软土地区深基坑施工对邻近运营地铁隧道影响的实测分析

徐建勇，钱丽英，周　时

（浙江省交通规划设计研究院，杭州　310000）

软土地区深基坑施工对邻近运营地铁隧道影响的实测分析

徐建勇，钱丽英，周时

（浙江省交通规划设计研究院，杭州310000）

以某沿海城市软土地区邻近营运地铁深基坑工程为实例，采用自动化监测方法对地铁隧道结构变形进行动态监测，分析基坑施工过程对其产生的影响。监测和分析结果表明：该地铁隧道在施工过程中发生了侧移、沉降、收敛等变形，基坑施工采取分块开挖、土体加固、抢筑底板等措施处治后隧道变形发展得到较好控制；隧道变形与基坑开挖卸荷、深层淤泥质土体流塑变形紧密相关。

基坑；地铁隧道；开挖；变形；自动化监测

基坑施工引起的土体应力重分布和水位变化会导致周边建筑土体变形。尤其在软土地区，因土层含水率高、透水性低，具有明显的蠕变和触变性，故受力后结构易被破坏，造成的后果更为严重。我国城市轨道交通发展较快的城市多为沿海和沿江城市，软土地区覆盖面积大，随着地铁沿线高强度、高密度的物业开发产生了大量深基坑工程，邻近地铁的软土深基坑工程问题日益凸显［1］。

与普通基坑相比，软土基坑施工对邻近地铁隧道扰动影响往往较显著，其会导致隧道结构变形，致使不均匀沉降、渗漏水、裂缝等一系列隧道病害产生，从而会降低隧道的耐久性和适用性，对其结构和功能安全造成十分不利的影响，甚至可能威胁到地铁的行车安全，造成难以估量的严重事故。目前还缺乏成熟和完善的方法体系来指导地铁保护施工，故基坑施工期间地铁变形监测便成为直接、有效的技术参考［2］。

近年来，随着科技水平不断提高，大量高精度、智能化的先进仪器和设备被不断应用于地铁隧道监测中［3-5］，推动了隧道监测技术的快速进步。目前认可度较高的监测方法是以高精度智能化全站仪为基础，利用计算机技术和现代化数据传输方式来实现远程控制的自动化监测。该方法目前已在北京、广州、上海、南京、天津等地得到应用［6-8］。本文以某沿海城市软土地质深基坑工程为背景，采用徕卡TM50测量机器人并结合专业变形监测软件GeoMos构建自动化监测系统，对邻近基坑的营运地铁隧道结构体变形进行实时监测，分析基坑施工过程各阶段隧道结构变形的特点与规律，为地铁监测与软土地区深基坑地铁保护施工提供参考。

1　工程背景

某大型综合体建设项目占地约7万m2，基坑工程包含为南、北2块区域，设3层地下室，开挖深度13.1～15.2 m。北区基坑周长624 m，面积18 780 m2；南区基坑周长768 m，面积27 190 m2。基坑东侧邻近运营地铁，该区域基坑开挖深度14 m，对应区间的地铁隧道埋深17.5 m。北基坑东北角距离地铁隧道最近，约22 m；南基坑东南角距离地铁隧道最远，约56 m。

项目场地所在地貌单元属冲海积平原。根据钻探、野外鉴别并结合室内试验及原位测试，在场地勘探深度72.00 m范围内，可划分7个工程地质层，14个亚层。自上而下分别为：①-1杂填土、①-2耕土、①-3塘泥、②-1粘质粉土、②-2粉质粘土、②-3粉质粘土夹粉土、③-1淤泥质粘土、③-2淤泥质粉质粘土、④粉质粘土、⑤粉砂、⑥卵石、⑦-1、⑦-2强风化泥质粉砂岩、⑦-3中风化泥质粉砂岩。基坑开挖涉及土层及物理力学参数如表1所示。

表1　开挖土层物理力学参数

基坑工程围护结构一般段设置为1排Φ1 000 mm钻孔灌注桩（挡土桩）+1排Φ850 mm三轴水泥搅拌桩（止水帷幕）；基坑东侧邻近地铁隧道，其围护结构设计进行了加强，设置为1排Φ1 000 mm钻孔灌注桩+2排Φ850 mm三轴水泥搅拌桩+1排Φ800 mm钻孔灌注桩，桩底标高-35 m。基坑围护结构与地铁隧道位置关系如图1所示。

图1　基坑与地铁隧道关系剖面示意

2　自动化监测系统

2.1监测系统组成

2.1.1硬件系统

硬件系统主要由徕卡TM50测量机器人、标准精密测距棱镜、通信模块、供电箱、计算机等组成。

Nova TM50是徕卡新一代精密监测机器人，其功能与特性适用于隧道监测。其具备以下特点：1）高精度。角度精度0.5″，精密测距精度为0.6 mm+ 1 ppm，恶劣环境下目标识别距离可达1 200 m以上，满足隧道变形监测精度。2）自动化。仪器自动按照预设测量计划进行自主观测、存储数据。3）智能化。具有一定处理问题能力，如监测点遮挡、灰尘干扰等。4）小视场技术。仪器能够快速、准确地识别正确目标棱镜，排除隧道狭长空间造成仪器视场内棱镜紧密分布带来的干扰。

使用徕卡L型标准精密测距棱镜作为观测标志，将其用膨胀螺丝固定在隧道内，可被测量机器人自动跟踪锁定并进行精密测量。

通信模块用来实现计算机对测量机器人的远程控制和监测数据实时传输，传输模式采用无线3 G模式。

2.1.2软件系统

软件系统采用专业变形监测软件GeoMos。该软件是徕卡公司基于徕卡测量系统研发的，可用于实现计算机远程控制、配置测量机器人及数据处理。

2.2监测范围及内容

监测范围包括保护区内地铁隧道与近地铁侧基坑周边土体。地铁隧道监测范围包含基坑开挖边界对应的上行与下行线2条隧道区间（长约230 m）及两端延伸50 m区间。上行线监测区间起止里程桩号为SDK7+212～SDK7+564，起止管片环号为735—445；下行线隧道监测区间起止里程桩号为XDK7+209～XDK7+561，起止管片环号为735—445；上、下行线隧道监测区间分别长350 m。

隧道变形监测主要包括：1）隧道沉降；2）隧道水平位移；3）隧道收敛；4）轨顶沉降。另外，以人工观测方式对基坑与地铁隧道间深层土体水平位移、地表沉降进行监测。

2.3监测网布设

测站：上行线隧道和距离基坑较近的下行线隧道分别布置1台和2台机器人，且均采用钢支架将机器人固定于洞壁并强制对中。

监测断面：上行线每12 m布置1个监测断面，延伸段布置2个；下行线每6 m布置1个，延伸段每12 m布置1个。每个监测断面安装4个L型棱镜，分布在隧道拱腰与道床两侧，如图2所示。监测断面与基坑平面关系如图3所示。

基准点：基准点布置在变形监测区以外50～100 m范围内。上行线两端分别布置4个后视点，下行线两端分别布置6个后视点。

图2　监测断面示意

图3　基坑与地铁隧道平面关系示意

3　监测结果分析

上行线隧道距离基坑较远，变形监测值相对较小，且其规律与特点不突出，滞后效应明显。因此本文选取距离基坑较近的下行线隧道作为研究对象，对其变形监测情况进行分析。

3.1桩基工程施工期间隧道变形分析

基坑东侧桩基工程于2015年3月3日动工，从南向北推进施工，6月3日全部完成，工期144 d。桩基施工期间，隧道沉降、水平位移、收敛累计变量均在1.0 mm以内。

桩基工程结束后，下行线隧道各项累计变量分布情况如图4所示。图4中，字母X代表下行线隧道，数字代表管片环号，沉降负值表示竖直向下变形，水平位移负值表示变形朝向基坑，收敛负值表示水平向外扩张。

图4　桩基施工结束隧道累计变量分布曲线示意

从图4可以看出，保护区内隧道沉降与收敛累计变量较小，变化分布随机性较明显。总体看，钻孔灌注桩与三轴搅拌桩施工对距离22 m以外的地铁隧道未造成明显影响。

3.2土方开挖施工期隧道变形分析

土方开挖均按自西向东推进、先南区基坑后北区基坑顺序进行，支撑梁施工随开挖进度展开。第1～4层土方厚度分别为2.1、5.0、4.5和3.5 m。

3.2.1第1层土方施工

截至土方开挖前，隧道各项监测累计变量增长均未超过0.3 mm，基坑东部第1层土方开挖全部完成时隧道沉降、收敛累计变量基本在1.5 mm以内，朝基坑方向的水平位移累计最大变量达3.1 mm。第1层土方施工结束后，下行线隧道各项累计变量分布情况如图5所示。

图5　第1层土方施工结束隧道累计变量分布曲线示意

由图5可以看出，隧道整体表现为轻微隆起并朝基坑移动，同时管片结构发生水平向外的收敛变形，隧道变形主要集中在中部区间。对产生这种现象的原因进行了分析，认为有可能是土方开挖的卸荷效应使影响区内隧道斜上方土体应力减小，而隧道对称端的土体应力基本不变，形成了对隧道朝斜上方向的推力，致使隧道隆起与侧移，水平位移变量大于收敛变量。

3.2.2第2层土方施工

截至第2层土方开挖前，下行线隧道沉降、收敛累计变量维持原水平，水平位移累计最大变量增长0.5 mm。基坑东部第2层土方开挖全部完成时隧道沉降变化不大，水平位移累计最大变量达5.2 mm（报警值4 mm），收敛累计最大变量2.6 mm。第2层土方施工结束后，下行线隧道各项累计变量分布情况如图6所示。

图6　第2层土方施工结束隧道累计变量分布曲线示意

从图6可以看出，随着开挖深度增加，隧道所受影响越发明显，结构变形表现出新的变化特征：北区基坑对应的隧道区间开始出现下沉趋势；水平位移与收敛累计变量曲线已呈现较明显的“W”型分布特点；“W”曲线底部的2个拐点为累计变形较大管片，分别与南北区基坑对应。

3.2.3第3层土方施工

北区基坑第3层土方开挖时，即刻监测到水平位移有较快的持续增长，土方开挖停止后水平位移增速放缓，1个月后逐渐稳定在13.3 mm。第3层土施工结束后，下行线隧道水平位移累计变量分布变化如图7所示。

图7　第3层土方施工结束隧道水平位移累计变量分布曲线示意

从图7可以看出，第3层土方开挖与隧道变形有较直观的因果关系，其中北区基坑表现较显著；第3层土方开挖前后，水平位移均有一定程度发展，表明暴露的基坑对隧道有较持续的影响。

3.2.4第4层土方开挖及底板施工

针对地铁隧道持续变形的情况，对后续施工方案进行了调整，即：南区基坑东侧划分成6个区块进行分块跳挖与底板浇筑施工；考虑到北区基坑开挖对地铁影响较大，该段地铁隧道处于淤泥质土层，地质环境复杂，施工风险高，经多方论证后确定采用减层方案，即距离东侧原开挖边界线20 m范围内不再进行土方开挖，地下3层设计改为地下2层，采用拉森钢板桩对该区域土体进行加固，其余区域划分成5块，依照“先中间后两边、左右对称、抢工抢险”原则进行施工，尽快完成底板封闭。

2015年11月6日，南区基坑东侧开始实施分块开挖和底板施工，12月11日完成施工。12月18日开始，北区基坑东部依照减层方案进行施工。本文选取隧道水平位移变形2处突出区间的监测点来代表南区和北区基坑对应隧道区间的变形特征，绘制时间与隧道变形关系曲线，如图8所示。

图8　北、南基坑对应的隧道变形曲线示意

从图8可以看出：1）北区基坑采用减层方案施工后其对应隧道区间变形有所发展但相对平缓，基坑施工对隧道影响程度有较明显的降低；2）北区基坑东侧所有底板浇筑完成后隧道变形渐趋向稳定；3）南区基坑东侧进行分块开挖施工后，开挖深度增加但对应隧道区间变形无明显加剧，底板浇筑完成后隧道变形渐趋平稳；4）底板浇筑完成一段时间后南区基坑对应隧道区间再次出现变形发展，原因可能与紧邻的北区基坑开挖施工有关，当北区基坑底板浇筑完成后，南区基坑对应隧道区间变形重新趋于稳定。

3.3影响因素分析

从基坑各阶段施工内容、施工进度、现场作业等方面，结合各项监测数据对地铁隧道变形的影响因素进行如下分析：

1）桩基施工阶段，隧道变形监测值较小，无明显规律性，仅水平位移变化有一定程度体现，原因可能与钻孔灌注桩、三轴搅拌桩施工扰动较小且距离地铁隧道有一定距离有关。

2）土方开挖前期，地铁隧道表现为朝向基坑的侧向移动伴有轻微上浮与水平向外的收敛，原因可能与基坑内大面积土方开挖产生的卸荷效应有关。

3）第2层土方开挖以后，地铁隧道水平位移增长较快，沉降与收敛增长相对较慢，土方施工末期沉降增长加快，原因可能与隧道受逐步靠近的开挖施工与不断增强的卸荷作用影响有关。

4）施工进度相对迟缓。基坑东部第1、2层土方开挖工期超过2个月，混凝土支撑施工耗时均超过15 d，造成基坑在相对缺乏支撑力的情况下长时间暴露。

5）开挖作业面控制不足。前期土方开挖未采用分区施工，大面积敞开式挖土施工产生较强卸荷作用，导致周边土体应力剧烈变化。

6）围护结构设计考虑不足。基坑东侧深层土体水平位移监测结果显示，该区域土体明显朝向基坑变形，最大水平位移发生在约22 m深度位置，地铁隧道顶部埋深17.5 m；土方开挖末期地表出现多处裂缝、沉陷，基坑内也有漏泥现象，在对应地铁隧道变形集中位置的基坑外侧钻孔勘探发现有地下空洞形成，注浆填充消耗约60 m3混凝土。对地勘资料与设计图纸进行了对比分析，发现基坑东侧止水帷幕设计深度25 m，底部处于淤泥质土层中。由此推测，随着基坑深度增加，坑底土体受到的水土压力差会不断增大，在淤泥质土层中基坑外侧土体在内外压力差作用下很快进入流塑状态，由于挡土桩的隔绝作用有限，淤泥土很可能穿过挡土桩间隙从止水帷幕底部进入基坑，这种情况在局部区域持续发展一段时间后便会形成管涌，而管涌造成的坑外水土流失会导致一系列工程及周边环境问题。基坑东侧深层土体水平位移监测结果如图9所示。

图9　深层土体水平位移曲线示意

4　结论

1）邻近地铁隧道的单侧深基坑开挖会使地铁隧道朝向基坑侧向移动，从而会引起隧道结构产生收敛、不均匀沉降变形，增加开挖深度，隧道变形特征也随之变化。

2）软土地区周边环境对深基坑开挖影响十分敏感，大面积开挖、长时间暴露不利的影响显著，应尽快、及时完成支护体系形成有效保护。对应地铁隧道变形敏感区块施工应提前备好各项处治预案，避免地铁隧道发生不可控变形。

3）在本文提到的基坑工程施工过程中，基础底板对地铁隧道变形发展的控制效果显著，但混凝土支撑作用相对不足。

4）软土地区复杂的地质条件给工程带来的影响更为复杂，本文提到的基坑开挖等因素引起深层土体变形与地铁隧道侧移、变形有密切联系。因此，基坑施工过程中全面掌握周边深层土体情况，及时分析监测结果，将有助于预防隐性灾害产生。

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［2］李瑛，陈金友，黄锡刚，等.大面积卸荷对下卧地铁隧道影响的数值分析［J］.岩土力学，2013，35（增2）：643-646.

［3］陈喜凤，黄腾，刘岭，等.GeoMoS在地铁保护区自动化监测中的应用［J］.测绘工程，2013，22（2）：64-69.

［4］范本.基于测量机器人TM30技术地铁隧道建设自动变形监测研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［5］冯龙飞.基坑开挖对侧方地铁盾构隧道的变形影响及控制措施研究［D］.广州：华南理工大学，2014.

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Measuring&Analysis of Influence to Adjacent Operating Subway Tunnel from Soft Soil Area Deep Foundation Pit Construction

XU Jianyong，QIAN Liying，ZHOU Shi

This paper，taking deep foundation pit project adjacent to operating subway in soft soil area in certain coastal city as an example，uses automatic monitoring method to carry out dynamic monitoring of the structural deformation of subway tunnel，to analyze the influence by foundation pit construction.The monitoring and analysis results show that the subway tunnel undergoes deformation such as side shift，settlement，restrain，etc.，during foundation pit construction，after taking treatment measures such as block excavation，soil reinforcement，bed plate casting，etc.for foundation pit construction，the tunnel deformation was well controlled.The tunnel deformation is closely related with foundation pit excavation，plastic deformation of soil mass of deep layer sludge soil.

Foundation pit；subway tunnel；excavation；deformation；automatic monitoring

1009-6477（2016）04-0110-06

U459.3

B

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.025

2016-02-18

徐建勇（1964-），男，浙江省永康市人，本科，高工。