與檢查，在維持設備高效可靠運行狀態的同時，提高現場施工的安全性，為施工人員提供良好的工作條件。此外，還要精準落實施工加固與檢查措施，在完成出洞操作后采取合適的土體加固措施，避免土體結構出現松動和變化。在施工中還需要對升降問題進行有效控制，結合事前計算出的數據確定盾構出洞的基座位置，在完成各項準備工作后實施下一步的施工作業。在使用盾構機進行隧道施工的過程中，需要提前對工程現場的空間因素進行考慮和分析，基本掌握其對施工的干擾程度，在將盾構機和輔助設備運輸到施工現場進行組裝和調試，保證工程施工的專業性，為地面沉降問題的控制提供保障。

2.2 地鐵盾構機掘進階段施工技術

在地鐵隧道盾構機掘進階段，施工人員需要對掘進試驗和正式掘進兩個施工環節展開相關操作，并結合工程進度情況和設計數據做出合適的調整。在實際掘進過程中，施工人員需要對施工模式進行科學分析，制定出高效安全的施工方案，在按照計劃穩步開展施工作業，同時對施工數據進行嚴格檢查和審核，確保其在標準范圍內，提高施工的質量和效率。針對施工中出現的各項異常情況或違規現象，相關人員需要及時對其進行處理和糾正，并檢查盾構設備的工作狀態和參數，進而保證隧道的可靠性。借助計算機技術進行輔助和處理作業，在技術支持下明確設備的掘進方向、刀盤掘進進度等信息，使得掘進方向和速度符合工程設計規定。工程施工人員要做好施工土層的分析工作，并對設備的運行情況進行實時監控，對土層和土體的結構穩定性展開有效監測，避免因地面沉降問題而對隧道的施工性能和安全性造成影響。

2.3 挖掘粉砂層階段的施工技術

地鐵隧道盾構施工會受到多方面復雜因素的限制，進而對施工質量以及地質土層結構穩定性產生一定程度的影響，特別是粉質黏土砂層，需要提前做好施工應對措施和解決方案，避免出現嚴重的地面沉降事故。砂土層對施工的影響程度較大，施工人員必須要結合土質特點和工程進度選擇合適的施工技術，進而有效解決其中存在的噴砂問題，加強土體結構的穩定性，同時借助專業化的設備和技術對土體的流動性及止水性展開研究，保證地鐵隧道盾構施工的順利性。

3 基坑施工對盾構隧道影響的有限元分析

3.1 工程概況

某地塊總用地面積40067m2，總建筑面積136160.8m2，其中地上建筑面積88275.8m2，地下建筑面積47885m2。由12 幢17F高層住宅樓、1～2F 地下車庫及3F 社區用房組成。場地室外地坪設計標高6.60m，地下室底板標高-1F 為1.30，-2F 為-2.60m。擬采用樁基礎。高層建筑的整體傾斜允許值為0.0025，地基允許變形為0.002L（L 為相鄰柱基的中心距離）。建筑抗震設防類別為標準設防類別，建筑結構安全等級為二級。地塊臨近某地鐵區間隧道，地下室外墻與盾構外邊緣的距離為10.12m，地塊施工時，地鐵盾構隧道已完成。

3.2 土層參數設置

三維分析中土體的本構模型采用修正摩爾-庫侖模型，模型總共分為 9 個土層，分別是：1-1 雜填土、1-2 粉質黏土、a-1 粉質黏土、a-2 粉質黏土、b 淤泥質黏土、c 粉質黏土、d 粉質黏土、f 粉質黏土、g-2 粉質黏土。計算中三軸水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁、地鐵隧道管片采用彈性本構模型，考慮到管片拼裝等因素，對其彈性模量進行一定折減。

3.3 模擬過程

有限元模擬的過程：初始地應力平衡，位移清零；一層開挖；攪拌樁施工、坑底加固及灌注樁開挖；灌注樁澆筑；二層開挖；二層支撐；三層開挖。

3.4 計算結果分析

3.4.1 管片位移

不同施工步下地鐵盾構隧道管片豎向位移（Z 方向）、橫向水平位移（Y 方向）、縱向水平位移（X 方向）變化曲線如圖1 所示，根據計算結果可知：①在上方基坑施工過程中，地鐵盾構隧道橫向水平位移大于豎向位移，豎向位移大于縱向位移，說明基坑施工導致了下方的地鐵盾構隧道發生向基坑方向的明顯的側移動，也發生了一定的向上位移。②對于豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移，一層開挖及攪拌樁施工、坑底加固及灌注樁開挖2 個階段，位移逐漸增大。當灌注樁澆筑時，位移有所減小。隨著基坑向下開挖，各向位移繼續增大，基坑開挖成后，豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移達到最大值，分別約為0.561、1.494mm 和0.125mm。基坑施工引起的距離基坑近的左線隧道管片位移大于距離基坑遠的右線隧道管片位移，對于豎向位移和橫向水平位移，管片位移最大值發生在基坑外邊緣中心下方的左線隧道處，縱向水平位移發生在左線隧道兩端，這是由于基坑與地鐵盾構隧道位置關系導致。

圖1 管片位移極值變化曲線

3.4.2 軌道結構位移

不同施工步下軌道結構豎向位移、橫向水平位移、縱向水平位移變化曲線如圖2 所示，根據計算結果可知：①在上方基坑施工過程中，軌道結構橫向水平位移大于豎向位移，豎向位移大于縱向位移，說明基坑施工導致了下方的軌道機構發生向基坑方向的明顯的側移動，也發生了一定的隆起位移。②對于豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移，一層開挖及攪拌樁施工、坑底加固及灌注樁開挖2 個階段，位移逐漸增大。當灌注樁澆筑時，位移有所減小。隨著基坑向下開挖，各向位移繼續增大。

圖2 管片位移極值變化曲線

基坑開挖成后，豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移達到最大值，分別約為0.421mm、1.066mm 和0.095mm。基坑開挖完成時軌道結構管片豎向位移、橫向水平位移、縱向水平位移云圖如圖3 所示。由圖3 可知，與管片位移相同，基坑施工引起的距離基坑近的左線隧道軌道結構位移大于距離基坑遠的右線隧道軌道結構位移，位移最大值發生位置也與管片位移一致，表明隧道結構與軌道結構協調變形；按照位移云圖，采用包容性分析，軌道結構最大正向豎向位移和最小負向豎向位移差值約為0.455mm，小于軌道結構變形控制預警值1.2mm。

圖3 基坑開挖完成后軌道結構位移

3.4.3 管片接縫張開量

基坑施工完成后管片彎矩云圖如圖4 所示，基坑施工期間管片內力變化不大，說明施工對管片內力的影響較小。其中管片彎矩最大值為572.5kN·m，由理論公式可得最大管片接縫張開量為2.446×10-2mm。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202—2013），盾構管片接縫張開量的控制值為2mm，管片接縫張開量滿足規范要求。

圖4 基坑施工完成后管片彎矩

3.4.4 施工影響特性分析

地塊基坑分步施工后，地鐵盾構隧道管片以向基坑側的橫向水平位移為主，地鐵盾構隧道管片也發生了一定的向上位移，而縱向水平位移較小，其主要原因基坑與地鐵的相互位置關系導致，基坑開挖卸載引起的下方土體的位移，間接帶動鄰近的地鐵盾構隧道位移。左線隧道距離基坑較近，管片和軌道結構受基坑開挖影響比右線要明顯，左線隧道是監測重點。

4 結語

建立了臨近地鐵盾構隧道的軟土深基坑施工的三維有限元模型，基于數值分析結果，分析了地鐵盾構管片和軌道結構位移變化特征，研究結論如下。

（1）地鐵盾構隧道管片位移和軌道結構位移均滿足控制標準，表明軟土基坑施工對臨近的影響處于可控狀態，并儲備有足夠的變形余量。

（2）盾構隧道管片及軌道結構位移以向基坑方向的橫向水平位移為主，伴有一定的向上的豎向位移，隧道軸線方向上的水平位移不明顯。