既有地下结构位移超限分析

邢兆泳，潘 毫，韩玉珍，徐 萌，何纪忠，聂小凡

(1.北京城建轨道交通建设工程有限公司，北京 100088；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；3.北京外企人力资源服务有限公司第一分公司，北京 102308)

0 引 言

随着城市轨道交通的快速发展，基坑邻近既有地下结构的工程案例越来越多。基坑卸荷及施工扰动影响会破坏土层原有的应力状态，导致变形增长，继而传递至邻近地下结构[1]。国内外在相关领域的研究也较多，BURFORD[2]最早分析了挖深12 m的基坑施工引起邻近隧道的隆起位移及工后隆起；左殿军等[3]根据招商银行深圳市分行基坑开挖工程，考虑隧道衬砌与土的相互作用，采用数值模拟研究了基坑开挖施工对已建3号线盾构隧道的影响，分析了区间隧道基坑支护结构受力与变形，隧道顶部地表沉降，衬砌位移随基坑开挖深度的变化趋势；张麒等[4]以天津市某地产项目6个深基坑群邻近6号线地下车站及区间为工程背景，重点分析了施工过程中各项监测数据的变化规律，明确了采取智能化手段进行监测、分析，是控制基坑变形风险的有效手段；况龙川[5]、蒋洪胜等[6]对距区间隧道仅4 m的上海广场深基坑工程项目监测，发现基坑开挖导致隧道发生明显侧移及竖向收敛变形，且位移量与基坑开挖范围相关；徐中华等[7]基于上海外滩596地块超深基坑紧邻9号线区间隧道工程，对基坑及邻近隧道监测数据进行分析，研究多种设计、施工措施下的隧道保护情况。

以上研究内容对工程实际施工过程与地下结构变形之间关系的精细化分析较少，本文以某邻近既有地下隧道的基坑工程为背景，从基坑开挖全阶段的实测数据入手，并结合三维数值有限元模拟计算，对基坑围护结构施工过程与既有地下结构变形之间的联系规律开展精细化研究，探究土体阶段性变形、基坑开挖效应、现场施工质量对区间隧道变形的影响，指出实际施工重点关注的工况节点与区域，研究成果可为今后类似工程提供有效的设计与施工指导建议。

1 工程概况

本文研究基坑工程位于杭州市上城区近江区块，项目基坑距离运营中的车站风亭水平净距约2 m，距离既有盾构区间水平净距约17.6 m。地块与轨道交通关系平面图参见图1。

图1 项目总平面图Fig.1 General layout

车站为地下二层岛式车站，双柱三跨箱型框架结构。车站顶板覆土约5 m，底板埋深约18 m。车站及风道围护结构采用桩径1 000 mm@750 mm咬合桩，桩长分别为33 m、28 m，其中，端头井围护桩长35 m。 E1出入口为单层箱型框架结构，采用SMW工法桩支护。既有盾构区间隧道内径5.5 m，衬砌采用直线环+转弯环进行错缝拼装，壁厚0.35 m，环宽1.2 m，采用C50混凝土。

地块基坑开挖范围内以③3砂质粉土层为主，既有车站底板位于③4黏质粉土，盾构区间主要位于③3砂质粉土层。潜水埋深约1 m，承压水位于⑨圆砾层，承压水头埋深约10 m。场地浅部粉土，富含地下水，在一定的动水压力作用下可能产生流沙和管涌现象。

2 基坑支护设计

2.1 基坑分坑方案设计

本文研究项目主基坑深度约14.5 m，附属连通通道基坑深度10～13 m。主基坑分为5个分坑，分别为1#分坑～5#分坑。附属改造部分基坑分为3个分坑，分别为6#分坑～8#分坑。其中，6#分坑和7#分坑边界部分借助既有轨道交通结构，其余部分采用钻孔灌注桩加MJS注浆加固。基坑分坑开挖按顺序：1#分坑→2#分坑→3#分坑→4#分坑→5#分坑→6#分坑→7#分坑→8#分坑，分坑方案布置图参见图2。

图2 基坑分坑方案布置图Fig.2 Pit division scheme of foundation pit

2.2 基坑支护方案设计

基坑采用4种支护形式，对于1#分坑～5#分坑邻近既有地下车站及区间一侧采用刚度较强的1 000 mm地连墙，远离一侧采用1 000 mm@1 300 mm钻孔灌注桩。8#分坑邻近既有出入口，采用钻孔灌注桩+MJS注浆加固体系，6#分坑和7#分坑一侧利用既有风亭围护设施，另一侧为地连墙支护体系。具体的基坑支护形式分布参见图3。

图3 基坑支护类型分布图Fig.3 Layout of support types of the foundation pit

1#分坑、3#分坑共有3道支撑，其中，第一道支撑为混凝土支撑，第二道支撑和第三道支撑为型钢组合支撑；2#分坑、4#分坑、5#分坑共设置4道支撑，其中，第一道支撑为混凝土支撑，第二道支撑至第四道支撑为钢管支撑。8#分坑设置共有2道支撑，均为混凝土支撑。选取4#分坑邻近区间隧道一侧的典型剖面，如图4所示。

图4 基坑典型断面图Fig.4 Typical section of foundation pit

3 现场施工及变形监测数据分析

3.1 现场施工进度及监测数据预警概况

截至2022年1月25日，1#分坑和2#分坑均已拆除了全部支撑，正进行地下室顶板模板搭建施工。既有盾构区间最大水平位移为+7.2 mm(原控制值5 mm)，E出入口最大沉降值为-6.8 mm(原控制值5 mm)，风亭最大值为-4.2 mm(原报警值4 mm)。 在2021年11月2日—12月3日，基坑北侧和西侧发生渗漏水，现场采取水玻璃+水泥注浆处理，经专家分析渗漏主要原因为三轴搅拌桩出现渗漏点。

3.2 既有线变形监测分析

如图5所示，围护桩施工阶段影响较小，区间结构累积水平位移值在2 mm以内。随着基坑土方的开挖，2021年9月21日—10月5日架设1#分坑第二道支撑期间，数值由2.7 mm增加到3.9 mm，短期增加了1.2 mm；2021年10月15日—10月23号架设1#分坑第三道支撑期间，数值由4.2 mm增加到5.0 mm，短期增加了0.8 mm；2021年11月12日—12月3日，基坑北侧和西侧发生渗漏水，在此时间段，上行线隧道由4.6 mm增加到6.1 mm，短期内增加了1.5 mm。

图5 既有区间水平位移Fig.5 Horizontal displacement of existing shield tunnel

如图6所示，出入口的主要变形突变有两个。第一个突变发生在2021年9月21日，即1#分坑完成第一道混凝土支撑，开始进行第二次开挖的时刻。在此之前，出入口的沉降变形最大值在2 mm左右，随着1#分坑开挖土方量的加大，变形斜率明显加大，一直到2021年10月15日，1#分坑开始施作了第三道支撑，出入口的沉降变形加大趋势得到了缓解，此时最大值为4 mm左右。分析其原因可知，在第一道支撑施工时，土体的卸载量较小，但从第一道支撑至第三道支撑间的竖向距离较大，土体卸载量加大，因此造成此阶段的变形量增加较快。第二个突变发生在2021年11月2号，即1#分坑由第三道支撑位置开挖到底的过程。此阶段基坑东侧发生了渗漏水，现场进行堵漏施工工期长达21 d，基坑长时间处于搁置状态下，发生较大蠕变。分析数据可以看出，渗漏水期间出入口的结构变形斜率较大，造成的不利影响也更突出。

图6 E出入口沉降情况Fig.6 Settlement of E entrance and exit

随着堵漏工序完成，1#分坑开挖到底及后续底板的及时施作，出入口的变形得到了一定程度的控制，虽然后续回筑过程中，随着拆撑的工况，沉降变形有一定的起伏，但总体的变形速率相对稳定，截至2022年1月25日，1#分坑已基本完成回筑过程，出入口结构最大沉降值为7.1 mm。

通过以上数据分析过程可以明确，该基坑对既有运营线路影响较预期略大，除基坑自身土方卸载等已考虑到的客观因素外，还有以下几方面不利影响：①基坑在11月份发生一次渗漏水情况，堵漏施工长达21 d，导致基坑开挖至底却迟迟未能封闭底板，基底长时间处于暴露状态，对既有地下结构造成明显不利影响；②现场平均封闭一层型钢组合支撑至少需10 d，期间既有线变形发展较快，支撑架设时间偏长及横向支撑刚度偏弱也是造成既有线变形偏大的原因之一；③基坑回筑过程中，既有地下结构的变形存在一定程度的波动，分析判断与拆撑工况有关。

3.3 主要的风险控制措施

考虑后续3#分坑～5#分坑的开挖施工，会有更大体量的土方卸载开挖，且5#分坑与上行线隧道的距离较近，存在对既有线造成更大水平位移的可能，因此建议在基坑开挖过程中应注意以下几项措施。

1) 为防止再次发生渗漏水情况，开挖前现场应加强止水帷幕、地连墙、排桩等围护结构的施工质量检验，对存在质量问题的区域及时采取加固、补桩等措施，确保止水效果达到设计要求。特别是对于地连墙与围护桩相接位置应重点关注，发现围护缺陷处必须进行补强后方可开挖。

2) 8#分坑目前采取两道混凝土支撑的方案，考虑8#分坑紧邻目前发生较大变形的E出入口，为进一步控制基坑开挖对既有出入口的不利影响，建议第二道支撑改用伺服钢支撑体系。

3) 基坑各阶段挖土施工必须遵循“分层开挖、严禁超挖”的原则。每层厚度不宜大于1.5 m，每段开挖宽度不宜超过20 m为最低要求，现场根据既有线监测的实时数据，必要时应进一步减少每次的开挖高度，不得随意开挖或超深开挖，严格控制每次开挖的土方卸载量。

4 有限元计算分析

为进一步分析后续施工工况对既有线的影响程度，采用PLAXIS 3D有限元软件对后续工况进行全过程数值模拟计算。

4.1 计算模型与施工步序模拟及地层参数

综合考虑基坑施工的影响范围和影响对象，计算模型的平面尺寸为210 m(X方向，或东西向)×200 m(Y方向，或南北向)，计算模型中深度(Z方向，向上为正，负值代表沉降)取60 m，如图7所示。

图7 数值模型Fig.7 Numerical model

地层采用HSS小应变硬化土模型，地下车站、附属结构、区间盾构隧道、围护结构等均采用板单元模拟，内支撑中混凝土支撑采用梁单元，型钢组合支撑等效为板单元处理。模型采用标准截断边界约束条件，水平方向仅约束其相应的水平位移，底部采用固定约束，约束其竖向及水平向位移。

基坑开挖施工步序见表1。 基坑地层参数见表2。

表1 基坑开挖施工步序Table 1 Construction steps of the excavation for the foundation pit

表2 地层参数Table 2 Formation parameters

续表2

4.2 模拟结果及分析

以8#分坑开挖到底工况对应的位移场为例，如图8所示。总结主要施工工况下，地表变形、围护结构变形、地下结构设施变形结果见表3。通过有限元分析计算，可以得到结论如下所述。

表3 有限元计算特征位移Table 3 Characteristic displacement of the finite element calculation

图8 有限元计算位移云图Fig.8 Displacement nephogram of the finite element calculation

1) 围护结构最大水平位移为22.20 mm，地表沉降最大值为-8.02 mm，满足设计控制标准要求。

2) 根据后续分坑开挖的模拟计算结果显示，风亭结构在基坑后续分坑开挖过程中的累积最大沉降值为2.86 mm；出入口的累积最大沉降值为4.37 mm，出入口差异沉降最大值为1.23 mm；盾构区间隧道的累积最大位移值为0.95 mm，最大水平收敛值为0.74 mm。

3) 目前施工进度状态下，风亭的最大累积沉降值为4.2 mm，出入口的最大累积沉降值为7.1 mm，出入口的差异沉降值为5.1 mm，区间隧道的最大累积变形值为7.0 mm，最大水平收敛值为3.6 mm。因此，预计后续工况下，车站风亭出入口及区间隧道的累积位移值分别为7.06 mm、11.47 mm和7.95 mm，隧道的最大水平收敛值为4.25 mm，出入口的最大差异沉降为6.33 mm，满足变形控制值要求。

5 结 论

1) 支撑架设时间及支撑刚度为控制基坑及周边结构变形的重要因素，对于类似工程施工过程中，考虑到既有运营线路的重要程度，适时选用伺服系统的支撑体系为保障工程安全性的重要措施。

2) 在地连墙与围护桩接缝处的三轴搅拌桩止水帷幕出现渗漏水事故，致使基底长时间处于暴露状态，周边土层流失，导致既有地下结构在此期间出现较大变形增量。因此，对于此类风险较大的工程，特别是不同围护形式的衔接位置应重点关注，发现围护缺陷处必须进行及时补强后方可开挖。同时，应加强围护结构的质量检测，保障围护结构的安全。