宁波软土地区深大基坑施工对既有地铁隧道的保护研究

姜虎 金超 周永健

浙江华展研究设计院股份有限公司 浙江 宁波 315010

基坑开挖是城市建设中常见的土木工程活动，用于建造地下空间或进行基础工程施工。然而，基坑开挖过程中对周围环境和结构物可能产生一系列的影响，其中之一就是地表沉降。地表沉降是指由于土体压缩、水分变化和重排等机制所导致的地表下降现象。对于软土地区来说，基坑开挖对地表沉降的影响更加显著。软土地区的土体较为松散，其力学性质和水分特性容易受到施工的影响，因此对于软土地区的基坑开挖施工，需要更加关注和研究其对周围地下结构物、地铁隧道等的保护。软土地区深大基坑施工对地铁隧道的保护问题，涉及土体稳定性、地表沉降、地下水位变化等方面的工程风险，需要采取一系列科学有效的措施来保障地铁隧道的安全运营。本文将以某深基坑工程北侧平行既有地铁隧道为主要研究对象，对其进行深入的研究，以期为大家提供一定的参考。

1 基坑开挖影响分析

在基坑施工中，我们通常会将地面的土壤移除。通过使用深度开挖技术，我们可以让基坑的地面重新恢复到原来的应力水平，从而导致地下水位的回升和凸出。当围护结构的内部土壤被挖开时，产生的巨大的压力差使得墙壁外的土壤也受到了相应的压力，这就导致了一种不可逆转的水平位移。如果地铁隧道正好位于基坑开挖的影响范围内，开挖卸载导致的扰动将不可避免地引起土体中的隧道发生位移和变形[1]。地表沉降是基坑开挖过程中常见的影响之一。下面将详细介绍基坑开挖引起的地表沉降机制，影响因素及其作用机制，以及地表沉降的监测与预测方法。

1.1 基坑开挖引起的地表沉降机制

基坑开挖导致地表沉降主要是由以下几个机制引起的：

a) 土体压缩：基坑开挖过程中，土体被挖除或受到降低应力的影响，使得土体中的孔隙水压力下降，颗粒之间的接触力增加，导致土体压缩，进而引起地表沉降。

b) 土体水分变化：基坑开挖会导致地下水位下降或者排水引起孔隙水压力的改变，这会导致土体中水分的重新分布，造成土体体积变化，进而引起地表沉降。

c) 土体重排：基坑开挖会改变土体的应力状态和结构，使得原本紧密排列的土粒重新排列，产生重新组织和调整的过程，进而引起地表沉降。

1.2 影响因素及其作用机制

地表沉降的程度和范围受到多种因素的影响，包括但不限于：

a) 基坑尺寸和深度：基坑的尺寸和深度越大，土体的受扰动范围越广，地表沉降的影响也会更加显著。

b) 土体性质：不同类型的土体具有不同的压缩特性和水分迁移特性，如黏性土和砂土在受力和水分变化时表现出不同的行为。

c) 基坑支护方式：基坑支护方式的选择和施工方法对地表沉降有重要影响。合理设计地支护结构可以减小地表沉降的程度。

d) 周边建筑物：周边建筑物的刚度和稳定性会影响基坑开挖引起的地表沉降对其造成的影响。较为刚性的建筑物可能会受到更大的变形和损害。

2 工程概况

在本次施工项目中，该深基坑位于既有地铁隧道的北侧，以倒梯形布置，其东西宽123m，南北长121m，总深度高达20.9m。在原本的地铁隧道的北部，建造了一个深达5m的基坑，并在其周围建造了一个厚达800mm的地下连续墙。两条已建成的隧道的中心距离大致相等，其中A隧道的地下深度大约在13m，而B隧道的地下深度则大约在11.5m。在基坑的北部，已经建成的地铁隧道是这个项目的一个严峻挑战，必须引起我们的高度关注。当进行深基坑施工时，不仅要确保施工过程的安全，而且要确保已经完工的隧道能够正常使用。为了确保安全，在开展深基坑工程之前，必须确立适当的围护结构，编写完善的开挖计划，并实施有效的防护措施。表1中包含了主要地层参数。

表1 基坑主要底层参数

3 基坑开挖工法对隧道影响分析

通常，为了确保基础的稳定，我们建议采用符合规范的竖直弹性地基支撑技术。当前，理正深基坑和同济启明星是两款最受欢迎的设计软件。利用这些软件，我们能够准确地模拟出现场的开挖状态，从而更加准确地预测出围护结构的内在变形和支撑系统的内在压力[2]。在没有外部防护措施的情况下，采用这种方法可以满足日常建筑设计的要求。尽管采用本工程的方法可以有效地减少深基坑的风险，但由于其具有较高的重大风险源，因此仍需要进一步加以考量。通过利用三维分析软件，我们可以对深基坑的影响进行全面而准确的模拟研究。

图1 计算模型图

由于现有的地铁隧道的变形要求非常苛刻，因此我们使用Midas GTS三维有限元分析软件，仔细探讨了各种深基坑开挖技术的影响，以便获得更加精确的结论。在这项研究中，我们将重点关注两种不同的开挖技术：中央岛式和盆式。使用中央岛式开挖技术，首先需要清理基坑周边的土壤，并将其中央部分作为施工的重点。通过在中心岛上建造桥梁，可以大大提高施工效率。尽管基坑周边的土壤已经开始被挖掘，但这会延长围护结构承载的时间，从而使其变形量大幅提升，进而给其承载能力带来负面影响[3]。通过使用盆形开挖技术，我们首先从基坑的中心进行挖掘，并在周围预留反压斜坡。一旦中心区域的土壤被挖出来，我们就可以继续向周围扩展。通过在基坑周围施工反压土坡，可以有效提升围护结构的稳定性，并且可以有效减少它们承受外力时的变形，以此来确保它们的安全。

经过多次工程实践和有限元分析，我们发现，模型的准确性可以达到基坑开挖深度的3至6倍。这个工程的计算模型的大小是360m×360m×120m(长x宽x高)。这个模型由三个不同的部分组成：实体部分用于模拟土体，面部分用于模拟隧道衬砌和基坑地连墙，而线弹性线部分则用于模拟锚索。这个模型是基于摩尔-库仑定律来构建的。

计算结果对比分析:

（1）通过对比，我们可以看出隧道的竖直位移。通过分析图2中的数据，我们可以评估不同开挖方法对接近基坑的隧道的最大垂直位移的影响。当隧道的挖掘深度增加时，它的竖直位置也会相应地增大。与中心岛式开挖相比，盆式开挖的竖向位移变化不大，最大只有-0.4mm，只占总体的30%。经过盆式开挖的施工，可以显著改善与既有地铁隧道相连的竖向位移，取得了良好的效果。

图2 竖向位移对比图

（2）比较竖直方向的位移变化。挖掘过程中，由于围护结构的变形，隧道可能会发生横向移动。根据图表所示，当开挖深度增加时，隧道的水平位移也会显著提高。使用岛式开挖技术进行隧道建设，可以显著提升水平位移，最大可达10mm，比盆式开挖技术的效果提升了三倍以上。这意味着在控制隧道的横向位移方面，盆式开挖相对于岛式开挖表现更好。因此，在考虑紧邻既有地铁隧道的安全时，盆式开挖是更合适的选择。

（3）隧道衬砌应力对比。根据表2的数据，可以比较两种开挖方法引起的既有隧道的最大应力值。表中显示，盆式开挖引起的隧道应力较大。这意味着盆式开挖对既有隧道的应力影响更显著。在设计和施工过程中，需要特别注意盆式开挖对既有隧道衬砌的应力影响，并采取适当的措施来保证隧道的结构安全和稳定性。

表2 两种开挖方法衬砌应力最大值对比表

4 保护措施

经过深入分析，我们发现基坑开挖会对周围的地铁隧道产生重大影响，这种影响主要是通过外部土体的传播而实现的。当进行基坑开挖时，由于卸载作用，围护结构可能出现偏移，进而引起隧道周边土壤的水平应力，最终导致土壤变形。为了保证建筑的安全，我们必须仔细研究基坑开挖可能带来的影响，并制定出有效的预防和控制措施[4]。通过多次的类似项目的实际操作，我们发现，采取有效的防护措施是必要的：首先，应该制定一个合理的开挖计划，增强外部土壤的主要承载能力；其次，应该加强对内部土壤的支撑；最后，应该加强对结构的监控，以确保其安全性和可靠性。采取主动土压力技术加固坑外土体，可以大大增强其刚度，有效地阻止土体朝着基坑的水平移动，从而有效地抑制隧道的水平位移。采取被动土压力区的加固措施，能够显著降低围护结构的位移，进而大幅度缩短隧道的长度。

5 结束语

总而言之，在实际工程中，应根据具体情况采取合理的支护措施和施工方法。同时，加强工程经验的总结和案例研究，可以为未来类似工程提供更有效地指导和参考。总之，通过全面理解地表沉降的机制和影响因素，以及合理应用监测与预测方法，可以更好地管理和控制基坑开挖对地表沉降的影响，实现可持续的城市建设和施工安全。