两侧深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响和保护措施研究

赵良云

杭州市地铁集团有限责任公司 浙江 杭州 310006

在软弱土地基中进行超大面积深基坑施工时，易引发对周边环境的影响[1-2]。地铁隧道结构作为一种柔性结构，受环境的影响非常明显，周边环境的变形会直接在隧道结构上体现出来，造成隧道结构变形与不均匀变形，影响地铁交通系统正常使用。

基坑开挖之所以会导致邻近的隧道产生附加应力与变形，是因为开挖卸荷使坑内软弱土地基产生扰动，扰动后地基土的强度降低、变形性增大，周围土体原有的应力平衡被打破，进而产生应力重分布[3]。上海地区地基土以淤泥质土为主，针对软黏土地基中深基坑开挖对地铁隧道的影响展开了大量的研究工作，提出了一些相应的技术处理措施[4-9]。魏钢[10]收集了国内14个有关在隧道上方进行基坑开挖的案例，对采取的相应围护结构进行了介绍。杭州地区正兴建大量的地铁工程，其分布有大量的粉土和淤泥质软土，在该土层中进行深基坑施工具有很高的风险性，对周边环境影响也较大。袁静等[11-12]通过2个案例对杭州粉砂土地基中深基坑施工对邻近地铁隧道、车站的影响进行了研究。中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司[13]统计了杭州地铁沿线周边共35个基坑工程实例。刘尊景等[14]对文献[13]中工程案例的各种加固措施和加固措施的适用范围进行了统计归纳。

目前，关于基坑对地铁影响的研究多针对单侧基坑开挖或上方基坑开挖。本文在总结目前地铁保护工作现状的基础上，提出了针对两侧深基坑同时开挖对邻近地铁隧道的保护措施，并对采取该保护措施方案的项目进行了分析研究，以期为邻近地铁隧道的两侧深基坑施工和地铁保护提供指导。

1 工程概况

某项目位于杭州市临平区南苑街道，东西南北4个方向均为市政道路，为4条道路合围区块。总用地面积125 404 m2（包括内部2条规划道路），杭州地铁1号线从南向北由中间穿过，将项目划分为东西二区，东区大面积设置地下1层，东区远离地铁隧道位置设置地下2层；西区大面积设置地下1层。东区基坑开挖面积60 970 m2，周长约1 058 m，开挖深度7.20～12.05 m；西区基坑开挖面积37 160 m2，周长约845 m，开挖深度6.70～7.50 m。

本工程场地周边环境复杂。四周的市政道路下管线较多，距离基坑最近10.1 m；杭州地铁1号线隧道从项目中间穿过，围护边线距离隧道线在9.8～15.7 m之间（净距），处于轨道交通设施保护区范围内，目前地铁1号线处于正常运营阶段。基坑周边环境如图1所示。根据浙江省标准DB33/T 1096—2014《建筑基坑工程技术规程》的规定和周围环境的特点，本基坑工程邻地铁隧道范围以及地下2层范围属一级基坑工程，其他范围属二级基坑工程。

图1 基坑周边环境

根据本工程的岩土工程勘察报告，勘察深度内揭露的土层主要为：①1杂填土、②黏质粉土、③1砂质粉土、③2砂质粉土、③3砂质粉土、⑤粉质黏土、⑦粉质黏土混粉砂。

2 基坑围护方案

2.1 基坑特点和难点分析

综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及周围环境等多种因素，该基坑具有如下特点和难点：

1）地下室距离已运营地铁隧道近，地铁隧道的保护是项目成败的关键，一方面保护要求高，另一方面地处高渗透地区，地铁沿线严禁降水，对基坑止水、降水要求也高，项目沿地铁隧道线长度超过350 m，要求基坑沿隧道必须分块施工，施工组织难度较大。

2）基坑开挖范围的土层为高渗透性粉砂土，厚度超过28 m，应选择合适的止水帷幕，确保止水效果。

3）基坑工程面积超大，总平面面积超过90 000 m2，基坑施工的影响范围大、施工工期长，对围护结构变形要求高。

4）基坑周边环境较为复杂，周边为市政道路，邻近已运营地铁隧道线；同时地下室边线大部分距离用地红线近，施工空间有限，围护结构选型局限性大。

5）局部设置地下2层，围护设计应充分考虑基坑分期分块因素，减少分期施工之间的相互影响，确保分期施工的顺利实施。

2.2 基坑围护方案

经过对基坑特点和难点的分析及多方案对比后，采取以下围护设计和施工保护措施。

2.2.1 围护设计措施

1）基坑平面长边尺寸近390 m，基坑施工对围护结构变形影响大。解决方案为：分坑分块施工，将基坑工程划大为小，充分实现基坑的空间效应。沿盾构隧道一侧利用工法桩分隔墙设置小基坑，如图2、图3所示。基坑靠盾构隧道一侧基坑尺寸缩小后，可大大提高土方开挖、支撑以及主体结构的施工速度，基坑的空间效应和实效性大大提高，有利于基坑围护结构的变形控制。

图2 项目分区示意

图3 地铁隧道与东区、西区小基坑的相对关系

2）地铁线一侧止水降水控制。解决方案为：考虑含水层深厚（接近30 m），基坑施工周期长，沿地铁盾构隧道一侧60 m范围内均采用可靠的TRD工法止水帷幕，帷幕底进入相对隔水层（⑤粉质黏土层），避免降水对盾构隧道的不利影响。同时地铁盾构侧严禁坑外降水。

3）地铁线一侧围护结构变形控制。解决方案为：沿盾构隧道一侧，围护边线距离结构墙300 mm，该范围采用大直径钻孔灌注桩，保证了围护结构控制变形所需的刚度；底板垫层设置配筋垫层，利用时间效应可在坑底位置短期形成有效的支撑，进一步减少变形。

4）拆撑工况的变形控制。解决方案为：为减少支撑拆除工况对围护结构的应力变形影响。在底板位置设置一定的斜向传力带换撑，进一步控制围护结构总位移，减小基坑施工对隧道的变形影响。

2.2.2 施工保护措施

1）沿盾构隧道一侧的围护结构施工保护措施。沿盾构隧道一侧的围护结构施工之前，应设置测斜管等监测点，实施监控围护结构施工对地铁的影响，并动态调整施工方案。该侧需控制围护结构施工速度。重视TRD及围护桩成桩过程对地铁盾构隧道的影响，帷幕及钻孔桩施工采取防坍孔措施，严格控制水泥土及泥浆的相对密度，避免桩成孔施工过程中对地铁隧道造成不利影响。

2）沿盾构隧道一侧的土方开挖保护措施。邻近地铁盾构隧道小基坑的每层挖土深度不得超过1.5 m。小基坑的土方应间隔跳挖施工，每块间隔长度不得大于20 m。开挖至坑底后，应在12 h内完成垫层施工。大基坑距离盾构隧道最近范围（50 m保护范围内）的基坑土方开挖时，施工单位仍应发挥基坑的时空效应，划大为小。基坑开挖到底后，应及时施工混凝土垫层。

3）沿盾构隧道一侧的围护结构拆除保护措施。围护桩与地下室外墙侧壁之间应采用素混凝土回填密实，支撑拆除时应采用振动较小的静力切割方法进行。

3 两侧深基坑开挖对地铁隧道的影响研究

本工程场地是一个4条道路合围区块，杭州地铁1号线从中间南北向穿过，但周边道路位移沉降不是本工程的关键。隧道为柔性结构，易因外荷变化产生位移，极易因不均匀沉降或侧向位移造成隧道渗漏。因此，控制隧道不均匀沉降和侧向位移，是本工程关注的重点。

针对这个问题，展开了对地铁隧道变形的二维和三维有限元分析。

3.1 有限元分析

为确保基坑施工期间隧道的安全。分别采用二维和三维Plaxis有限元软件对基坑开挖的环境影响进行了分析。

3.1.1 二维Plaxis数值分析

模型尺寸为180 m（宽）×50 m（高）。土体采用Plaxis自带的土体硬化（HS）模型。本次分析模型中对左线隧道、右线隧道一并进行了模拟。地铁隧道外径6.2 m、壁厚350 mm。围护桩按照抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的地下连续墙进行内力分析。隧道衬砌及等效后地下连续墙，采用板单元模拟；水平支撑采用点对点锚杆单元模拟；止水帷幕采用土多边形模拟。模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定，两侧约束条件为水平方向固定、竖直方向自由。地面超载取20 kPa，影响范围为坑边10 m范围。

计算结果显示，随着开挖深度增加，基坑影响范围逐步扩大，影响深度逐步加深。距离围护结构越远，影响越小。左线隧道最大水平位移4.04 mm、竖向位移4.60 mm，右线隧道最大水平位移4.20 mm、竖向位移3.88 mm。基坑开挖对盾构隧道的影响均处于可控范围，隧道最大水平位移及最大沉降均满足轨道交通设施二级变形控制等级的控制值要求。

3.1.2 三维Plaxis数值分析

为准确分析基坑开挖对周边地铁隧道产生的影响，并考虑基坑开挖的空间效应及隧道的曲率变化，采用大型有限元分析软件Plaxis 3D按连续介质有限元方法进行模拟分析。根据基坑开挖对隧道的影响范围，东、西2个大区建立在同一模型中，选取计算模型尺寸为460 m（X方向）×450 m（Y方向）×33 m（Z方向），不利工况计算结果显示，模型边界有效主应力未发生明显偏转，模型尺寸合理可行，如图4所示。本次模拟土体材料本构模型采用土体硬化模型（HS模型）。隧道衬砌、支护结构、建筑结构底板、防渗帷幕、喷射混凝土面层等均采用板单元模拟，支撑采用梁单元模拟，并且均采用弹性材料进行计算。根据基坑支护设计，设置模拟计算工况见表1（其中项目分区见图2）。

图4 三维计算模型

计算显示，基本规律同二维计算结果相似。地铁隧道的竖向位移随着开挖工况的不断发展而不断增大（沉降），但是地铁隧道右线水平位移从工况1到工况7向东侧基坑内不断增大，而从工况8到工况11则不断减小；地铁隧道左线水平位移从工况1到工况7向东侧不断增大，从工况8到工况11则向西侧基坑内不断增大。隧道断面变形情况见图5。周边环境的变形云图见图6。右线隧道最大水平位移（向东）2.18 mm、竖向位移（沉降）0.66 mm，最小曲率半径125 000 m，最大径向收敛1.45 mm；左线隧道最大水平位移（向东）0.97 mm、（向西）1.38 mm、竖向位移（沉降）0.55 mm，最小曲率半径400 000 m，最大径向收敛0.95 mm。基坑开挖对盾构隧道结构的影响均处于可控范围，各项安全控制指标均符合要求。

表1 模拟计算工况

图5 隧道断面变形

图6 总位移云图

3.2 实测数据分析

为了解基坑工程施工过程中支护结构及周围土体的受力与变形情况，特别是确保已处于运营阶段的地铁1号线盾构隧道的安全可控，应重点对已建成的隧道道床沉降、道床水平位移、隧道横向收敛等进行全程监控。

根据最终监测报告，盾构隧道各监测项目最大累计变化量：道床沉降3.0 mm、道床水平位移－3.8 mm、隧道横向收敛13.7 mm。从各监测项目累计变化量来看，本项目基坑工程施工对保护范围的地铁区间盾构隧道造成了不利影响，施工期间共发生4次预警或报警，隧道横向收敛较为严重。

东1、西1区底板完成日期为2018年5月3日；东2、西2区底板完成日期为2019年1月28日；东3区底板完成日期为2019年3月1日；地下室结构完成日期为2019年11月6日。

基坑开挖引起隧道道床上浮最大值为3 mm。东1、西1区基坑开挖影响较为明显，隧道道床上浮量占最大量的90%；其他区的施工也使隧道道床上浮，并且因为开挖区域大、面积广，对隧道的影响范围扩大，表现为两端上浮增量相对较大。

对于道床水平位移，当东区和西区底板施工全部完成时，右线和左线隧道道床“正常”向东和向西位移，累计值亦分别为向东和向西，最大为－3.8 mm和2.6 mm。

隧道横向收敛累计变化量沿里程变化曲线见图7。东1区和西1区基坑开挖对隧道横向收敛影响较大，对于隧道中段来说，这一阶段隧道产生的横向收敛占总量约50%。

图7 隧道横向收敛累计变化量沿里程变化曲线

虽然基坑的东2、东3、西2区开挖大部分在离盾构隧道50 m以外，但对盾构隧道横向收敛的影响仍较为明显。对于隧道中段来说，这一阶段隧道产生的横向收敛仍占总量的50%以上。

对比基坑施工对盾构影响的关键值——隧道道床沉降、道床水平位移、隧道横向收敛，计算值和实测值相差较大，特别是隧道横向收敛值。究其原因，有限元数值分析的施工顺序更为合理，东区施工完成后再施工西区，而实际施工时盾构隧道两侧基坑对称同步进行开挖，并且在时间和空间上也没有错开进行，加重了对盾构隧道局部区段的影响，造成薄弱环节，产生更大的不利影响。加上基坑开挖到底之后，垫层、底板施工进度偏慢，工序搭接不良等情况导致未较好地控制盾构隧道上浮，也是横向收敛偏大的原因。

4 结语

以杭州某地铁隧道两侧深基坑项目为例，介绍了地铁隧道两侧深基坑开挖采取的保护措施，以及采用的多种分析方法，并对实测数据进行了分析，得出以下结论：

1）本文采用二维、三维数值模拟等手段，研究两侧深基坑开挖对邻近地铁隧道保护措施的效果。通过多种分析方法，理论表明现行基坑围护整体方案可满足地铁盾构隧道控制标准的要求。

2）轨道交通结构保护监测显示，基坑开挖导致的道床沉降和水平位移均满足地铁隧道的控制标准，但是隧道横向收敛累计变形量偏大，且分坑分块施工效果不显著，沿盾构隧道一侧利用工法桩分隔墙设置的小基坑、大基坑施工产生的横向收敛各占总量50%左右。

3）轨道交通控制保护区内，施工顺序的选择应仔细考虑。盾构隧道两侧存在基坑，不宜对称同步开挖施工。宜在一侧底板完成后再进行另一侧施工，并且在时间和空间上错开进行。否则易加重对盾构隧道局部区段的影响，造成薄弱环节而引发更大的不利影响。

4）数值模拟是一种理想化的分析手段，无法考虑施工因素等方面的影响，实际施工过程中，施工单位应结合围护设计单位提出的施工要求，根据基坑和盾构隧道的监测结果，确保围护结构的施工质量；同时动态调整施工方案，配合围护设计单位的设计措施，确保地铁运营安全。