紧邻地铁深基坑开挖变形控制研究

王晓明，高智鑫，吕 品，程 李

（1.中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100000；2.北京华科软科技有限公司，北京 100000）

近年来，许多学者针对基坑围护结构和隧道变形控制的问题已经进行了大量的研究。濮居一[1]采用有限元数值方法研究软弱地层中坑内土体加固对基坑开挖引起下卧地铁隧道变形特性的影响，刘涛[2]对上方搅拌桩施工扰动引起正在运营地铁隧道的竖向隆起变形进行了机理分析，王卫东[3]针对上海市闸北区大宁商业中心控制隧道变形，采用三维连续介质有限元法分析了不同控制措施开挖所引起的环境效应，为设计和施工提供了有益的参考，丁智[4]对基坑开挖全阶段施工过程的深层土体侧向位移与邻近地铁隧道变形之间的规律展开研究，探讨了基坑开挖的施工危险节点与重点影响区域，孙九春[5-7]等人分析了上海东西通道浦东南路站扩建工程的变形控制情况，龚俊杰[8]、李星[9]和黄亮亮[10]等学者分析了设置不同伺服钢支撑方式后围护结构的变形特性。

1 地质条件

某工程场地原始地貌单元为滨海滩涂，后经填海造地成为待建用地，处于软土区，地理环境特殊，水文地质条件复杂。结合岩土工程详细勘察报告可知，基坑临近地铁侧土层分布及平均厚度为：（a)人工填土层（7.6m)；（b)第四系全新统海陆交互相沉积层（3.1m)；（c)第四系上更新统冲洪积沉积层；（d)第四系残积层（12.1m)；（e)全～中风化粗粒花岗岩（19.3m)；（f)微风化粗粒花岗岩（8.1m)。土体的计算参数依据现场提供的地质勘查资料结合类似工程经验确定，如表1 所示。

表1 土层参数

2 基坑支护方案

鉴于基坑北侧紧邻地铁，整个基坑围护结构的支护方式有所不同，被划分为地铁保护内和外两大区域，其中保护区内设置全套筒隔离桩+三重管高压旋喷桩，保护区外设置单排三重管高压旋喷桩+单排三重管高压旋喷桩，致使围护结构的厚度相差1.2m，由于基坑单侧靠近中部水平变形较大，加之两侧布置不均匀的围护形式，该位置为变形的最不利位置，即图3 的1-1 剖面处。基坑开挖采用盖挖顺作法施工，围护结构整体上采用地下连续墙与钢筋混凝土内支撑相结合的支护方案，在基坑北侧地连墙外设置一排隔离桩以减小地连墙成槽施工对坑外土体的扰动。基坑四周竖向设置8 道钢筋混凝土内撑，由于基坑北侧紧邻地铁，因此在该侧加设变形主动控制装置与钢筋混凝土支撑相连，在第3～7 道支撑上设置轴力伺服自动控制装置，每层57 个，间距2m，共285 个。基坑整体俯视图、北侧剖面图及支护布置图如图1～图3 所示。

图1 基坑整体俯视图

图2 基坑北侧剖面图

图3 基坑支护布置图

围护结构的钢筋混凝土内撑在简化后的地层分布中，第一道内支撑埋深为-2.1m，其余支撑间距分别为-3.7m，-4.5m，-4.8m，-4.0m，-3.3m，-5.3m 和-7.1m，共8 道 内支撑，钢筋混凝土支撑具体参数见表2，其中：a×b 为1500×1400、1200×1400、1300×1400、1000×1400、1000×1000、1200×1200、1400×1400、1500×1500、1200×1500。

表2 支撑参数

3 数值结果分析

3.1 无伺服系统的隧道变形与基坑变形的关系

基于有限元分析及现场实测数据，将基坑开挖完成后不同位置处的隧道变形图绘制在同一图中，并在隧道关键位置处标注相应的位移值，如图4 所示。图中规定，拱顶、拱底的竖向位移值（Δy1、Δy2），以隆起为正，沉降为负，而左右拱腰的水平位移值（Δx1、Δx2），以指向基坑方向移动为负，背离基坑方向为正。需要说明的是，为便于绘图，隧道水平方向位置与深度位置并未按照相同比例绘制。

图4 无伺服隧道变形图

从图4 中可以看出，基坑开挖完成后，隧道在竖向均产生沉降，并且自身产生椭圆形相对变形以及一定程度的旋转，隧道主要表现为整体性移动。围护结构呈现出内凸型变形，围护结构的最大变形出现在基坑埋深24.7m 处，基坑变形趋势如图4 所示。

3.2 无伺服系统控制的隧道变形控制分区

根据GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[11]中给出的既有地铁变形控制预警值和报警值，结合坑外不同位置处隧道的变形规律，可以将不同位置处的隧道划分为3 个变形特性控制区域。

1）I 为安全区 从浅层最外侧隧道至坑底一定位置处隧道的区域，基坑开挖完成后，隧道的水平变形大于竖向变形，均小于规范规定的预警值3mm，因此将预警值以下区域划为隧道变形安全区，处于该区域内的隧道，其变形主要由水平变形控制，且满足规范要求，即基坑工程施工不会对结构安全产生严重的威胁。

2）II 为变形监控区 该区域由水平位移预警线3mm 和竖向位移报警线10mm 围成，主要表现为：基坑开挖完成后，隧道的水平变形和竖向变形均较大，但都小于规范规定的报警值，因此处于该区域内的隧道，应时时监控其变形情况，故称为变形监控区。针对该区域内的隧道，应采取有效的防范措施，并制定应急处理方案，防止隧道变形继续增加，以保证隧道的安全和正常运行。

3）III 为危险区 当隧道处于竖向位移报警线以上的一定范围内，其位移超过报警值，故称为危险区。该区域内隧道的竖向变形大于水平变形，竖向变形是隧道变形的主要控制因素，因此，在施工过程中，应重点关注隧道的竖向变形情况，必须采取相应的措施对隧道进行控制，保护和修复，使隧道位移满足规范要求。

3.3 有伺服系统控制的隧道变形与基坑变形关系

为分析有伺服自动控制装置的围护结构支护的情况下不同位置处隧道的变形特性，将基坑开挖后不同位置处的隧道变形示意图绘制在同一图中，并在隧道特征点处标注相应的位移值，如图5所示。

图5 有伺服隧道变形图

从图5 中可以看出，与无伺服装置的围护结构变形相似，该支护方式下，基坑围护结构也发生的是内凸型变形，墙体的最大变形出现在24.7m 位置处。基坑开挖完成后，隧道在竖向均产生沉降，并且产生椭圆形变形以及一定程度的顺时针旋转。值得注意的是，当开挖深度小于12.1m 时，隧道的椭圆形变形较小，隧道主要表现为整体性移动；随着开挖深度的增加，隧道的变形逐渐增大，椭圆形更加明显。

3.4 有伺服系统控制的隧道变形控制分区

根据前文对坑外不同位置处既有隧道变形特性的描述，并与城市轨道交通工程监测技术规范[11]中给出的既有地铁水平变形和沉降变形的预警值和报警值进行对比，可以将基坑较近范围内，不同位置处的隧道划分为两个区域。

1）I 为安全区 从浅层至坑底开挖面以下一定深度区域后，随着埋置深度的增加，隧道的变形逐渐增大，但此时隧道产生的水平变形大于沉降变形，水平位移成为隧道变形的主要因素，因此，此时隧道的变形主要由水平变形预警值控制，当隧道处于预警值以下区域时，隧道变形较小，处于安全状态，称为安全区。

2）II 为变形监控区 该区域位于水平变形预警线以上的一定范围内，主要表现为基坑开挖完成后，隧道的水平变形和竖向变形较大，均超过其规范规定的预警值，但都小于报警值，应时刻监控该区域内的隧道变形情况，因此称为变形控制区。此外，该区域内隧道的竖向变形大于水平变形，应更加重视其竖向方向的位移，因此在实际工程中应结合隧道所处位置区别处理，制定合适的隧道保护方案。

根据计算结果可知，围护结构产生内凸型变形，基坑外不同位置隧道均产生水平直径拉伸、竖向直径压缩的相对变形。在本项目既有隧道的范围内，最大水平位移为距围护结构0.75D，隧道埋深为7.3m 位置处的水平位移值，其值为3.985mm，在警戒线3～5mm之间，小于报警值，满足规范要求；最大竖向位移也出现在该位置处，其值为4.297mm，在警戒线3～10mm之间，小于报警值，满足规范要求。因此，应重点关注隧道的水平位移和竖向位移，特别是隧道的竖向位移，必要时应采取措施控制其变形的发展，同时，对于隧道收敛及两轨高差应密切监测，防止其超过相应的控制标准。

3.5 有无伺服控制的基坑及隧道的变形结果对比

1）在基坑的围护结构处增设伺服控制装置后，围护结构的内凸型变形明显减小，说明伺服控制系统可以有效地控制基坑的变形。

2）增设伺服控制后，隧道的变形减小，隧道的旋转情况减弱，整体的水平位移和竖向位移均显著降低，其中最大水平位移值由19.45mm 减小为8.66mm，减小了55.5%；最大竖向位移值由21.43mm 减小为9.43，减小了55.9%。

3）增设伺服控制后，隧道的水平变形值和竖向变形值均小于报警值10mm，达到规范的变形控制要求；此外，在目前所研究在基坑范围内，安全区域由1.2D 以下的基坑深度区域变为0.9D右侧以下基坑深度区域，安全区域增大了50%左右，其余部分均处于变形监控区范围内，基坑变形危险区不再存在，由此可知，该伺服控制措施可以有效地控制基坑变形，满足工程施工要求。

4 结论

1）根据基坑开挖对有无伺服支撑的坑外隧道变形的影响程度不同，分别建立了有限元模型，分析了隧道的变形情况。结果表明，两种情况下围护结构均发生内凸型变形，当无伺服控制时，隧道的变形值较大；有伺服控制时，隧道的变形明显减小，隧道的旋转情况减弱，隧道的水平位移和竖向位移均显著降低，其中最大水平位移值减小了55.5%；最大竖向位移值减小了55.9%。

2）当无伺服控制基坑变形时，隧道的变形影响区可划分为3 个部分：变形安全区、变形监控区及变形危险区；增设伺服控制后，隧道的变形区为2 个部分，分别为：变形安全区和变形监控区，隧道的水平变形值和竖向变形值均小于报警值10mm；在目前研究的基坑范围内，安全区增大了50%左右，其余部分均处于变形监控区范围内，基坑变形危险区不存在。结果表明，通过轴力伺服系统能实现对围护结构侧向变形的精细化主动控制，使围护结构和坑外隧道的实际状态趋于目标状态，并能够在实际工程中进行推广。