非对称基坑开挖对邻近地铁隧道变形性分析

傅志斌， 涂序超， 徐有娜

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004； 2.建设综合勘察研究设计院有限公司， 北京 100007)

基坑开挖会改变原有土体的应力场和应变场，开挖卸荷会使周边土体发生应力重分布，导致周边地铁车站及隧道变形并产生附加应力[1-3]，进而影响地铁的正常运作和安全[4,5]。因此，基坑开挖和降水对周边地铁隧道变形的影响成为当下的焦点。许四法等[6]研究了TRD施工对临近地铁隧道的影响，TRD施工对邻近隧道存在挤土问题，隧道呈现水平收缩和侧向变形的模式；徐国元等[7]基于Mindlin经典解，在考虑基坑底残余应力和围护桩效应的影响下，得出了基坑开挖对于隧道处附加应力的计算公式；陈仁朋等[8]得出基坑开挖卸荷引起隧道周边地层水平向土压力以及隧道沉降等响应规律；曹前[9]对基坑开挖卸荷下的隧道结构变形和管片内力进行数值模拟，提出了合理分仓开挖宽度的施工措施。

本文结合沈阳金廊深基坑工程，利用MIDAS/GTS数值模拟软件模拟，分析基坑开挖施工引起的地铁车站和隧道区间水平位移和沉降情况，以及基坑降水对隧道的沉降影响，验证了工程施工的合理性和安全性，为类似工程建设起到一定的参考作用。

1 工程概况

1.1 基坑与地铁隧道的相对位置

基坑工程位于沈阳市沈河区，邻近地铁2号线，基坑开挖深度为20.25～23.55 m。基坑围护结构外边缘距离地铁车站主体结构最小水平距离21.7 m，邻近基坑侧地铁隧道埋深约为22.2 m，位于新建基坑底以下约1.9 m。地铁2号线出入口结构外边缘与新建基坑围护桩外边缘最小水平距离9.4 m，邻近基坑附近出入口底板最大埋深约为7.0 m，位于新建基坑底以上约13.0 m，如图1所示。

图1 基坑与隧道位置示意图

1.2 基坑支护结构布局

根据地面标高、基底标高、周边环境、工程地质及水文地质条件不同，设计分为15个支护剖面，邻近地铁隧道区间及出入口侧主要涉及P-Q、N-O、O-A剖面。P-Q支护剖面：基坑西南角，地面标高42.90 m，基底标高21.65 m，采用护坡桩+内支撑支护，护坡桩Φ1 000@1 400。N-O支护剖面：基坑西侧，地面标高42.90 m，基底标高22.25 m，采用双排桩+四道锚索支护，双排护坡桩Φ1 200@1 600，排桩间距3 000 mm。O-A支护剖面：基坑西侧，地面标高42.90 m，基底标高19.35 m，采用双排桩+四道锚索支护，双排护坡桩Φ1 200@1 600，排桩间距3 000 mm。

2 数值模拟

2.1 三维有限元模型的建立

考虑相对位置及开挖影响范围，利用MIDAS/GTS有限元软件建立分析模型，为消除边界效应，大小选取330 m(X) × 120 m(Y) × 60 m(Z)，如图2所示。

图2 基坑三维有限元模型

2.2 模型参数的选取

综合考虑地铁2号线车站附属结构、区间结构与基坑的相对位置关系以及基坑开挖影响范围经验值，建立三维计算模型，模型中周围土体采用实体单元模拟，围护桩之间连梁及内支撑采用梁单元模拟，不同土层采用不同材料模拟，地层模型采用大变形理论。边界条件除顶面为自由边界外，其他面均为法向约束。地铁2号线车站附属结构、区间结构采用壳单元模拟,基坑围护桩按刚度等效采用地下连续墙模拟，地下连续墙厚度h按等刚度转换公式进行计算：

(1)

(2)

式中：D为围护桩的直径，m；t为桩间净距离，m；h为桩体等效刚度即等效地连墙的厚度，m。

通过计算可得出等效地连墙厚度h约为0.9 m。根据地质勘查报告，依照地层特性对相近土层参数取加权平均值，并根据数值模拟经验值确定。计算模型中选取的参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

2.3 基坑开挖步序

基坑开挖分为地下连续墙施工、土体开挖、基坑底施加建筑荷载几个阶段。首先地下连续墙施工，然后分块开挖至第二、第三、第四、第五钢支撑梁垫层底，依次施做锚索和内支撑，最后开挖至基底，施加上部建筑荷载。

3 计算结果分析

3.1 基坑开挖步骤

地铁车站出入口结构水平最大位移值为3.33 mm，位于出入口靠近地面处，方向趋向基坑，发生于基坑开挖至基底阶段；竖向最大位移值为3.29 mm，位于近接基坑处既有出入口结构侧墙，方向为上浮，发生于基坑开挖至基底阶段。出入口扶梯位置上下端差异位移值为0.8 mm。出入口结构最大位移云图如图3所示。

(a)水平位移云图 (b)竖向位移云图

3.2 隧道区间结构及地下连续墙结构水平位移分析

基坑模拟施工阶段，地铁区间结构水平最大位移值为3.44 mm，位于邻近基坑侧既有区间结构，方向为趋向基坑；拟建工程整个施工期间引起的区间结构变形趋势为先上浮后沉降，最大上浮3.62 mm，发生在基坑开挖到基底阶段。施加建筑荷载阶段，区间结构最大沉降2.23 mm。根据模拟结果，选取特殊点的变形趋势反映施工期间各个模拟阶段结构的变形趋势，地铁隧道区间结构的最大位移如图4所示。

图4 隧道区间结构最大水平与竖向位移图

地铁侧围护结构处监测点水平位移如图5所示，地连墙支护结构在基坑开挖完成之后，地铁结构侧地下连续墙最大水平位移为6.84 mm，发生在基坑开挖到基底，方向为趋向基坑开挖侧，围护桩现场实测水平位移最大值为6.43 mm。地下连续墙最大水平位移云图如图6所示，各监测点的水平位移趋势相同，水平位移值沿深度方向逐渐减小，同一深度处越靠近围护结构中心处水平位移值越大，越靠近围护结构两端其对水平位移的约束力越强，水平位移值越小。

图5 围护桩深层水平位移实测值图 图6 地下连续墙最大水平位移云图

3.3 基坑降水对地铁隧道的影响

计算场地地面标高42.90 m，2019年地下水位标高按最不利情况取值33.73 m。由于工程场地实际水文地质条件复杂，需考虑场地渗流场的分布、土层特性、场地各部位应力变化等多种因素影响。参照相关技术规范，根据地层模型模拟地铁结构深度土层在水位变化情况下降水引起的有效应力作用，计算不同部位土层的沉降变形，如图7所示。

图7 地铁隧道结构竖向位移云图

按最不利情况考虑，降水引起地铁车站出入口结构沉降值为0.8 mm，隧道区间结构沉降值为0.6 mm，施工期内降水引起有效应力增加导致的地层固结沉降不大，地铁结构会产生长期缓和而均匀的沉降，且地铁结构施工时已进行过降水施工，不会对地铁结构造成破坏性影响。

4 实测数据对比分析

以隧道拱顶作为监测点，间距10 m在地铁侧区间内选择5个断面在地铁侧区间内布置监测点，隧道区间沉降监测点布置图如图8所示，现场实测与沉降模拟对比图如图9所示。从图9可以看出，数值模拟值与实测值变形趋势基本吻合，竖向位移变形趋势为先上浮后沉降，模拟计算值为3.62 mm，实测值为2.65 mm。随基坑开挖地铁隧道区间结构上浮，在基坑开挖到基底时，地铁隧道上浮量达到最大，随后基础筏板施工和上部荷载施加，沉降值发生陡降后趋于稳定。表明结构底板的浇筑和上部荷载的施加可以有效抵抗坑底的隆起变形。

图8 隧道区间沉降监测点布置图 图9 隧道区间沉降模拟与实测值对比图

5 结 语

(1)基坑开挖深度与邻近地铁埋深相近时，在基坑开挖卸荷的作用下，隧道区间结构整体上浮，越靠近基坑中心，变形幅度越大，但整体竖向和水平向位移不大。建筑荷载施加后，隧道区间结构随之发生沉降。隧道区间结构整体趋势表现为先上浮后沉降。

(2)基坑开挖施工对车站出入口位移影响不明显，基坑开挖卸荷会造成车站出入口整体下沉和偏向基坑方向侧移，出入口扶梯位置上下端差异变形值为0.8 mm。计算结果满足安全性要求，支护方案可行。

(3)基坑降水对周边的地铁隧道变形影响较小，所引起地铁车站出入口结构沉降值为0.8 mm，隧道区间结构沉降值为0.6 mm，施工期内降水引起有效应力增加而导致的地层沉降不大。