基坑工程开挖顺序与临近地铁隧道结构变形预测分析

王剑宇

（福建东辰综合勘察院有限公司 福建福州 350005）

0 引言

地铁沿线分布着大型商业或居民小区，普遍配套1～2 层地下室，存在深基坑工程。基坑开挖的支护方案设计对变形的控制属于核心问题［1］。根据福州地层结构，基坑开挖深度内地质环境复杂，而隧道对变形要求极高，故以福州地铁祥坂站周边某大型地下室工程为例，从基坑开挖组织顺序方向对临近地铁隧道结构变形作预测分析。

1 工程概况

1.1 项目概况

福州市林浦广场二期位于福州市地铁4 号线林浦站及林浦站—会展中心站区间、6 号线林浦站及潘墩站—林浦站区间50 m 控制保护区范围内。林浦广场二期紧邻4 号线林浦站西侧，位于6 号线林浦站北侧；二期广场为2 层地下室，局部地下室为3 层，大基坑采用SMW 工法桩+2 道混凝土支撑，坑中坑采用灌注桩+1 道混凝土支撑+高压旋喷桩止水。现状路面标高8.18～8.52 m，设计室外设计室外地坪标高8.00 m（罗零标高），地下1 层高度南区8.00 m，地下2 层层高约4.00 m，总埋深12.00 m，设计坑底标高-4.00 m。

1.2 地质概况

1.2.1 地形地貌、环境工程地质条件

拟建场地内原有建筑物多为2～5 层的砖混结构宿舍及办公楼（砼6～8 层）厂房等，现已全部拆迁为空地，地貌类型属于福州盆地中部冲淤积平原地貌。

林浦广场二期紧邻福州地铁4 号线林浦站，距离4 号线会展中心站—林浦站最近距离约8.5 m，距离6 号线林浦站最近距离约16.8 m，距离6 号线潘墩站—林浦站区间最近距离约16 m。

1.2.2 区域地质情况

本场地大地构造位置处于欧亚大陆东南部的陆缘地带。区域不但凝灰熔岩分布广泛，而且侵入岩十分发育。构造体系主要为新华夏系构造、北西向构造和东西向构造，其中新华夏构造为主体构造，全新世以来近场区地壳构造运动趋于稳定，断块或断裂活动表现不明显。

1.2.3 基坑开挖深度内岩土层

拟建场地地基土主要有第四系堆积的杂填土、淤泥、黏土、淤泥质土、粉质黏土和淤泥质土，基底为燕山期花岗岩。基坑开挖深度内岩土层为杂填土、淤泥层。

1.3 施工情况

（1）在地铁6 号线一侧设计2 道钢筋混凝土内支撑结合SMW 工法桩，距离车站及隧道较近的位置采用型钢密插的方式进一步加大支护刚度。三轴搅拌桩打穿中砂层及淤泥质土层，有效阻隔地铁6 号线一侧地下水与本工程基坑之间的流通，避免因本工程基坑内的降水导致地铁6 号线车站及隧道下的地下水流失引发土体带动车站结构下沉的问题。

（2）临近车站结构的桩基采用钻孔灌注桩，避免预制管桩沉桩过程中产生挤土效应对已施工完成的地铁4 号线林浦站车站结构造成不利影响。

（3）在地铁4、6 号线每侧各设置了3 个地下水位监视点。

（4）基坑土方开挖施工须严格遵循分层、分块、分区的原则，保证地下工程的连续施工。出于保护地铁结构安全的考虑，先开挖远离地铁结构的土方，并结合监测数据注意观察土方开挖过程中地铁结构受到的影响，确保安全后再开挖地铁一侧的土方，开挖至基底后应及时回筑地下室结构，避免基坑长时间暴露。

远离地铁隧道区域基坑已开挖到底，根据邻近6 号线地铁区间隧道的监测结果，近侧地铁区间隧道竖向位移表现为沉降和朝向基坑侧的位移，最大沉降量为6.0 mm；最大水平位移为5.3 mm，满足地铁保护安全要求。

2 数字模拟案例分析

基坑的变形或应力应变状态是1 个支护结构与土体的共同作用问题，本次分析采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GTS NX 进行计算。

2.1 计算模型

根据本基坑与邻近地铁结构立体关系以及基坑工程支护结构设计和施工特点，对滨江市民广场基坑的施工全过程进行模拟，见图1。MIDAS 有限元模型中，采用三维实体单元模拟地层，采用板单元模拟滨江市民广场围护结构及地下室底板及楼板、地铁结构，采用梁单元模拟地下室梁及立柱［2-3］。计算模型范围以外轮廓为基准，外扩一定距离后而建立。有限元模型的边界条件为：模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移［4］。

图1 基坑与地铁结构模型轴视图

2.2 计算工况

为了解决既有地铁结构基坑开挖由远到近或由近到远开挖顺序的影响，结合现场条件，对模型开挖顺序做一定调整。限于篇幅，仅给出最终变形对比结果，具体如下：

（1）地铁隧道上部卸载堆土施工遵循“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则，“化整为零”减小分块卸载面积及分层厚度，由远及近开挖，及时回筑减少基坑暴露时间；

（2）提高支护刚度，减小支护变形。

（3）对坑内被动区土体进行加固，减小支护变形。

（4）在大面积基坑降水过程对基坑开挖控制变形影响较大。

地铁区间隧道变形不同工况对比见表1。

表1 不同开挖顺序下区间位移变化值 单位：mm

2.3 计算结果

对不同工况的基坑开挖工序进行模拟计算，较为真实地再现了基坑开挖现场的地质情况和围护结构布置，模拟了基坑开挖的动态施工过程，给出了整个计算域在不同施工阶段的应力变形情况，主要结论为①深基坑开挖引起邻近地铁设施的变形是1 个比较复杂的过程；②旁侧基坑开挖时，隧道主要产生斜向坑底的变形，隧道横截面主要表现为横鸭蛋形；③软土地基上，基坑面积越大，基坑开挖深度越深，基坑施工时间越长，累计变形控制难度就越大，对设计与施工的要求也就越高，由远及近开挖，对称开挖。

2.4 施工建议

（1）地铁保护区范围内基坑开挖施工应遵循“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则，“化整为零”减小分块卸载面积及分层厚度。基坑见底后及时浇筑垫层、承台、底板及传力带，减少基底暴露时间。

（2）基坑开挖后周围土层的变形以卸荷回弹变形为主，即在基坑壁表现为指向基坑内的法向变形和竖直向上回弹变形，在基坑底部表现为回弹变形。临近地铁结构的变形则表现为：水平向指向基坑方向，竖直向指向竖直向下。

（3）施工单位应编制施工作业方案和安全防护方案。

（4）合理布置施工现场和维护状施工顺序，合理安排沉桩顺序，由近及远施工，已施工的管桩或灌注桩可形成隔离作用，减小后续管桩施工对地铁的影响；严格控制沉桩速率，保证超孔隙水压力能得到足够的时间消散，减轻沉桩挤土效应，同一区域（20 m×20 m）1 d 内集中沉桩数不宜超过5 根，若有工期需求可采用跳桩施工。

（5）施工前应对可预见及不可预见的风险等突发事件编制针对地铁保护的施工应急方案。建立应急措施，通过风险及防控措施应对突发事件。施工单位应编制施工作业方案和安全防护方案，并通过评审后方可实施。应编制施工监测方案，及时反馈监测数据，监测方案应通过专家评审后方可实施。

（6）土方开挖前应做好基坑应急预案，并在现场预备好抢险设备及物资，尤其是堵漏设备及材料。

3 结论

（1）基坑开挖支护工程是复杂的岩土工程问题，本文仅对基坑开挖顺序进行了数字模拟分析，对结构内力与支护结构变形未进行分析。在工程具体应用中，仍要坚持理论与实践相结合的原则，根据实际选用合理的方法手段。

（2）通过数值模拟和以上分析，为施工方案提供设计与施工参考。

（3）数值计算法和模型试验法是应用较为广泛的方法，但在实际工程中需要综合考虑各种方法的优缺点和适用范围，方能取得良好的预测效果。在未来的研究和应用中，应加强各种方法的多学科交叉和协同，提高变形预测的精度和可靠性，真正实现工程建设的高质量、安全和高效。

（4）在基坑开挖过程中，随着施工条件发生变化，岩土体参数随开挖过程而不断变化。通过实验及经验确定的土体参数及支护结构力学参数，具有较大的随机性，应进行动态设计和施工。

（5）施工过程中应制定专门的监测方案，对相邻车站和隧道进行变形监测，且应加强靠轨道交通结构侧的基坑变形、水位监测，监测数据应及时反馈。