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(xué)國防工程學(xué)院 江蘇 南京 210007；

3. 黑龍江省人防設(shè)計研究院 黑龍江 哈爾濱 150000

地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)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(wèi)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(jié)合實際工程，考慮初始地應(yīng)力、開挖步驟、地層物理參數(shù)、施工降水等諸多因素，利用數(shù)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?；邮┕ず偷罔F運營安全有很好的指導(dǎo)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(fù)雜的綜合樓組成，樓下及樓間設(shè)置3層（局部為4層）整體地下室。采用框架或框架-核心筒結(jié)構(gòu)，基本柱網(wǎng)尺寸為9 mh 9 m。擬采用天然地基上的獨立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)。

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(jié)構(gòu)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(yù)留土壩，待最后開挖（圖1）。

圖1 基坑A、B地塊分布

1.2 地質(zhì)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(zhì)以粉質(zhì)黏土為主；②中、晚更新世沖洪積、殘積相成因土層，土質(zhì)以粉質(zhì)黏土混卵石為主，骨架顆粒多為石英質(zhì)巖，孔隙被可-硬塑狀粉質(zhì)黏土充填；③白堊紀葛村組沉積巖，其土質(zhì)以全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)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(chǎn)、生活用水的排放，以及管道滲漏?，F(xiàn)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(yè)面狹窄，且開挖深度深、面積大，考慮圍護結(jié)構(gòu)與土體的時空效應(yīng)的受力特點，以 安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行、方便施工 的原則，確定相應(yīng)支護方案為內(nèi)支撐和灌注樁支護結(jié)構(gòu)。

整個基坑支護結(jié)構(gòu)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(shè)置鋼管支撐）鋼筋混凝土支撐支護形式，垂直方向設(shè)置格構(gòu)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(yōu)點，基坑支護平面如圖2所示。

圖2 基坑內(nèi)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(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)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(xù)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?？倖卧獢?shù)為88 243個，節(jié)點數(shù)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(shù)

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(jù)剛度等效的原則將旋挖樁轉(zhuǎn)化為一定厚度的地下連續(xù)墻，則由等剛度轉(zhuǎn)換原則可得式（1）[9]：

當D=1.10 m、t=0.20 m時，經(jīng)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(tài)，且該尺寸通常由軸心受壓和受彎2種內(nèi)力控制，經(jīng)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(nèi)支撐。內(nèi)支撐尺寸如表1所示。

表1 內(nèi)支撐尺寸參數(shù)

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(yīng)簡化。需根據(jù)實際施工情況來設(shè)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(yīng)力分析；修建地鐵隧道；設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)與立柱；第1次降水及變形分析；基坑開挖至－2.20 m；設(shè)置第1道內(nèi)支撐，基坑開挖至－8.15 m；第2次降水及變形分析；設(shè)置第2道內(nèi)支撐，基坑開挖至－12.95 m；第3次降水及變形分析；設(shè)置第3道內(nèi)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(nèi)支撐，基坑開挖至底；開挖預(yù)留土壩至－2.20 m；設(shè)置預(yù)留土壩區(qū)域第1道內(nèi)支撐，并開挖至－8.15 m；設(shè)置預(yù)留土壩區(qū)域第2道內(nèi)支撐，并開挖至－12.95 m；設(shè)置預(yù)留土壩區(qū)域第3道內(nèi)支撐，并開挖至－17.75 m；設(shè)置預(yù)留土壩區(qū)域第4道內(nèi)支撐，并開挖至底。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 支護結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力分析

1）近地鐵側(cè)圍護結(jié)構(gòu)變形分析。圖5為基坑開挖至底時近隧道側(cè)的地下連續(xù)墻水平位移云圖。由圖可知，地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)發(fā)生一定位移，最大位移在墻體中下部。留土壩圍護結(jié)構(gòu)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(yīng)，表明地表沉降溝與隧道位置有密切聯(lián)系。

圖5 A、B地塊近隧道側(cè)圍護結(jié)構(gòu)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(cè)地下連續(xù)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(jié)構(gòu)向坑內(nèi)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的變形最終控制在較小的范圍內(nèi)，滿足工程的安全要求。

圖6 A地塊近地鐵側(cè)圍護結(jié)構(gòu)變形曲線

圖7 B地塊近地鐵側(cè)圍護結(jié)構(gòu)變形曲線

分析圖6、圖7可知，隨著中間預(yù)留土壩開挖，會使圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)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(jié)構(gòu)側(cè)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(cè)地表沉降變形分析。圖8為基坑開挖過程對應(yīng)的坑外地表沉降曲線，其位置位于近地鐵側(cè)基坑預(yù)

圖8 近地鐵側(cè)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(jié)果顯示各個立柱最大的沉降值為0.93 mm，未超過1 mm的規(guī)范值。此沉降不會對基坑產(chǎn)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(guī)則處，且與側(cè)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(yù)留土壩最后開挖區(qū)域近地鐵側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)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(gòu)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(xiàn)對控制截面A-A各個關(guān)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(guān)鍵控制點在平面內(nèi)的位移變形如表2所示。

圖13 A-A各個關(guān)鍵控制點位置分布

表2 各個關(guān)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(xiàn)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(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》的安全要求。

5 結(jié)語

1）在基坑開挖過程中，最大變形位置基本位于近地鐵側(cè)圍護結(jié)構(gòu)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(xiàn)為向基坑方向斜下方移動。

2）基坑開挖卸荷使地鐵管片產(chǎn)生附加彎矩，這種附加彎矩由變形產(chǎn)生，對地鐵管片呈現(xiàn)出壓扁效應(yīng)，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(cè)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(xiàn) 魚腹 狀，在距離近地鐵側(cè)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(jié)構(gòu)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(xiàn)魚腹 狀，在隨后的預(yù)留土壩小場地開挖對圍護結(jié)構(gòu)位移無明顯影響。

5）圍護結(jié)構(gòu)在開挖面中點處位移、在轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力均比較大。