深基坑开挖对临近地铁隧道的影响

陈家钦

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

1 引言

不断发展的城市化进程提高了人民对美好生活的需求，在该背景下，为节约城市建设资源，工程建设方向转向高空和地下。近年来，随着基坑开挖规模和深度的不断加大，在复杂环境条件下的深基坑工程不仅要解决技术难题，还要考虑社会问题，如何解决深基坑对邻近地铁隧道的影响，这对岩土工程来说是一个新的和具有挑战性的课题。

2 工程概况

该工程包括两块地块，其中一块住宅用地（86-1） 有着173150 平方米的建筑总面积173160以及50336 平方米的地下室面积，另外一块为商业用地 （86-2），共有地下室 3-4 个，地下室面积为126950 平方米。该地铁隧道项目周围的管道异常复杂，基坑周边环境如图1 所示。

图1 基坑周边环境示意图

3 数值模型

当前人们常采用本构模型对地层应力及应变进行模拟。在众多本构模型中，本文选用的是HSS 模型。采用四面体作为网络单元，采用GOODMAN 作为接触面单元。分别选取支撑结构下部土壤单元以及支撑结构周围土壤单元的加密系数为1 和0.8；具体模型建立如图2 和图3所示。以加权简化的方式按土层厚度将土壤等效为四层：粘性泥沙，砂质泥沙，泥质泥沙和粉质土。所建立的三维模型如图4 所示。

图2 整体网格划分图

图3 结构网格划分图

图4 整体模型透视图

4 数值模拟结果与实测结构对比分析

4.1 围护结构变形

从图5 中可以看出，隧道侧的侧向围护结构的最大水平变形大于隧道侧围护结构的最大水平变形。这是因为近地铁侧封闭结构已连接了地面墙和钻孔桩。而另一侧围堰结构仅存在有钻孔桩。再挖掘面下约15m 处存在有变形的最大值，但水平变形的最大值未超过0.005H，满足要求。

图5 结构水平位移图

4.2 墙后地表沉降

从图 7 和图 8 可看出，HS 模型和 MC 模型均显示出在墙后隧道上方发生土体隆起，实测数据表明，有沉降在隧道后方墙体以上的土壤发生，该种趋势和HSS 模型所得规律一致。分析原因可知，MC 模型没有对土体卸荷回弹的情况进行考虑，并忽略了土体小应变。随着隧道开挖深度的不断加大，墙后土体位移进一步加大，导致其影响范围不断加大。在一倍的挡土墙开挖范围内，表面位移达到最大值，并30m 之后开始趋于平缓。对于地表位移而言，因没有隆起出现在隧道正上方，故对地表位移的影响较小。

图6 隧道监测点平面图

图7 DB3 地表沉降

图8 DB5 地表沉降

4.3 隧道位移

4.3.1 隧道沉降

从结果可以看出，相比于南侧隧道，北侧隧道有较大的位移。鉴于监测点的布设方位，将隧道的垂直位移规定为与隧道和基坑最为接近的点的垂直位移。图9 显示了基坑开挖完成时北侧隧道模型沉降分析。图10 则是该隧道的沉降监测与分析比较图，可看出，隧道沉降与基坑开挖深度成正比。

图9 北侧隧道沉降图

图10 北侧隧道沉降

4.3.2 水平位移

图11 北侧隧道水平位移图

图12 北侧隧道水平位移

考虑到监测点的位置，选择最靠近隧道和基坑的点的垂直位移作为隧道的垂直位移。从上图可看出，每个模型具有相同的变化趋势，其中，分析结果最大的是MC 模型，HS 模型次之，最小的是HSS 模型。监测数据与HSS 模型有着一样的变化趋势。

5 基坑开挖对临近地铁隧道的影响

5.1 隧道与基坑相对位置影响

隧道与基坑水平距离影响如图13 所示，竖向距离影响如图14 所示。

图13 水平距离影响图

图14 竖向距离影响图

5.2 考虑隧道侧土体扰动的影响

若所扰动土层有着1m 以上的厚度时，隧道沉降受土体扰动的影响较大。隧道的水平位移和土墙的水平位移均与扰动土层厚度成正比关系。隧道的最大收敛值也与扰动土层厚度成正比关系。此外，隧道收敛值在0.5m 的扰动土层厚度环境下的数值较小；但扰动土层厚度上升到1m时，水平和垂直收敛值都会增加2 倍。之后，受干扰隧道厚度的增加会增加收敛值。比较图15和图16，可以发现土壤扰动越强，变形增加值越大。

图15 土体扰动强度折减为二分之一影响图

图16 土体扰动强度折减为三分之一影响图

5.3 分区开挖的影响

图17 分区开挖影响图

如图17 所示，计算结果表明，采取非分区开挖时，隧道沉降和水平位移均大于区域开挖，且不对称开挖区的开挖位移大于对称开挖区。另一方面，隧道收敛值的对称分区开挖挖掘比不对称区挖掘小2mm。所以，在施工过程中要根据时空效应的原理，以分段对称的方式对基坑进行开挖，从而降低其对周围环境的影响。

6 结语

本文通过特定的工程分析和数值模拟相结合的方法，对开挖深基坑与地铁隧道的沉降、 水平位移、 横向和纵向收敛与地连墙水平位移之间的关系进行了分析研究。同时，还对隧道与基坑的相对位置，隧道周围土体的扰动，隧道开挖以及对隧道位移变形的影响进行了探讨。得出以下结论：

（1） 随着隧道与基坑水平距离的增加，隧道位移和收敛程度减小。当隧道埋深接近基坑底部时，隧道的位移和收敛较大，随着隧道与基坑高差绝对值的增大而减小。

（2） 基坑开挖可有效降低开挖对邻近地铁隧道的影响，对称分区开挖效果明显优于非对称分区。