深基坑开挖对邻近地铁区间隧道的影响及保护措施研究

鲍新杰

（江苏龙腾工程设计股份有限公司宜兴分公司，江苏 无锡 214200）

0 引言

随着城市化进程的加快，我国对于地下空间的开发与利用不断提高，基坑工程的规模也在不断朝向更大、更深发展[1]。基坑工程常出现在城市建（构）筑物密集区，而地铁作为缓解城市交通压力最重要最有效的途径之一，更是穿梭于城市内各个区域，这就使得拟建基坑工程在既有地铁区间隧道周边施工的现象时有发生，而基坑开挖时势必改变土体应力平衡，对周边地铁隧道产生或大或小的影响。因此，控制基坑开挖对地铁的影响，并制定相关保护措施，对地铁的安全运营以及基坑的正常施工十分重要。

数值模拟分析计算作为一种随着计算机的发展而不断发展且逐渐成熟的分析方法，现已被广泛应用于基坑工程开挖对周围环境的影响研究中[2-5]。佘格格[6]研究了深基坑开挖对邻近地铁线路的影响，分析了地表变形规律，确定了地铁轨道的最大沉降值；胡健等[7]开展了基坑开挖对周边高速公路变形的影响研究，结果表明，基坑开挖对高速公路坡脚变形的影响可以忽略。

以常州市青果巷一处实际基坑工程为背景，借助PLAXIS 3D有限元分析软件，研究该基坑工程开挖对邻近既有地铁区间隧道的影响，并根据实际工程特点，制定相应的保护措施。

1 工程概况

某基坑工程位于常州市青果巷，基坑开挖深度约为-10.5m，开挖面积约为3300m2，基坑北侧靠近史良故居，最近距离为4.6m，东侧距离地铁隧道最近约13m，地铁隧道顶部埋深约为16m，隧道直径为6.2m，两条地铁隧道线的中心距离为14m。

基坑围护结构形式采用钻孔灌注桩作为支挡结构，外侧布置三轴搅拌桩作为止水帷幕，隔断浅部承压含水层，同时基坑内部设置一道水平混凝土支撑。浅部卸土1.5m，采用直立250mm厚混凝土挡墙支挡，围护结构选用钻孔灌注桩，桩径900mm，桩间距1100mm。止水帷幕采用三轴水泥土搅拌桩，桩径850mm，间距1200mm，桩长18.2m。冠梁尺寸0.8m×1.2m，内支撑尺寸0.8m×1.0m。调查期间，稳定地下水水位约为-2.9m。

2 有限元模型

在实际设计中基坑工程经常被简化为平面应变问题，但实际上基坑开挖是一个典型的空间问题。故借助岩土工程分析软件PLAXIS 3D，采用小应变土体硬化模型对基坑工程进行三维建模，土体参数按照现有相关研究选取[8]。为了最大限度地消除模型边界效应[9]，将模型尺寸设定为300m×300m×50m；围护桩厚度等效为1m，弹性模量为33.5×106MPa；地铁隧道厚度为0.35m，弹性模量为34.5×106MPa；冠梁及内支撑的弹性模量均为3×107MPa。有限元模型通过网格划分共生成120682 个单元和182509 个节点。建立的三维有限元模型如图1所示。

图1 三维计算模型

此外，本次计算步骤按照实际施工工艺进行设置，具体包括11个步骤。

步骤1：计算初始地应力，该计算步采用K0过程生成；

步骤2：位移清零，以消除生成地应力时产生的初始位移，并模拟地铁施工；

步骤3：模拟基坑围护结构施工，同步激活板单元正、负界面，同时由于实际条件下，地铁区间隧道早已建成，此时地应力处于平衡状态，因此应再次进行位移清零，消除施工地铁隧道时产生的附加位移；

步骤4：坑内降水至2.4m标高，施工临时挡墙；

步骤5：基坑开挖至2.9m标高；

步骤6：模拟基坑冠梁及支撑结构施工，支撑标高为2.9m；

步骤7：再次进行坑内降水至-6m标高，底部土体水力条件设置为内插；

步骤8：开挖至基坑坑底，即-5.35m标高；

步骤9：模拟地下室底板施工；

步骤10：继续向上施工地下室楼板及结构柱；

步骤11：拆撑。

3 计算结果分析

图2给出了在步骤8时，地铁隧道结构竖向和水平位移云图，此时地铁隧道结构位移值达到最大。可以看出，隧道左、右线的变形趋势相似：在垂直方向上，主要是隆起，在水平方向上，主要是朝向基坑方向的变形。当基坑开挖到坑底时，隧道左线的最大竖向隆起为2.2mm，最大水平位移约3mm，右线的变形比左线的变形小，右线的最大竖向隆起为1.1mm，最大水平位移约1.5mm。显然，基坑开挖对隧道水平变形的影响比垂直变形更明显。左线的变形大于右线的变形，说明影响程度与基坑距离有关。此外，从图2中还可以得出，隧道的变形与隧道相对于基坑部位的位置有关，即地铁隧道的最大变形发生在基坑中部附近，沿隧道长度方向离基坑越远，变形越小。

图2 步骤8时地铁隧道结构位移云图

根据有限元计算结果，经分析计算，基坑施工主要步骤下地铁隧道位移、最大径向收敛和最小曲率半径结果汇总情况见表1。基坑施工引起的隧道结构附加隆沉量和水平位移量均小于10mm，满足规范变形控制要求[10]，隧道结构局部变形最小曲率半径5×106m，大于15000m。基坑施工对邻近地铁隧道的影响在安全可控的范围内，本次基坑支护方案及施工工艺是合理有效的。

表1 地铁隧道变形结果汇总

4 保护措施建议

为减小基坑开挖对邻近地铁区间隧道的影响，保证隧道结构的安全性，根据实际情况，给出下列相关保护措施建议：

（1）施工中应注意灌注桩、搅拌桩及高压旋喷桩施工对地铁隧道结构的影响，必要时应控制施工速度。严格按照设计工序，先完成搅拌桩封闭，再施工灌注桩，最后施工旋喷桩。在搅拌桩和旋喷桩施工期间，监测频率应加密至1次/d。

（2）建议基坑按照分层、分段、分块、对称、平衡、限时的方法确定开挖顺序，先开挖远隧道侧，并在近隧道侧10m范围内预留土，以减小对地铁隧道的影响。

（3）基坑开挖范围内涉及粉土和粉砂层中的微承压水。施工前应进行抽水试验，确保止水帷幕有效性后方可开挖。土方施工过程中，要确保基坑内外排水的连续运行，降水井按需降水。坑外场地沿基坑开挖设置环绕闭合的明沟排水系统，施工期间应加强坑外水文井观测，确保止水帷幕有效性。

5 结束语

基于小应变土体硬化模型，借助PLAXIS 3D 有限元分析软件，对深基坑开挖引起的邻近既有地铁区间隧道的变形展开研究，并制定系列保护措施建议，得到以下结论：

（1）地铁区间隧道受基坑影响的程度与其距基坑的距离有关，靠近基坑的地铁线路位移要大于远离基坑的地铁线路位移，水平位移值大于竖向位移值，且沿着隧道长度方向，位移值向两端逐渐减小；地铁隧道最大变形发生在基坑中部附近。

（2）从隧道位移量、最小曲率半径多角度分析，基坑施工对邻近地铁隧道的影响均在安全可控的范围内，认为采取的支护方式及施工工艺是合理有效的。

（3）为了进一步保证地铁区间隧道的安全性，从各类支护桩施工、基坑开挖方式及预降水角度提出进一步的保护措施建议，相关建议可应用于其他类似工程中。