深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道及民房變形的影響分析

文／伯洋洋 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江杭州 311122

引言：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，越來越多的城市通過建設(shè)地鐵來緩解交通擁堵問題。但城市空間有限，鄰近地鐵隧道的深基坑工程不斷涌現(xiàn)。基坑開挖時(shí)不可避免的會(huì)造成周邊土體位移，從而引起地鐵隧道變形。例如，臺(tái)北某基坑施工引起鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的水平位移達(dá)50mm，水平方向收斂變形21.5mm、豎向收斂變形21.4mm，過大的位移和變形將嚴(yán)重影響地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

目前已有大量的學(xué)者就深基坑開挖對(duì)地鐵隧道和建（構(gòu)）筑物變形的影響進(jìn)行了研究：（1）采用三維模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式研究了基坑開挖對(duì)鄰近既有地鐵隧道變形的影響。（2）通過對(duì)軟土地層鄰近隧道深基坑工程案例進(jìn)行總結(jié)，形成了包括分區(qū)設(shè)計(jì)、軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐系統(tǒng)、坑內(nèi)土體加固、坑外隔斷及承壓水控制等較為成熟的基坑變形控制設(shè)計(jì)方案。（3）就基坑開挖、地表超載、承壓含水層減壓及降水方式等對(duì)已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)保護(hù)措施。（4）利用有限元數(shù)值模擬分析了軟黏土地層中深基坑開挖引起的土體擾動(dòng)對(duì)既有地鐵隧道受力及變形的影響，并對(duì)加固處理措施提出了建議。（5）通過深入分析地鐵盾構(gòu)隧道水平位移和沉降的時(shí)空分布規(guī)律，總結(jié)了基坑開挖對(duì)鄰近既有地鐵隧道位移和變形的影響規(guī)律。（6）采用數(shù)值模擬分析了兩側(cè)深基坑施工對(duì)其間的淺埋既有地鐵隧道變形的影響。

論文以深圳某鄰近地鐵隧道和2層淺基礎(chǔ)民房的深基坑工程為案例，利用有限元分析軟件詳細(xì)分析了基坑開挖對(duì)地鐵隧道和建筑物變形的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果印證了分析結(jié)論和設(shè)計(jì)方案的合理性與可靠性，為類似鄰近地鐵隧道及建筑物的深基坑支護(hù)方案提供參考和借鑒。

1、依托工程概況

1.1 基坑工程總體布置

本深基坑工程位于深圳市中心地段，周邊環(huán)境（見圖1）復(fù)雜，北側(cè)和東側(cè)均為市政道路，西側(cè)為人行道，西南側(cè)為民房，距離基坑約4.95m～23.84m。地鐵隧道沿基坑北側(cè)道路下方敷設(shè)，內(nèi)徑6.0m、外徑6.7m，埋深約18m，與基坑最小凈距4.77 m?；娱L(zhǎng)28.0m，寬13.6m，深39.8m?？紤]到基坑開挖深度大，距地鐵隧道及民房近，因此必須嚴(yán)格控制基坑變形，保證周邊環(huán)境和建筑物安全。

圖1 基坑周邊環(huán)境

綜合考慮基坑周邊環(huán)境及采用咬合樁支護(hù)可能導(dǎo)致的樁底劈叉及滲漏風(fēng)險(xiǎn)，基坑支護(hù)采用1m厚地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置3道鋼筋混凝土支撐+4道鋼支撐，混凝土支撐尺寸為0.8m×0.8m，鋼支撐外徑800mm，壁厚16mm。同時(shí)對(duì)近基坑側(cè)民房基礎(chǔ)下土層采用單液漿進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿加固。

1.2 工程地質(zhì)條件

基坑從上至下分別穿越素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化含礫砂巖、土狀及塊狀強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、中風(fēng)化含礫砂巖，基坑地質(zhì)剖面圖詳見圖2，基坑底位于中風(fēng)化含礫砂巖。地鐵隧道主要位于中風(fēng)化含礫砂巖中。

圖2 基坑地質(zhì)剖面圖

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 水文條件

場(chǎng)地內(nèi)地下水主要有2種類型：（1）第四系松散巖類孔隙水，主要賦存于沖洪積砂層和殘積土層中；（2）基巖/構(gòu)造裂隙水，主要存在于塊狀強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、中風(fēng)化帶和斷裂構(gòu)造裂隙中，略具承壓性?？辈炱陂g，場(chǎng)地內(nèi)穩(wěn)定地下水位埋深約3.1m?？垢∷蝗≈恋乇?。

2、有限元模型分析

2.1 模型建立

采用MIDAS GTS NX軟件建立二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。土體采用平面應(yīng)變單元模擬，地鐵隧道與基坑地連墻、支撐采用兩單位模擬，并考慮分步開挖支護(hù)，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況更為貼近。在數(shù)值分析過程中做了如下假設(shè)：（1）認(rèn)為各地層均為水平狀均勻分布且為各向同性體，地鐵隧道、地連墻、支撐等結(jié)構(gòu)的受力、變形均在彈性范圍內(nèi)；（2）土層采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，為彈塑性連續(xù)體，在基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形是連續(xù)的。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

有限元模型（見圖3）尺寸為長(zhǎng)×寬=120m×57m，共建立27224個(gè)單元，27534個(gè)節(jié)點(diǎn)。在模型左側(cè)和右側(cè)均施加水平向約束，在模型底部施加水平向約束和豎向約束。

圖3 有限元模型

2.2 分析過程

論文主要研究基坑開挖對(duì)地鐵區(qū)間及民房變形的影響，分析對(duì)象為基坑開挖引起的增量位移，因此需對(duì)地層初始應(yīng)力、地鐵隧道及民房施工引起的位移進(jìn)行清零。在施加地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)后，采用逐步開挖、支撐、拆撐、施工結(jié)構(gòu)板的方式進(jìn)行模擬計(jì)算。本次模擬共計(jì)算32個(gè)施工步序。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 地表最大沉降分析

隨著基坑開挖的進(jìn)行，地表沉降逐漸增大，且距基坑兩側(cè)一定距離的地表均出現(xiàn)了明顯的沉降槽。當(dāng)開挖到基坑底時(shí)，地表沉降（詳見圖4）達(dá)到最大，為6.25mm，小于控制值30mm，滿足周邊市政道路及人行道正常使用要求。

圖4 開挖至基底時(shí)地層沉降云圖

2.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形分析

隨著基坑開挖的進(jìn)行，地連墻最大水平變形逐漸增大。當(dāng)開挖到基坑底時(shí)，地連墻水平變形（詳見圖5）達(dá)到最大值，最大值出現(xiàn)在第五道支撐與第六道支撐之間、靠近民房側(cè)，為3.32mm，遠(yuǎn)小于《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SJG05-2020規(guī)定的限值30mm，滿足要求。

圖5 開挖至基底時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形云圖

2.3.3 地鐵隧道最大位移分析

分析發(fā)現(xiàn)，地鐵隧道最大位移均隨著基坑開挖深度的增大而增大?；娱_挖到底時(shí)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移及水平位移均達(dá)到最大值，近基坑側(cè)地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為3.73mm（詳見圖6）、最大水平位移為2.27mm（詳見圖7），遠(yuǎn)離基坑側(cè)地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為1.09mm、最大水平位移為1.05mm。說明鄰近基坑開挖對(duì)地鐵隧道有一定的影響，但影響程度較小，隧道最大位移均小于深圳地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值10mm，滿足《深圳市地鐵運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法（2018年版）》要求；且當(dāng)基坑與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的凈距越大時(shí)，基坑開挖對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響越小。

圖6 開挖至基底時(shí)地鐵隧道最大豎向位移

圖7 開挖至基底時(shí)地鐵隧道最大水平位移

2.3.4 民房?jī)A斜度分析

隨著基坑逐步開挖，民房沉降逐漸增大。當(dāng)開挖到基坑時(shí)，民房沉降達(dá)到最大值，最大值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離基坑側(cè)，為4.77mm。原因主要是民房距離基坑較近，且位于沉降槽最大值位置與基坑之間，遠(yuǎn)離基坑側(cè)基礎(chǔ)受地表沉降影響更大，故其沉降相對(duì)近基坑側(cè)更大。民房基礎(chǔ)最大傾斜度為0.04%，遠(yuǎn)小于（GB5007-2011）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的允許值0.2%，滿足使用要求。

3、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地表沉降、支護(hù)樁最大水平位移、地鐵隧道最大位移及民房沉降的變化規(guī)律與數(shù)值模擬基本一致，具體數(shù)值大小雖存在一定的差別，但均在可接受范圍內(nèi)。地連墻水平變形、地表沉降、地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平和豎向位移、民房沉降的最大值均發(fā)生在基坑開挖至基底時(shí)。

地表最大沉降10.68mm，相對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果增加4.43mm，增大70.9%，主要原因是市政道路車輛荷載的振動(dòng)作用。地連墻最大水平變形5.03mm，相對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果增加1.71mm，增大51.5%，主要原因是支撐架設(shè)不及時(shí)，導(dǎo)致地連墻變形加大。地鐵隧道最大水平位移4.30mm，相對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果增加0.57mm，增大15.3%；最大豎向位移3.08mm，相對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果增加0.81mm，增大35.6%，主要原因是地鐵隧道貫通僅1年左右，自身變形未完全穩(wěn)定，與深基坑開挖影響疊加導(dǎo)致變形增大。2層淺基礎(chǔ)民房近基坑側(cè)最大沉降5.28mm，遠(yuǎn)離基坑側(cè)最大沉降6.37mm，傾斜度0.03%，與數(shù)值模擬結(jié)果相當(dāng)。

結(jié)語：

依托深圳市某深基坑工程，利用有限元數(shù)值模擬研究了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道及民房變形的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析驗(yàn)證了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案的合理性和安全性，得到主要結(jié)論如下：（1）對(duì)該地區(qū)的類似基坑采用“1m厚地連墻+7道內(nèi)支撐”的支護(hù)體系，能有效控制基坑及周邊建（構(gòu)）筑物變形，滿足規(guī)范要求；（2）隨著基坑逐步開挖，基坑周邊地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移、地鐵隧道最大位移及民房沉降均逐漸增大，在開挖至基底時(shí)達(dá)到最大值；（3）利用有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證的方法對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及周邊建構(gòu)筑物進(jìn)行綜合評(píng)估是有效且可靠的，類似工程可參考借鑒。