基坑开挖对邻近地下通道的变形影响及保护措施研究

杨万锋 金芸芸 闫雁军

1. 上海建工七建集团有限公司 上海 200050；2. 上海申元岩土工程有限公司 上海 200011

1 概述

随着我国经济的高速发展，城市规模不断扩大，但城市地上可用的面积有限，因此地下空间的开发成为城市发展的重要选项。较多的基坑工程紧邻地下通道，而基坑开挖不可避免地使相邻地下通道周围原应力场发生改变，必然引起地应力的重分布，由此会引起地下通道纵向不均匀沉降，从而对地下通道结构安全和车辆的正常运行产生严重威胁。因此，对基坑开挖施工中邻近地下通道的受力变形进行研究具有重要的工程实际意义。

近年来，国内外许多学者就基坑施工引起相邻隧道变形的问题，对控制隧道变形的施工措施开展了研究。

1996年，张鸿儒等[1]研究了深基坑开挖引起周围地层位移对地下工程设施的影响。2000年，程斌等[2]基于上海轨道交通2号线基坑工程实例，研究了基坑与近邻隧道的相互影响，指出地基基础加固和结构加固可有效控制隧道的变形。2012年，张陈蓉等[3]基于位移控制理论，对板式支护体系由于基坑开挖而引起的周边自由土体位移场的分布规律进行了探讨。2015年，郭典塔等[4]研究了基坑与车站间隔距离、基坑开挖深度等参数变化情况下，地铁车站结构的变形规律及振动响应特性。2016年，印长俊等[5]利用土工有限元软件模拟了基坑开挖对地下通道的影响。

上述研究主要探讨了基坑开挖对地上建筑物、隧道和地下管网的影响，对地下通道等深基础结构影响及采取的保护措施研究较少。

本文以上海董家渡金融城工程项目中的中山南路地下通道周边基坑施工控制为例，运用有限元软件Plaxis，建立基坑开挖的数值模型，研究邻近地下通道基坑开挖对地下通道的影响。同时，考虑到Plaxis有限元计算结果仅考虑基坑卸载对通道变形的影响，采取了设置加厚地下连续墙、止水帷幕、回灌井及基坑分层分块开挖、设置型钢换撑等保护措施，为确保地下通道的正常使用作出了贡献。

2 工程概况

拟开挖基坑东西长135 m，南北宽80 m，该基坑采用明挖法，基坑开挖深度普遍为18.5 m，采用厚1 000 mm地下连续墙作为围护结构，采用4道钢筋混凝土支撑的支护体系。第1道栈桥支撑中心标高为2.6 m，第2道支撑中心标高－2.2 m，第3道支撑中心标高－7.2 m，第4道支撑中心标高－11.2 m。支护体系的截面尺寸如表1所示。

表1 基坑支护数据

拟开挖基坑距中山南路地下通道最近处13.3 m。基坑支护结构与中山南路通道结构形式如图1所示，拟开挖基坑与中山南路通道位置关系如图2所示。

图1 横剖面

图2 中山南路通道与开挖基坑位置关系

根据工程勘察报告，本工程场地55 m以内分布的土层自上而下可划分为⑤大层及若干亚层，其中①层为填土，①3层为黄浦江两岸新近沉积层（俗称“江滩土”），④层～⑤层为全新世Q4沉积层，⑦层为上更新世Q3沉积层。计算过程中采用的土的物理指标见表2。

3 基坑开挖的数值计算与分析

3.1 原理及方法

为分析基坑开挖对地下通道的变形影响，采用连续介质有限元法对基坑开挖进行分析，建模计算中围护桩及支撑均采用线弹性模型，土体采用硬化模型（Hardeningsoil），围护结构和土体之间采用Goodman单元进行分析。硬化模型是基于Duncan-Chang双曲线模型的改进模型，根据加卸载条件，可分别采用压缩和回弹模量，且能同时考虑剪切硬化和压缩硬化，模型中的破坏准则仍为Mohr-Coulomb破坏准则。

表2 土层物理力学性质指标

地下连续墙采用板单元离散，为提高土体精度，土体采用精度较高的三角形单元离散。利用Plaxis的界面模拟地下连续墙与土体之间的相互作用，相互作用的糙率，通过截面合适的界面强度折减因子Rinter的值来模拟，将地下连续墙的摩擦力和黏聚力与土体的强度相互联系起来[6]。边界条件采用标准固定边界，约束左右水平约束和底边界固定约束（图3、图4）。

图3 计算模型

图4 有限元模型

3.2 模拟基坑开挖计算

基坑在开挖前场地考虑初始应力场，该初始应力场考虑地下通道施工对土体自重的影响，故需要在土体自重应力场的基础上考虑地下通道的作用。根据基坑实际开挖过程，基坑施工步骤如下：地下连续墙施工和桩基及基坑加固施工；基坑开挖至2.1 m，施工第1道混凝土支撑，基坑开挖至－2.7 m；施工第2道混凝土支撑，基坑开挖至－7.7m；施工第3道混凝土支撑，基坑开挖至－11.7m；施工第4道混凝土支撑，基坑开挖至－14.5m；施工底板。初始应力场作为基坑开挖模拟的初始条件（图5）。

图5 初始应力场云图

工况1：土体初始应力状态计算。

工况2：开挖到基坑底部（－14.5m）。

3.3 计算结果分析

根据基坑施工情况，对基坑开挖进行了数值模拟（图6～图8）。根据数值模拟的结果可知，基坑及地下通道在基坑开挖至基坑底的过程中均处于安全状态，其中地下通道的竖向位移为1.7 mm，最大水平位移为2.8mm。

图6 水平变形云图

图7 竖向变形云图

图8 地下通道变形

根据图6可知，基坑在开挖过程中会引起基坑外土体产生侧向位移，从而导致地下通道产生附加的位移。由图7可知，基坑在开挖至坑底时，基坑底部土体整体会隆起，其中离地下通道越近，基坑隆起的位移越大。从图8可知，邻近地下通道的基坑开挖会引起地下通道的整体下沉以及向基坑内侧偏移的水平位移。在仅考虑基坑开挖卸载的情况下，地下通道水平位移比竖向位移大，但计算位移均在允许范围内。

4 控制及保护措施

考虑地下通道的位移是多重因素耦合引起的，比如基坑开挖、基坑内水位下降及拆撑地下室结构回筑等都会引起地下通道的位移。为确保地下通道的正常使用和安全，本工程在基坑开挖前及地下室回筑阶段采取了5种措施：

1）为提高围护结构刚度，地下连续墙厚度增至1 000 mm，同时邻通道侧地下连续墙采用十字钢板接头的形式，以增强地下连续墙止水性能。

2）基坑开挖过程中需抽承压水，为控制降承压水对通道产生影响，在地下连续墙墙底增加14 m的构造配筋止水段。

3）为控制基坑开挖降水对地下通道的影响，在靠近地下通道侧的拟开挖基坑地下连续墙外侧设置回灌井。

4）基坑开挖过程中严格按照挖土支撑施工方案组织施工，采取分层、分块开挖，开挖完成后保证基坑支撑及时形成。

5）为减小拆撑过程中的基坑变形，在近地下通道侧设置首道撑换撑，有效控制基坑变形对地下通道的影响。

5 结语

本文以中山南路地下通道为依托，利用土工有限元软件Plaxis分析了深基坑开挖对邻近地下通道的位移变形影响。在仅考虑基坑土体卸载的情况下，计算结果表明，邻近地下通道的基坑开挖会引起地下通道的整体下沉和向基坑内侧的水平位移。计算表明，基坑开挖引起地下通道的位移均在允许范围内，整个基坑及地下通道处于安全状态。考虑地下通道的位移是多重因素耦合引起的，为确保地下通道的正常使用和安全，提出增加围护结构刚度、地下连续墙底端设置止水帷幕、设置回灌井、分层分块开挖、设置型钢换撑等5种控制变形及保护地下通道的措施。