既有地下結構位移超限分析

邢兆泳，潘 毫，韓玉珍，徐 萌，何紀忠，聶小凡

(1.北京城建軌道交通建設工程有限公司，北京 100088；2.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；3.北京外企人力資源服務有限公司第一分公司，北京 102308)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發展，基坑鄰近既有地下結構的工程案例越來越多。基坑卸荷及施工擾動影響會破壞土層原有的應力狀態，導致變形增長，繼而傳遞至鄰近地下結構[1]。國內外在相關領域的研究也較多，BURFORD[2]最早分析了挖深12 m的基坑施工引起鄰近隧道的隆起位移及工后隆起；左殿軍等[3]根據招商銀行深圳市分行基坑開挖工程，考慮隧道襯砌與土的相互作用，采用數值模擬研究了基坑開挖施工對已建3號線盾構隧道的影響，分析了區間隧道基坑支護結構受力與變形，隧道頂部地表沉降，襯砌位移隨基坑開挖深度的變化趨勢；張麒等[4]以天津市某地產項目6個深基坑群鄰近6號線地下車站及區間為工程背景，重點分析了施工過程中各項監測數據的變化規律，明確了采取智能化手段進行監測、分析，是控制基坑變形風險的有效手段；況龍川[5]、蔣洪勝等[6]對距區間隧道僅4 m的上海廣場深基坑工程項目監測，發現基坑開挖導致隧道發生明顯側移及豎向收斂變形，且位移量與基坑開挖范圍相關；徐中華等[7]基于上海外灘596地塊超深基坑緊鄰9號線區間隧道工程，對基坑及鄰近隧道監測數據進行分析，研究多種設計、施工措施下的隧道保護情況。

以上研究內容對工程實際施工過程與地下結構變形之間關系的精細化分析較少，本文以某鄰近既有地下隧道的基坑工程為背景，從基坑開挖全階段的實測數據入手，并結合三維數值有限元模擬計算，對基坑圍護結構施工過程與既有地下結構變形之間的聯系規律開展精細化研究，探究土體階段性變形、基坑開挖效應、現場施工質量對區間隧道變形的影響，指出實際施工重點關注的工況節點與區域，研究成果可為今后類似工程提供有效的設計與施工指導建議。

1 工程概況

本文研究基坑工程位于杭州市上城區近江區塊，項目基坑距離運營中的車站風亭水平凈距約2 m，距離既有盾構區間水平凈距約17.6 m。地塊與軌道交通關系平面圖參見圖1。

圖1 項目總平面圖Fig.1 General layout

車站為地下二層島式車站，雙柱三跨箱型框架結構。車站頂板覆土約5 m，底板埋深約18 m。車站及風道圍護結構采用樁徑1 000 mm@750 mm咬合樁，樁長分別為33 m、28 m，其中，端頭井圍護樁長35 m。 E1出入口為單層箱型框架結構，采用SMW工法樁支護。既有盾構區間隧道內徑5.5 m，襯砌采用直線環+轉彎環進行錯縫拼裝，壁厚0.35 m，環寬1.2 m，采用C50混凝土。

地塊基坑開挖范圍內以③3砂質粉土層為主，既有車站底板位于③4黏質粉土，盾構區間主要位于③3砂質粉土層。潛水埋深約1 m，承壓水位于⑨圓礫層，承壓水頭埋深約10 m。場地淺部粉土，富含地下水，在一定的動水壓力作用下可能產生流沙和管涌現象。

2 基坑支護設計

2.1 基坑分坑方案設計

本文研究項目主基坑深度約14.5 m，附屬連通通道基坑深度10～13 m。主基坑分為5個分坑，分別為1#分坑～5#分坑。附屬改造部分基坑分為3個分坑，分別為6#分坑～8#分坑。其中，6#分坑和7#分坑邊界部分借助既有軌道交通結構，其余部分采用鉆孔灌注樁加MJS注漿加固?；臃挚娱_挖按順序：1#分坑→2#分坑→3#分坑→4#分坑→5#分坑→6#分坑→7#分坑→8#分坑，分坑方案布置圖參見圖2。

圖2 基坑分坑方案布置圖Fig.2 Pit division scheme of foundation pit

2.2 基坑支護方案設計

基坑采用4種支護形式，對于1#分坑～5#分坑鄰近既有地下車站及區間一側采用剛度較強的1 000 mm地連墻，遠離一側采用1 000 mm@1 300 mm鉆孔灌注樁。8#分坑鄰近既有出入口，采用鉆孔灌注樁+MJS注漿加固體系，6#分坑和7#分坑一側利用既有風亭圍護設施，另一側為地連墻支護體系。具體的基坑支護形式分布參見圖3。

圖3 基坑支護類型分布圖Fig.3 Layout of support types of the foundation pit

1#分坑、3#分坑共有3道支撐，其中，第一道支撐為混凝土支撐，第二道支撐和第三道支撐為型鋼組合支撐；2#分坑、4#分坑、5#分坑共設置4道支撐，其中，第一道支撐為混凝土支撐，第二道支撐至第四道支撐為鋼管支撐。8#分坑設置共有2道支撐，均為混凝土支撐。選取4#分坑鄰近區間隧道一側的典型剖面，如圖4所示。

圖4 基坑典型斷面圖Fig.4 Typical section of foundation pit

3 現場施工及變形監測數據分析

3.1 現場施工進度及監測數據預警概況

截至2022年1月25日，1#分坑和2#分坑均已拆除了全部支撐，正進行地下室頂板模板搭建施工。既有盾構區間最大水平位移為+7.2 mm(原控制值5 mm)，E出入口最大沉降值為-6.8 mm(原控制值5 mm)，風亭最大值為-4.2 mm(原報警值4 mm)。 在2021年11月2日—12月3日，基坑北側和西側發生滲漏水，現場采取水玻璃+水泥注漿處理，經專家分析滲漏主要原因為三軸攪拌樁出現滲漏點。

3.2 既有線變形監測分析

如圖5所示，圍護樁施工階段影響較小，區間結構累積水平位移值在2 mm以內。隨著基坑土方的開挖，2021年9月21日—10月5日架設1#分坑第二道支撐期間，數值由2.7 mm增加到3.9 mm，短期增加了1.2 mm；2021年10月15日—10月23號架設1#分坑第三道支撐期間，數值由4.2 mm增加到5.0 mm，短期增加了0.8 mm；2021年11月12日—12月3日，基坑北側和西側發生滲漏水，在此時間段，上行線隧道由4.6 mm增加到6.1 mm，短期內增加了1.5 mm。

圖5 既有區間水平位移Fig.5 Horizontal displacement of existing shield tunnel

如圖6所示，出入口的主要變形突變有兩個。第一個突變發生在2021年9月21日，即1#分坑完成第一道混凝土支撐，開始進行第二次開挖的時刻。在此之前，出入口的沉降變形最大值在2 mm左右，隨著1#分坑開挖土方量的加大，變形斜率明顯加大，一直到2021年10月15日，1#分坑開始施作了第三道支撐，出入口的沉降變形加大趨勢得到了緩解，此時最大值為4 mm左右。分析其原因可知，在第一道支撐施工時，土體的卸載量較小，但從第一道支撐至第三道支撐間的豎向距離較大，土體卸載量加大，因此造成此階段的變形量增加較快。第二個突變發生在2021年11月2號，即1#分坑由第三道支撐位置開挖到底的過程。此階段基坑東側發生了滲漏水，現場進行堵漏施工工期長達21 d，基坑長時間處于擱置狀態下，發生較大蠕變。分析數據可以看出，滲漏水期間出入口的結構變形斜率較大，造成的不利影響也更突出。

圖6 E出入口沉降情況Fig.6 Settlement of E entrance and exit

隨著堵漏工序完成，1#分坑開挖到底及后續底板的及時施作，出入口的變形得到了一定程度的控制，雖然后續回筑過程中，隨著拆撐的工況，沉降變形有一定的起伏，但總體的變形速率相對穩定，截至2022年1月25日，1#分坑已基本完成回筑過程，出入口結構最大沉降值為7.1 mm。

通過以上數據分析過程可以明確，該基坑對既有運營線路影響較預期略大，除基坑自身土方卸載等已考慮到的客觀因素外，還有以下幾方面不利影響：①基坑在11月份發生一次滲漏水情況，堵漏施工長達21 d，導致基坑開挖至底卻遲遲未能封閉底板，基底長時間處于暴露狀態，對既有地下結構造成明顯不利影響；②現場平均封閉一層型鋼組合支撐至少需10 d，期間既有線變形發展較快，支撐架設時間偏長及橫向支撐剛度偏弱也是造成既有線變形偏大的原因之一；③基坑回筑過程中，既有地下結構的變形存在一定程度的波動，分析判斷與拆撐工況有關。

3.3 主要的風險控制措施

考慮后續3#分坑～5#分坑的開挖施工，會有更大體量的土方卸載開挖，且5#分坑與上行線隧道的距離較近，存在對既有線造成更大水平位移的可能，因此建議在基坑開挖過程中應注意以下幾項措施。

1) 為防止再次發生滲漏水情況，開挖前現場應加強止水帷幕、地連墻、排樁等圍護結構的施工質量檢驗，對存在質量問題的區域及時采取加固、補樁等措施，確保止水效果達到設計要求。特別是對于地連墻與圍護樁相接位置應重點關注，發現圍護缺陷處必須進行補強后方可開挖。

2) 8#分坑目前采取兩道混凝土支撐的方案，考慮8#分坑緊鄰目前發生較大變形的E出入口，為進一步控制基坑開挖對既有出入口的不利影響，建議第二道支撐改用伺服鋼支撐體系。

3) 基坑各階段挖土施工必須遵循“分層開挖、嚴禁超挖”的原則。每層厚度不宜大于1.5 m，每段開挖寬度不宜超過20 m為最低要求，現場根據既有線監測的實時數據，必要時應進一步減少每次的開挖高度，不得隨意開挖或超深開挖，嚴格控制每次開挖的土方卸載量。

4 有限元計算分析

為進一步分析后續施工工況對既有線的影響程度，采用PLAXIS 3D有限元軟件對后續工況進行全過程數值模擬計算。

4.1 計算模型與施工步序模擬及地層參數

綜合考慮基坑施工的影響范圍和影響對象，計算模型的平面尺寸為210 m(X方向，或東西向)×200 m(Y方向，或南北向)，計算模型中深度(Z方向，向上為正，負值代表沉降)取60 m，如圖7所示。

圖7 數值模型Fig.7 Numerical model

地層采用HSS小應變硬化土模型，地下車站、附屬結構、區間盾構隧道、圍護結構等均采用板單元模擬，內支撐中混凝土支撐采用梁單元，型鋼組合支撐等效為板單元處理。模型采用標準截斷邊界約束條件，水平方向僅約束其相應的水平位移，底部采用固定約束，約束其豎向及水平向位移。

基坑開挖施工步序見表1。 基坑地層參數見表2。

表1 基坑開挖施工步序Table 1 Construction steps of the excavation for the foundation pit

表2 地層參數Table 2 Formation parameters

續表2

4.2 模擬結果及分析

以8#分坑開挖到底工況對應的位移場為例，如圖8所示?？偨Y主要施工工況下，地表變形、圍護結構變形、地下結構設施變形結果見表3。通過有限元分析計算，可以得到結論如下所述。

表3 有限元計算特征位移Table 3 Characteristic displacement of the finite element calculation

圖8 有限元計算位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of the finite element calculation

1) 圍護結構最大水平位移為22.20 mm，地表沉降最大值為-8.02 mm，滿足設計控制標準要求。

2) 根據后續分坑開挖的模擬計算結果顯示，風亭結構在基坑后續分坑開挖過程中的累積最大沉降值為2.86 mm；出入口的累積最大沉降值為4.37 mm，出入口差異沉降最大值為1.23 mm；盾構區間隧道的累積最大位移值為0.95 mm，最大水平收斂值為0.74 mm。

3) 目前施工進度狀態下，風亭的最大累積沉降值為4.2 mm，出入口的最大累積沉降值為7.1 mm，出入口的差異沉降值為5.1 mm，區間隧道的最大累積變形值為7.0 mm，最大水平收斂值為3.6 mm。因此，預計后續工況下，車站風亭出入口及區間隧道的累積位移值分別為7.06 mm、11.47 mm和7.95 mm，隧道的最大水平收斂值為4.25 mm，出入口的最大差異沉降為6.33 mm，滿足變形控制值要求。

5 結 論

1) 支撐架設時間及支撐剛度為控制基坑及周邊結構變形的重要因素，對于類似工程施工過程中，考慮到既有運營線路的重要程度，適時選用伺服系統的支撐體系為保障工程安全性的重要措施。

2) 在地連墻與圍護樁接縫處的三軸攪拌樁止水帷幕出現滲漏水事故，致使基底長時間處于暴露狀態，周邊土層流失，導致既有地下結構在此期間出現較大變形增量。因此，對于此類風險較大的工程，特別是不同圍護形式的銜接位置應重點關注，發現圍護缺陷處必須進行及時補強后方可開挖。同時，應加強圍護結構的質量檢測，保障圍護結構的安全。