黄土区基坑施工诱发地铁隧道位移及加固措施分析*

席 宇 ，朱武卫，姚永辉，刘 义，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.陕西建工机械施工集团有限公司，陕西 西安 710032；3.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

近年来，随着城市发展，新旧建筑更新交替，城市密集区的地上空间开发日渐受限，为便于人员出行，改善生活环境，与地铁接驳的下沉式广场、车站等地下空间工程开发日益增多，近而也引发了近年来城市密集区地下空间工程建设的热点问题——基坑施工与近接地铁的安全运营相互牵制。为确保基坑施工顺利推进，首要考虑的是基坑施工能否满足近接地铁安全运营的要求。

行业标准CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》规定[1]：外部作业影响预评估应在外部作业实施前，采用理论分析、模型试验、数值模拟等方法，预测外部作业对城市轨道交通结构的不利影响，并应结合城市轨道交通结构现状评估确定的结构安全控制指标值，评估外部作业方案的可行性。因此，开展城市密集区基坑施工动态过程对近接运营地铁的隧道位移预测十分必要。

本文依托西安火车站北广场改扩建项目深大基坑工程，开展黄土区基坑开挖卸荷及降水耦合作用下近接运营地铁4号线的隧道位移研究，并对隧道拟采取的加固措施控制效果进行分析。

1 工程概况

1.1 基坑概况

西安火车站北广场改扩建项目位于新城区自强东路以南、陇海线及北站房以北、西闸口以东、太华南路以西，整个广场主体结构位于地下，基坑开挖范围东西长达1 000m，南北宽约140m，利用北广场地下设施建设公交、出租等客运一体化的综合交通枢纽，同时实现与地铁4号线、拟建7号线无缝接驳。

整个站改基坑以其北侧丹凤门中轴划分为东区、西区两部分，西区地下结构设3层，最大埋置深度16.9m；东区基坑再分为基坑Ⅰ(西段)、基坑Ⅱ(东段)两部分，基坑Ⅰ设地下结构5层，最大埋置深度32.0m，地下4层、地下5层作为拟建地铁7号线的站厅和站台，地下2层、地下3层基坑侧壁距地铁4号线左线最短水平距离约7.0m；基坑Ⅱ地下结构设1层，地下埋深8.0m，基坑底距左线隧道顶部最短垂直距离约6.1m。西安火车站北广场基坑东区剖面如图1所示。

图1 东区基坑1—1剖面

1.2 工程与水文地质条件

本工程场地整体呈西低东高之势，勘探点地面标高介于400.720～406.070m，平均标高401.990m。地貌单元属黄土梁洼，场地土自上而下划分如下。

1)杂填土 黄褐色，以黏性土为主，含砖瓦碎块等建筑垃圾，结构松散，土质不均。

2)黄土①(水上) 褐黄色，可塑为主，局部软塑，局部具湿陷性。

3)黄土②(水位附近及水下) 褐黄色，可塑为主，局部软塑。

4)古土壤 棕黄色，可塑为主，局部软塑。

5)粉质黏土① 褐黄、黄褐色，可塑为主；部分区域分布有透镜体中砂：灰黄色，饱和，密实，级配不良。

6)粉质黏土② 浅灰色，硬塑为主，部分区域分布有透镜体中砂。

7)粉质黏土③ 浅灰色，硬塑为主。

场地地下水属孔隙潜水类型，稳定水位埋深3.00～9.10m，相应标高395.020～398.990m，水位高。地潜水天然动态类型属渗入-蒸发、径流型，主要接受大气降水入渗、灌溉水入渗、临近护城河侧向径流及管道渗漏等方式补给，以蒸发及地下水侧向径流及人工开采为主要排泄方式，其水位年动态变化规律一般为：8～11月份水位较高，其他月份水位相对较低，水位年变幅一般为2～3m。

2 施工工序

本工程东区基坑遵循先深后浅的开挖顺序，自上而下分段分层开挖，且水位以下土体实行先降水后开挖，即在闭合止水帷幕区域先通过区域降水将水位降至分层开挖面以下1.0～2.0m后再进行土方开挖。

东区基坑主要施工工序如下：基坑Ⅰ地下1层～地下3层支护排桩、止水帷幕施作→地下1层～地下3层土方分层分段开挖(水位以下土体先降水后开挖，同时开展工作面基坑水平内支撑施作)→基坑Ⅰ地下4层～地下5层支护排桩、止水帷幕施作→地下4层、地下5层土方分层降水分段开挖(同时开展工作面基坑水平内撑施作)→基坑Ⅱ地下1层支护排桩、止水帷幕施作→地下1层土方分层分段开挖(水位以下土体先降水后开挖)。

3 数值分析

为了解基坑施工诱发的地铁隧道位移，综合考虑黄土区基坑开挖的影响区范围[2-3]和有限元分析计算成本，选取本工程东区基坑1-1剖面(见图1)，采用岩土工程有限元分析软件Midas GTS NX建立二维平面应变模型进行基坑施工数值分析。

3.1 模型建立

本文以隧道位移作为重点研究对象，结合DBJ61—98—2015《西安市轨道交通工程监测技术规范》[3]第3.2节“工程影响分区及监测范围”中黄土区基坑施工的主要影响区范围和本工程东、西区基坑分界区侧壁的施工特点(即现场东、西区基坑分界区采用台阶法放坡保证基坑侧壁稳定性)，有限元模型建立如图2所示。

图2 基坑有限元模型

1)建模范围 ①水平方向 取基坑东、西区分界区作为模型x轴向左边界，距东区基坑Ⅱ地下1层止水帷幕大于3H(H为基坑Ⅱ开挖深度8.0m)距离作为模型x轴向右边界；②竖直方向 取地下5层坑底至模型底边界大于2H(H为东区基坑Ⅰ开挖深度32.0m)距离作为模型y轴向底边界；故整体模型尺寸取697m×100m。

2)单元选取 支护排桩采用通过抗弯刚度等效原则[4]换算的等效厚度2D板单元模拟、隧道衬砌采用1D梁单元模拟，对撑采用1D桁架单元模拟，角撑采用点弹簧模拟，土层采用平面应变单元模拟，止水帷幕采用软件提供的界面单元模拟，其刚度通过相邻单元参数借助属性助手自动计算。

3)边界条件 上表面边界为自由边界，左、右端边界均进行x轴水平向位移约束，底边界同时进行x轴水平向位移和y轴竖向位移约束。

3.2 本构及参数

文献[5-6]指出开挖卸荷条件下的土体本构模型应能合理考虑土体变形特性的应力加卸载路径相关性，文献[7]提到修正的莫尔-库伦本构模型可对黄土区基坑坑底隆起过大进行明显修正，故本工程土层采用修正莫尔-库伦本构模型，支护桩、隧道衬砌、内撑均采用线弹性本构模型。土体参数如表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

3.3 施工阶段设置

依据前述第2节基坑施工工序，调用软件“应力-渗流-边坡”分析功能考虑基坑降水及开挖卸荷的耦合作用，采用软件“钝化网格组”功能实现土体开挖卸荷，“激活网格组”功能实现隧道衬砌施作、止水帷幕施作、支护桩及内支撑施作；同时设定初始节点水头边界条件，进行初始渗流场分析，并采用软件“钝化激活节点水头”功能实现降水过程，共设置52个分析步。

本工程主要施工阶段如表3所示。

表3 施工阶段

3.4 计算模型假定

结合地勘和设计资料，对分析模型进行适当简化处理。

1)计算区域土层分布均简化为平整层，其厚度根据现场土层分布平均厚度确定。

2)除考虑土层、结构自重外，地面超载考虑20kPa。

3)分析阶段未详细考虑流速、流量等降水因素，均通过设置水头标高于分层分区开挖面下1m位置予以粗略考虑施工阶段的降水过程。

4)隧道衬砌刚度折减75%以考虑实际工程管片的拼接影响[8]。

3.5 隧道位移分析

本文选取的隧道监测点如图3所示，T1，B1，L1，R1和T2，B2，L2，R2分别示意左、右线隧道的顶部、底部、左部、右部。

图3 隧道监测点示意

汇总计算结果，隧道的竖向位移(即y向位移，其中负值表示隧道沉降，正值表示隧道隆起，下同)、水平位移(即x向位移，其中负值表示向开挖区基坑位移，下同)随基坑施工阶段(CS1～CS12)的发展，如图4所示。

图4 隧道位移发展曲线

从图4a可知，随着隧道侧方基坑Ⅰ施工，左、右线隧道竖向位移不断减小，地下5层开挖完毕后，左、右线隧道竖向位移分别达到最小值-8.7mm(R1点)、-5.8mm(L2点)；随着隧道上方基坑Ⅱ施工，左、右线隧道出现反向位移并不断增大，地下1层开挖完毕后，左、右线隧道竖向位移分别达到最大值9.8mm(T1点)、2.5mm(L2点)。综上，隧道侧方、上方基坑形成后，左、右线隧道最终均呈现向开挖区基坑Ⅱ的位移状态。

隧道竖向位移随着基坑施工均表现为先沉降后隆起的发展规律，主要是隧道侧方基坑Ⅰ降水及开挖卸荷引起大跨度开挖面土体发生回弹，同时诱发临坑隧道区域土体位移场沉降。尤其在深部地下5层降水开挖阶段，隧道竖向位移沉降达到最大；随后隧道上方基坑Ⅱ降水开挖卸荷引起大跨度开挖面及下卧隧道区域土体位移场呈现明显的回弹响应，隧道呈现反向位移并不断增大；隧道上方基坑Ⅱ开挖完毕，隧道竖向位移隆起达到最大。右线隧道较左线隧道隆起值小主要是由于左线隧道上方土体开挖深度为8.0m，而右线土体仅开挖3.5m。

从图4b可知，随着隧道侧方基坑Ⅰ施工，左、右线隧道水平位移呈增大趋势；地下5层开挖完毕后，左、右线隧道水平位移最大值分别达到-13.1mm(B1点)和-11.0mm(T2点)，且左线隧道各测点水平位移整体大于右线隧道；随着隧道上方基坑Ⅱ施工，左线隧道水平位移略有减小，右线隧道水平位移继续增大，地下1层开挖完毕后，左、右线隧道水平位移最大值分别达到-12.4mm(R1点)、-12.6mm(L2点)，二者较为接近。综上，隧道侧方、上方基坑形成后，左、右线隧道最终均呈现向开挖区基坑Ⅰ的位移状态。

隧道水平位移随着基坑施工呈现先增大后趋于稳定的发展规律，主要是侧方基坑Ⅰ降水开挖卸荷致使地下1层～地下5层支护桩背土侧与迎土侧土压力失去平衡，在土体侧压力作用下支护桩迎土侧隧道区域土体位移场向开挖区基坑Ⅰ位移；尤其在深部地下5层降水开挖阶段，左线隧道水平位移达到最大；隧道上方基坑Ⅱ降水开挖卸荷引起大跨度开挖面下卧隧道区域土体位移场发生回弹，此时，由于隧道上方土体卸荷，隧道区土体侧压力减小，故左线隧道水平位移反向略有减小，而受基坑Ⅱ开挖卸荷及未开挖区土体的共同作用，右线隧道土体侧压力失去平衡，故随着基坑Ⅱ开挖，右线隧道水平位移继续增大，上方基坑Ⅱ开挖完毕，右线隧道水平位移达到最大。

综上，受竖向位移与水平位移的叠加效应，左、右线隧道最终呈现向侧、上方开挖区的整体斜向位移。

4 加固措施分析

由3.5节分析结果可知，基坑施工引起的左、右线隧道位移均未超过规范控制值；而除右线隧道竖向位移最大值仅2.5mm外，左线隧道竖向位移最大值达9.8mm，接近预警值；左、右线隧道水平位移也均已超过预警值。因此，拟考虑采取相应的加固措施进一步控制基坑施工诱发的隧道位移响应。

图5 加固措施示意

本工程拟采取“隔离排桩+止水帷幕+土体加固”混合加固措施[9]，具体方案如图5所示，即在距左线隧道左侧(L1点)水平向3m位置设置隔离排桩φ1 000@1 300(桩底标高369.500m)和止水帷幕(帷幕底标高367.000m)，同时在隔离排桩与基坑Ⅰ支护桩间区域(简称桩桩间，下同)土体采用三轴水泥搅拌桩φ850@1 800加固(该区域395.500m标高以上土体加固区水泥掺量为8%，395.500m标高以下土体加固区水泥掺量为20%，桩底标高380.000m)，并在左线、右线隧道上方约12m跨度3m高度范围内土体采用三轴水泥搅拌桩φ850@1 800加固(土体加固区水泥掺量为8%，桩底标高392.500m)。

在建立模型时，土体加固区采用软件提供的改变单元属性功能实现，加固后的土体采用弹性本构，结合现场水泥土搅拌桩取样测试结果和文献[10]的水泥土搅拌桩力学性能相关研究，水泥掺量为8%的加固区土体弹性模量取100MPa，水泥掺量20%的加固区土体弹性模量取300MPa，隔离桩排桩采用通过抗弯刚度等效原则[4]换算的等效厚度2D板单元模拟，止水帷幕采用软件提供的界面单元模拟。

模型工况设置中，隔离排桩、止水帷幕以及桩间土体加固在侧方基坑Ⅰ施工前实施，而隧道顶部土体加固在侧方基坑Ⅰ施工完毕、上方基坑Ⅱ施工前实施。

经分析计算与汇总，加固后，左、右线隧道各测点位移随基坑施工的发展规律未发生明显变化，究其原因主要是土体卸荷路径(即开挖顺序)未发生改变。在此，选取对比了左、右线隧道响应最大的测点T1，R1，L2的位移随基坑施工阶段(CS1～CS12)的发展，如图6所示。

图6 隧道测点位移对比

从图6a可以看出，加固后，在侧方基坑Ⅰ施工阶段(即CS1～CS10)，左线隧道测点T1较右线隧道测点L2的位移沉降效应更为显著，这主要是左线隧道受隔离排桩+止水+桩间加固土体的共同作用，且在地下5层开挖完毕，隧道测点T1，L2的沉降效应累积最大，分别达到-8.9mm和-6.2mm，较未加固状态下的隧道测点T1，L2竖向位移沉降值分别增大18%和8%；而上方基坑Ⅱ施工阶段(即CS11～CS12)，隧道呈反向位移，在地下1层开挖完毕，隧道测点T1，L2隆起位移累积分别为7.3mm(T1点)和1.5mm(L2点)，较未加固状态下的隧道测点T1，L2竖向位移分别降低26%和40%，这主要是基于加固后侧方基坑Ⅰ施工引起的隧道累积沉降与隧道顶部加固土体的共同作用。综上，“隔离排桩+止水帷幕+土体加固”措施有效地减弱了隧道竖向位移响应。

从图7b可以看出，加固后，在侧方基坑Ⅰ施工阶段(即CS1～CS10)，左线隧道测点R1水平位移较未加固状态下有所减小，右线隧道测点L2水平位移较未加固状态下略有增加；在地下5层开挖完毕，隧道测点R1水平位移为-11.4mm，较未加固状态测点R1水平位移减小6%，隧道测点L2水平位移为-11.2mm，较未加固状态测点L2水平位移增幅小于3%；随着上方基坑Ⅱ施工，左线隧道测点R1水平位移继续增加，在地下1层开挖完毕，测点R1水平位移增加至-11.7mm，较地下5层开挖完毕位移增幅<3%，但较未加固状态测点R1水平位移减小6%，右线隧道测点L2水平位移继续增加，测点L2水平位移增加至-13.2mm，较地下5层开挖完毕位移增幅18%，但较未加固状态测点L2水平位移增幅<5%。由此可见，加固后，左线隧道测点水平位移有所减小，但减小幅度不显著，这主要是受隔离桩的制约以及顶部加固土体的综合作用所致，而右线隧道测点水平位移在上方基坑Ⅱ施工阶段增幅较大，这主要是受隧道顶部加固土体的加剧作用所致，且右线隧道未设置隔离桩。综上，“隔离排桩+止水帷幕+土体加固”措施减弱了左线隧道测点水平位移的发展，但该措施对于右线隧道水平位移的发展略显不利。

由上述分析可知，拟采取的加固措施有效地减弱了基坑施工诱发左、右线隧道的竖向位移，制约了左线隧道水平位移的进一步扩大，但对右线隧道水平位移的发展略显不利。鉴于本工程所选断面的隧道位移发展趋势及断面右线隧道上方基坑开挖深度较浅的特殊性，三维基坑施工中，运营地铁隧道一定长度区间均受上方8.0m深基坑施工诱发的隆起效应显著，因此，隧道顶部一定范围的土体加固措施虽对隧道水平位移发展略显不利，但其对控制隧道竖向位移效果显著，故对本工程而言，该方案综合控制效果利大于弊。

5 结语

1)本工程基坑施工完成，左、右线隧道竖向隆起，水平向均向侧方基坑位移，二者效应叠加，最终隧道呈现向侧、上方开挖区的整体斜向位移。

2)基于本工程基坑先深后浅的开挖顺序，同时考虑降水和土体卸荷的综合作用，左、右线隧道竖向位移发展表现为先沉降后隆起的趋势，水平位移发展表现为先增大后趋于稳定的趋势；侧方基坑施工完毕，左、右线隧道竖向位移表现为沉降状态并达到最大，水平位移累积达到极大值；上方基坑施工完毕，隧道竖向位移由沉降转为隆起状态并达到最大，左线隧道水平位移较极大值略有减小，右线隧道水平位移累积达到最大。

3)本工程提出的“隔离排桩+止水帷幕+土体加固”混合措施施作后，左、右线隧道位移(竖向、水平向)随着基坑施工的发展趋势未发生改变，究其原因主要是基坑降水及土体卸荷路径未发生改变；该加固措施有效地减弱了基坑施工诱发左、右线隧道的竖向位移，隔离桩制约了左线隧道水平位移的进一步扩大，但顶部土体加固对右线隧道水平位移的发展略显不利。

4)鉴于本工程所选断面的隧道位移发展趋势及断面右线隧道上方基坑开挖深度较浅的特殊性，三维基坑施工中，运营地铁隧道一定长度区间均受上方8m深基坑施工诱发的隆起效应显著，因此，隧道顶部一定范围的土体加固措施虽对隧道水平位移发展略显不利，但其对控制隧道竖向位移效果显著，故该方案可用于本工程三维基坑大降水、大开挖施工诱发的隧道位移控制。