深基坑施工对毗邻地铁的影响研究

翟永勇 周子瑜 邬建华 濮仕坤

1. 南京勘察工程有限公司 江苏 南京 210007；2. 陆军工程大学国防工程学院 江苏 南京 210007；

3. 黑龙江省人防设计研究院 黑龙江 哈尔滨 150000

地铁保护区范围内的深基坑开挖给地铁隧道的安全带来不可避免的影响。徐中华[1]、王卫东等[2]、张治国等[3]、丁勇春[4]、刘杰等[5]、高广运等[6]、魏纲[7]、黄茂松等[8]均对此有过论述。既有文献基本上都是从开挖深度和基坑开挖影响范围这2个因素对地铁的影响进行分析。本文将结合实际工程，考虑初始地应力、开挖步骤、地层物理参数、施工降水等诸多因素，利用数值分析的方法，深入研究大型基坑开挖及施工降水时对既有隧道周围土体的影响，对确保基坑施工和地铁运营安全有很好的指导意义。

1 工程概况

1.1 项目概况

本工程由7栋12ü 18层体型复杂的综合楼组成，楼下及楼间设置3层（局部为4层）整体地下室。采用框架或框架-核心筒结构，基本柱网尺寸为9 mh 9 m。拟采用天然地基上的独立基础或筏板基础。

整个基坑分A、B 地块开挖施工。A 地块基坑开挖面积约21 300 m2，周长约730 m，基坑开挖深度为15.25～23.45 m；B地块基坑开挖面积约10 800 m2，开挖深度为22.15～23.20 m。

基坑与地铁隧道距离紧密，围护桩外边缘与地铁轨道交通保护线距离为7.40 m，围护桩外边缘与地铁轨道主体结构边线距离为12.45 m。地铁隧道管片厚度250 mm，隧道半径2.20 m，管片中心埋置平均深度为19.80 m。

基坑分2次开挖：A地块先开挖，B地块后开挖，中部为预留土坝，待最后开挖（图1）。

图1 基坑A、B地块分布

1.2 地质水文概况

拟建场地土自上而下依次为人工堆土层，其下一般为①全新世早期冲积相成因土层，土质以粉质黏土为主；②中、晚更新世冲洪积、残积相成因土层，土质以粉质黏土混卵石为主，骨架颗粒多为石英质岩，孔隙被可-硬塑状粉质黏土充填；③白垩纪葛村组沉积岩，其土质以全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩为主。

拟建场地地下水类型属潜水，主要赋存于表层填土中。潜水的补给来源主要为大气降水，其次为生产、生活用水的排放，以及管道渗漏。现场测得其初见水位埋深3.3～3.5 m。

2 基坑支护方案

场地周围建筑密集，施工作业面狭窄，且开挖深度深、面积大，考虑围护结构与土体的时空效应的受力特点，以 安全可靠、经济合理、技术可行、方便施工 的原则，确定相应支护方案为内支撑和灌注桩支护结构。

整个基坑支护结构采用旋挖灌注桩，水平方向采用4层（局部3层，局部第1层设置钢管支撑）钢筋混凝土支撑支护形式，垂直方向设置格构柱。这种支撑体系有可靠性高、刚度大、变形小以及可有效控制软土沉降等优点，基坑支护平面如图2所示。

图2 基坑内支撑平面示意

3 基坑三维模型的建立

3.1 建立基坑三维模型

根据现场工程地质条件建立有限元模型。水平方向：坑外部分自钻孔灌注桩向外延伸70 m；竖直方向：自坑底向下延伸22.5 m；模型总尺寸为380 mh 300 mh 45 m（长h 宽h 高）。钻孔灌注桩等效为地下连续墙，采用板单元模拟；地铁管片采用板单元模拟；支撑采用梁单元模拟。总单元数为88 243个，节点数为15 322个（图3、图4）。

图3 整体三维有限元模型

图4 基坑支护模型

3.2 模型几何参数

1）旋喷灌注桩。模拟基坑开挖过程中生成闭合止水帷幕，可以根据刚度等效的原则将旋挖桩转化为一定厚度的地下连续墙，则由等刚度转换原则可得式（1）[9]：

当D=1.10 m、t=0.20 m时，经上式计算得h=0.87 m。

2）立柱。本工程立柱采用的材料为160 mmh 12 mm型号角钢4根。为简化模型，在建模时采用方形混凝土柱代替角钢[10]，考虑混凝土立柱的不利受力状态，且该尺寸通常由轴心受压和受弯2种内力控制，经计算后将其尺寸确定为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）内支撑。内支撑尺寸如表1所示。

表1 内支撑尺寸参数

3.3 开挖施工过程模拟

本文研究重点为基坑开挖完成后既有地铁的变形情况，因此，在进行建模分析时，对施工步骤进行相应简化。需根据实际施工情况来设计模拟开挖步骤。本基坑分2次开挖，综合考虑施工最不利情况，模拟工序分为18个阶段：场地初始渗流分析；场地初始应力分析；修建地铁隧道；设置围护结构与立柱；第1次降水及变形分析；基坑开挖至－2.20 m；设置第1道内支撑，基坑开挖至－8.15 m；第2次降水及变形分析；设置第2道内支撑，基坑开挖至－12.95 m；第3次降水及变形分析；设置第3道内支撑，基坑开挖至－17.75 m；第4次降水及变形分析；施作第4道内支撑，基坑开挖至底；开挖预留土坝至－2.20 m；设置预留土坝区域第1道内支撑，并开挖至－8.15 m；设置预留土坝区域第2道内支撑，并开挖至－12.95 m；设置预留土坝区域第3道内支撑，并开挖至－17.75 m；设置预留土坝区域第4道内支撑，并开挖至底。

4 数值模拟结果及分析

4.1 支护结构变形及内力分析

1）近地铁侧围护结构变形分析。图5为基坑开挖至底时近隧道侧的地下连续墙水平位移云图。由图可知，地下连续墙向基坑内发生一定位移，最大位移在墙体中下部。留土坝围护结构边线中点处，沉降变形曲线呈典型的 鱼腹 形。沉降变形随着开挖深度的增加依次增大，最大沉降量为4.5 mm，位于坑外21 m左右，该位置基本与隧道拱顶位置相对应，表明地表沉降沟与隧道位置有密切联系。

图5 A、B地块近隧道侧围护结构变形云图

图6和图7分别为A、B地块基坑开挖过程中近隧道侧地下连续墙中心截面的水平位移变化曲线。由图可知，随着基坑开挖深度的增加，围护结构向坑内的位移逐渐增大，当位移达到峰值后，基坑的开挖使位移有减小的趋势，墙体位移曲线呈现中间大、两头小的抛物线形，最大水平位移分别为19.1 mm和16.3 mm，围护结构的变形最终控制在较小的范围内，满足工程的安全要求。

图6 A地块近地铁侧围护结构变形曲线

图7 B地块近地铁侧围护结构变形曲线

分析图6、图7可知，随着中间预留土坝开挖，会使围护结构的侧向变形逐渐变大，但这种影响效果十分微小，当基坑开挖5至基坑开挖8完成后，围护结构侧向变形和基坑开挖4时的变形基本相同，变形增量仅为1.91 mm。

2）近地铁侧地表沉降变形分析。图8为基坑开挖过程对应的坑外地表沉降曲线，其位置位于近地铁侧基坑预

图8 近地铁侧地表沉降随基坑开挖深度变形曲线

图9为立柱沉降变形分析图。模拟结果显示各个立柱最大的沉降值为0.93 mm，未超过1 mm的规范值。此沉降不会对基坑产生较大影响，可以满足基坑安全要求。

图9 立柱沉降变形

4.2 地铁隧道变形分析

考虑该基坑平面有较大的凹凸不规则处，且与侧方地铁管线走线相对弯曲，故选取如图10所示的A-A截面进行分析计算，其位置为预留土坝最后开挖区域近地铁侧的围护结构中点处。

图10 隧道变形分析截面

图11为基坑开挖至底时盾构隧道的水平及竖向位移云图。由图可知，在竖向方向上，隧道各点均向下移动；在水平方向上，隧道各点均向基坑方向移动。其整体位移处于向斜下方变形的趋势。将位移合成为如图12所示的示意图，可较为直观地观察到隧道变形趋势，其最大位移位置大致处于分析截面A-A处。

图11 基坑完全开挖时的隧道变形

图12 隧道位移

现对控制截面A-A各个关键控制点的水平位移及竖向位移进行分析，如图13所示。模拟的各个关键控制点在平面内的位移变形如表2所示。

图13 A-A各个关键控制点位置分布

表2 各个关键控制点位移

由上表可知：当基坑完全开挖后，A、B在X方向相对位移为0.1 mm，A、B在Y方向相对位移为3.7 mm，C、D在X方向相对位移为4.1 mm，C、D在Y方向相对位移为－0.1 mm，隧道变形后呈现Y向收敛而X向扩张的 鹅蛋形 ，该变形满足CJJ/T 202ü 2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》的安全要求。

5 结语

1）在基坑开挖过程中，最大变形位置基本位于近地铁侧围护结构中点处，且变形程度随基坑开挖深度的加深而增大，地铁整体位移趋势呈现为向基坑方向斜下方移动。

2）基坑开挖卸荷使地铁管片产生附加弯矩，这种附加弯矩由变形产生，对地铁管片呈现出压扁效应，即基坑开挖对沉降变形的影响更为明显，对横向变形的影响稍弱。

3）近地铁侧地表沉降峰值位置基本位于地铁隧道中心线正上方，说明地铁的存在改变了基坑外场地土沉降槽的位置，且地表沉降变形呈现 鱼腹 状，在距离近地铁侧基坑边缘3倍深度位置，沉降值大致为沉降峰值的一半。

4）随着基坑开挖，围护结构变形逐渐增大，当变形达到峰值后，位移随基坑开挖深度的增加而减小，同样呈现鱼腹 状，在随后的预留土坝小场地开挖对围护结构位移无明显影响。

5）围护结构在开挖面中点处位移、在转角处的应力均比较大。