黄土地区不同基坑卸载路径对近接运营地铁隧道位移的影响*

刘 义，朱武卫，张 峰，席 宇，杨 焜，李 哲，王宝玉，杨 晓

(1.陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西 西安 710082； 2.陕西建工第六建设集团有限公司，陕西 西安 712000；3.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

近年来，城市密集区地下空间工程日益增多，基坑施工与近接地铁安全运营已成为焦点。对于深大基坑施工，由于开挖土方量大、工期紧，为确保基坑高效施工及地铁安全运营，在充分考虑深大基坑施工时空效应对运营地铁影响的基础上，应采取必要、合理的控制措施。基坑合理的开挖顺序、降水路径、卸载路径及变形控制方案等需深入研究，为此，本文依托西安火车站北广场改扩建项目深大基坑工程，研究黄土地区不同基坑卸载路径对近接运营地铁4号线隧道位移的影响，并对拟采取的隧道变形控制方案进行对比分析。

1 工程概况

西安火车站北广场改扩建项目集公交、出租车、铁路运输、轨道交通等于一体，主体设计为下沉式广场，与地铁4号线、拟建地铁7号线无缝接驳。基坑长约1 000m，南北宽约140m，以北侧丹凤门为中轴线划分为东、西区，分界区采用台阶法放坡。西区基坑设置3层地下结构，最大埋深16.9m。东区基坑分为深基坑Ⅰ(西段)、浅基坑Ⅱ(东段)，深基坑Ⅰ设置5层地下结构，最大埋深32.0m，其中，地下4，5层作为拟建地铁7号线站厅和站台，地下2，3层基坑侧壁距地铁4号线左线最短水平距离约7.0m；浅基坑Ⅱ设置1层地下结构，埋深8.0m，基坑底距地铁4号线最短垂直距离约6.1m。基坑场地平均标高403.500m，地貌单元属黄土梁洼，场地土自上而下依次为杂填土、黄土、古土壤、粉质黏土，场地稳定水位埋深3.00～9.10m。

2 卸载路径

由于基坑开挖范围较大，结合GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[1]和DBJ 61—98—2015《西安城市轨道交通工程监测技术规范》[2]规定的黄土地区基坑开挖影响区范围，本工程仅需考虑东区基坑施工对地铁隧道的影响。东区基坑开挖采用明挖顺作法，为对比分析，提出以下卸载路径方案。

1)方案1 遵循先深后浅的开挖顺序，首先自上而下分段分层开挖深基坑Ⅰ，将水位降至分层开挖面以下1.0～2.0m后开挖水位线以下土体，直至深基坑Ⅰ施工完毕；然后分段分层开挖浅基坑Ⅱ，将水位降至分层开挖面以下1.0m后开挖水位线以下土体，直至浅基坑Ⅱ施工完毕。

2)方案2 相邻深浅基坑交错施工，深基坑Ⅰ地下4层及以上区域开挖同方案1，地下5层与浅基坑Ⅱ各区域分层降水与开挖同步交错施工，地下5层分层施工均先于浅基坑Ⅱ分层施工，直至浅基坑Ⅱ施工完毕。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

以隧道位移为重点研究对象，选取东区基坑1—1断面(见图1)，采用有限元分析软件MIDAS GTS NX建立二维平面应变模型，如图2所示。取分界区作为模型x向左边界，取距地下1层止水帷幕距离为3倍浅基坑Ⅱ开挖深度的位置作为模型x向右边界，取距地下5层坑底为2倍深基坑Ⅰ开挖深度的位置作为模型y向底边界，整体模型尺寸为697m×100m(长×高)。支护桩采用通过抗弯刚度等效原则[3]换算的等效厚度板单元模拟，隧道衬砌采用梁单元模拟，对撑采用桁架单元模拟，角撑采用点弹簧单元模拟，土层采用平面应变单元模拟，止水帷幕采用界面单元模拟，其刚度通过相邻单元参数借助属性助手自动计算。模型上边界为自由边界，左、右边界均约束x向水平位移，底边界同时约束x向水平位移和y向竖向位移。

图1 东区基坑1—1断面

土层采用修正莫尔-库仑本构模型[4]模拟，支护桩、隧道衬砌、对撑、角撑均采用线弹性本构模型模拟。土体材料参数如表1所示，结构材料参数如表2所示。

表1 土体材料参数

表2 结构材料参数

3.2 计算工况

根据卸载路径方案，调用软件“应力-渗流-边坡”模块，采用“激活钝化网格组”功能实现相邻深浅基坑开挖、降水(设置节点水头作为边界条件，并在不同施工阶段进行激活钝化)及支护施作等，各阶段分层降水与分层开挖交错进行，共52个分析步。依据地质勘察资料，本工程所在区域地表标高假定为403.500m，初始水位假定为397.500m。对于卸载路径方案1，选取12个主要施工阶段进行分析：①阶段1 清除杂填土，施作深基坑Ⅰ地下1～3层支护桩、止水帷幕，水位降至394.500m；②阶段2 深基坑Ⅰ地下1层开挖完毕，开挖面标高达395.500m；③阶段3 深基坑Ⅰ水位降至389.000m；④阶段4 深基坑Ⅰ地下2层开挖完毕，角撑施作完毕，开挖面标高达390.000m；⑤阶段5 深基坑Ⅰ水位降至385.000m；⑥阶段6 深基坑Ⅰ地下3层开挖完毕，角撑施作完毕，开挖面标高达386.000m，地下4，5层支护桩、止水帷幕施作完毕；⑦阶段7 深基坑Ⅰ水位降至379.500m；⑧阶段8 深基坑Ⅰ地下4层开挖完毕，角撑施作完毕，开挖面标高达380.500m；⑨阶段9 深基坑Ⅰ水位降至371.000m；⑩阶段10 深基坑Ⅰ地下5层开挖完毕，内撑、角撑施作完毕，开挖面标高达371.500m；阶段11 浅基坑Ⅱ地下1层支护桩、止水帷幕施作完毕，水位降至394.500m；阶段12 浅基坑Ⅱ地下1层开挖完毕，开挖面标高达395.500m。

对于卸载路径方案2，同样选取12个主要施工阶段进行分析，前8个阶段与方案1相同，阶段9为浅基坑Ⅱ地下1层支护桩、止水帷幕施作完毕，水位降至396.500m，开挖面标高达397.500m，深基坑Ⅰ水位降至371.000m；阶段10为深基坑Ⅰ地下5层开挖完毕，内撑、角撑施作完毕，开挖面标高达371.500m；阶段11为浅基坑Ⅱ水位降至394.500m；阶段12为浅基坑Ⅱ地下1层开挖完毕，开挖面标高达395.500m。

3.3 计算假定

结合地质勘察和设计资料等，提出以下计算假定：①土层依据现场分布平均厚度均简化为平整层；②地面超载考虑20kPa；③通过激活钝化不同标高节点水头粗略考虑施工阶段降水过程，未详细考虑流速、流量等降水因素；④隧道衬砌横向刚度折减75%，以考虑实际工程管片拼接的影响[5]。

(2)合同主义的立法，即需征得生母的同意之立法。在英国，依据1989年《儿童法》，任意认领的生效要件是:夫妻双方达成协议;协议必须“采用规定的形式”(in the prescribed form);向法院登记。“法院的功能是行政性的，而非司法性的;法院在登记时并不调查儿童的福利。”㉑在德国，“承认自己为父的男子，须按照规定的形式作出单方的、无需受领的意思表示。承认父的身份必须获得母的同意(《德国民法典》第1595条第1款)。”㉒另一方面，根据“承认”而“被认定为父的男子，有可能并非子女的生父。为了矫正这种偏差，法律允许通过法院裁判撤销父的身份”㉓。

4 隧道位移

对于卸载路径方案1，分别选取左线隧道顶部、底部、左侧、右侧监测点T1-1，B1-1，L1-1，R1-1及右线隧道顶部、底部、左侧、右侧监测点T2-1，B2-1，L2-1，R2-1监测数据进行分析；对于卸载路径方案2，分别选取左线隧道顶部、底部、左侧、右侧监测点T1-2，B1-2，L1-2，R1-2及右线隧道顶部、底部、左侧、右侧监测点T2-2，B2-2，L2-2，R2-2监测数据进行分析，结果如图3所示。水平位移正值表示偏离开挖区基坑方向，负值表示偏向开挖区基坑方向；竖向位移正值表示隆起，负值表示沉降。

图3 隧道位移

由图3可知，不同方案下，对于卸载路径相同的施工阶段1～8，右线隧道水平、竖向位移基本重合，左线隧道水平、竖向位移变化趋势一致，但数值存在一定差异；深基坑Ⅰ地下4层开挖完毕时(施工阶段8)，左、右线隧道竖向位移最小值分别达-4.8，-4.0mm。不同方案下，对于卸载路径不同的施工阶段9～12，左、右线隧道水平位移变化趋势基本一致，但数值存在一定差异，右线隧道累计水平位移基本相同；左、右线隧道竖向位移变化趋势差异显著，但累计竖向位移相差较小，这是侧方深基坑Ⅰ卸载引起的隧道沉降和上方浅基坑Ⅱ卸载引起的隧道隆起叠加所致。

深基坑Ⅰ地下5层开挖完毕时(施工阶段10)，对于方案1，左线隧道水平位移最小值达-13.0mm；左、右线隧道竖向位移最小值分别达-8.7，-5.8mm，处于沉降状态。对于方案2，右线隧道水平位移最小值达-12.0mm，左、右线隧道竖向位移最大值分别达6.0，2.2mm，处于隆起状态。

浅基坑Ⅱ地下1层开挖完毕时(施工阶段12)，对于方案1，左线隧道水平位移最小值达-12.4mm，右线隧道水平位移最小值达-12.6mm，左、右线隧道累计水平位移相差较小，这是侧方深基坑Ⅰ卸载、上方浅基坑Ⅱ卸载及相邻未开挖土体共同引起的隧道土压力不平衡所致，其受基坑施工阶段的时空路径影响不显著；左、右线隧道竖向位移最大值分别达9.8，2.5mm，处于隆起状态。对于方案2，左线隧道水平位移最小值达-11.9mm，右线隧道水平位移最小值达-12.6mm；左、右线隧道竖向位移最大值分别达10.4，2.6mm，处于隆起状态，与方案1相差较小。

综合考虑相邻深浅基坑施工的相互影响，为缩短基坑施工工期，尽快提供主体结构施工操作面，建议采用卸载路径方案2。

5 变形控制

CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[6]规定隧道竖向位移、水平位移预警值均<10mm，控制值均<20mm。采用卸载路径方案2后，左、右线隧道累计水平位移、竖向位移均未超过规范控制值，但左、右线隧道累计水平位移和左线隧道累计竖向位移均已超过规范预警值。

图4 变形控制措施1加固示意

图5 变形控制措施2加固示意

采取变形控制措施1建立模型时，土体加固区采用软件提供的改变单元属性功能实现，搅拌桩加固后的水泥土体采用弹性本构模型模拟，结合现场水泥土搅拌桩取样测试结果和文献[13]研究成果，水泥掺量为8%，20%的加固区土体弹性模量分别取为100，300MPa，隔离桩采用通过抗弯刚度等效原则换算的等效厚度板单元模拟，止水帷幕采用界面单元模拟。采取变形控制措施2建立模型时，抗拔桩采用梁单元模拟，注浆加固后土体本构模型同原土层，参考文献[14-15]研究成果，将注浆土体弹性模量取为70MPa，黏聚力取为50kPa，内摩擦角取为28°。

设置模型工况时，对于变形控制措施1，隔离桩、止水帷幕设置及隔离桩与侧方深基坑Ⅰ支护桩间土体加固在深基坑Ⅰ施工前进行，隧道顶部土体加固在深基坑Ⅰ地下4层施工完毕、浅基坑Ⅱ施工前进行；对于变形控制措施2，抗拔桩设置与隧道左、右侧土体加固在深基坑Ⅰ施工前进行，隧道顶部土体加固在深基坑Ⅰ地下4层施工完毕、浅基坑Ⅱ施工前进行。

经计算分析，2种控制措施下，左、右线隧道位移随基坑施工的发展规律与未采取控制措施时无明显变化，这主要是因为基坑卸载路径未发生变化。仅对2种控制措施下左、右线隧道最大位移进行对比分析，结果如图6所示。

图6 隧道最大位移对比

由图6a，6b可知，对于施工阶段1～8，采取2种控制措施后，左、右线隧道左、右侧水平位移变化较小，控制措施1对左线隧道的加固效果较好，水平位移较未加固时小；2种控制措施对右线隧道的加固效果相当。对于施工阶段9～12，2种控制措施对左线隧道的加固效果存在一定差异，措施1优于措施2；2种控制措施对右线隧道的加固效果相当，但未有效控制隧道水平位移。

由图6c，6d可知，对于施工阶段1～8，采取2种控制措施后，左线隧道顶部隆起略有减小、沉降略有增大；深基坑Ⅰ地下4层开挖完毕时(施工阶段8)，采取2种控制措施后，左线隧道顶部沉降均约为-5.2mm，较未加固时增大37%。对于施工阶段9～12，左线隧道顶部由沉降变为隆起，但隆起较未加固时小；浅基坑Ⅱ地下1层开挖完毕时(施工阶段12)，采取2种控制措施后，左线隧道顶部隆起分别达7.9，7.5mm，较未加固时分别减小24%，28%。2种控制措施对右线隧道竖向位移的影响较小。

6 结语

1)基坑卸载路径对近接运营地铁隧道竖向位移发展具有一定影响，但不同路径下累计竖向位移相差较小；隧道水平位移发展受基坑卸载路径的影响较小。为缩短工期，采用卸载路径方案2进行深、浅基坑同步施工。

2)隔离桩+止水帷幕+土体搅拌桩、抗拔桩+土体注浆加固措施对左、右线隧道水平位移的发展无明显改善作用，隔离桩+止水帷幕+土体搅拌桩加固措施可在一定程度上制约左线隧道水平位移的发展。

3)隔离桩+止水帷幕+土体搅拌桩、抗拔桩+土体注浆加固措施可在一定程度上减弱隧道竖向隆起。

4)考虑土体注浆加固均匀性、可控性较土体搅拌桩加固略差，建议采用隔离桩+止水帷幕+土体搅拌桩加固措施进行近接运营地铁隧道变形控制。