孟祥筝

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

0 引言

近年来，城市地下轨道交通发展迅猛，但由于城市空间的限制，隧道周围容易出现一些深基坑工程。在基坑开挖过程中，邻近土体会产生位移，从而引起轨道的变形。例如，台北某高层建筑的深基坑引起邻近地铁隧道的水平位移和竖向位移分别达27 mm 和33 mm［1］，过大的位移将会影响轨道交通的安全运营。

基坑开挖对基坑及周边土体的影响已有大量的学者研究。基坑开挖过程中，基坑底部的土体由于卸荷作用而向上隆起，挡土墙外的土体会向坑内移动。吕凤梧等人［2］计算发现基坑支护结构的水平位移会随着开挖深度的增加而增加，并且最大水平位移点也会下移。基坑开挖除了影响基坑本身以外，还会因为土体的移动而使周边结构产生变形。李志高等人［3］对上海地铁8号线人民广场站基坑开挖的土体位移传递规律做了模拟研究，结果表明基坑周边的地铁车站会背向基坑倾斜。印长俊等人［4］分析了基坑与邻近地下通道的间隔距离对地下通道位移的影响，计算发现地下通道的水平位移对间隔距离比较敏感。因此，必须在基坑开挖之前对其产生的影响有足够的了解，以便采取相应的防范措施。例如，为了减小基坑开挖对周边结构的影响，俞缙等人［5］发现利用基坑加固技术可以明显抑制下部隧道的隆起。

基坑周边的地铁隧道属于重要的公共工程，在基坑开挖之前必须评估其对轨道的影响［6，7］。由于基坑开挖是一个区域性的工程，邻近的地铁轨道会有一段区间处于基坑开挖的影响范围内，因此有必要对多个典型截面进行分析。由于施工进度原因，土体是分阶段开挖的。在不同施工阶段，开挖的土体量不同，基坑及基坑周边结构的荷载边界条件也不同。现场的施工阶段非常复杂也经常发生变化，一般选取重要的施工阶段进行分析［8-10］。

本文以长沙某深基坑工程为背景，以岩土分析软件PLAXIS 为平台，通过划分关键施工步骤，预测分析该基坑工程对邻近地铁区间段的影响，并根据计算结果给出具体的施工指导意见。

1 工程概况

1.1 深基坑工程简介

本深基坑工程（见图1）位于长沙市中心繁华地段，四周均为城市道路，地下管线密布，周边环境较复杂。场地东北角为立交桥，东侧紧邻道路，南侧为民房，西侧为某在建项目，北侧为地铁站。地铁隧道与该基坑项目邻近。本工程主体部分的开挖深度约14.5 m，考虑到基坑开挖较深，面积巨大，因此必须严格控制基坑开挖引起的土层位移以及对周边轨道交通设施及市政管线的影响，保证周边环境及设施的安全，特别是对轨道交通隧道的影响。

图1 基坑周边Fig.1 Around the Foundation

2 有限元模型

基坑（见图2）DE 段位于地铁隧道正上方，EF 段、FG 段与隧道临近。根据该区段规划布局及工程地质条件，选取施工最不利断面DE、EF 和FG，建立二维数值模型分析基坑施工对已有隧道结构安全的影响。

图2 基坑与隧道相对位置Fig.2 Relative Position between Foundation and Tunnel

2.1 模型的建立

采用PLAXIS 有限元软件进行计算，根据所选取的断面，采用平面应变模型，土体采用平面应变单元模拟，管片与支护桩采用板单元模拟，锚索采用Anchor 单元模拟。根据基坑与区间隧道位置关系，分3段进行计算，每段分别选取1 个典型断面进行二维有限元分析。3 个典型断面计算模型如图3所示。

2.2 材料参数的选取

施工范围土层性质从上到下主要为杂填土、淤泥质粘土、粉质粘土、粗砾砂、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。拟开发基坑深度13.2～14.2 m（地下2层～地下3层）。基坑围护结构形式为1.2 m 人工挖孔桩，混凝土+钢管内支撑或3 排预应力锚索，避开隧道范围，钻孔桩及锚索参数如表1所示。盾构隧道位于基坑南侧。

图3 计算模型示意图Fig.3 Calculation Model Diagram

表1 钻孔桩及锚索参数Tab.1 Parameters of Drilled Piled and Anchor Cable

模拟中土体物理力学材料参数以地质钻孔勘察报告为依据，土层采用莫尔-库伦本构模型，各土层物理力学参数根据地质勘查报告提供的数据取值（见表2）。

管片及钻孔桩采用弹性本构模型，锚索采用仅受拉弹性本构，管片材料为C50 钢筋混凝土，考虑到管片接缝及施工条件和工艺，计算时其弹性模量应考虑一定折减，折减系数取20%。支护桩材料为C35 钢筋混凝土，锚索材料为直径15.2 mm 钢绞线。

表2 各地层主要物理参数Tab.2 Parameters of the Soil Layer

该区域的地下水类型主要为上层滞水、潜水及基岩裂隙水三种类型。上层滞水主要赋存在人工填土层中，受大气降水及地表水补给，水量随季节变化，总体上随地势从高处往低处流动；勘察期间，测得其初见水位深度为2.80～8.51 m，相当于标高37.58～42.73 m；稳定水位为1.20～8.51 m，相当于标高37.86～43.90 m。

2.3 施工步骤的模拟

为计算基坑开挖施工对既有地铁隧道的影响，3 种工况数值模拟步骤为：

2.3.1 DE段基坑施工

⑴建立模型，在自重场下计算平衡；

⑵施做地铁车站及区间；

⑶位移清零，施做基坑围护桩；

⑷施做混凝土支撑并开挖基坑至基底。

2.3.2 EF段基坑施工

⑴建立模型，在自重场下计算平衡；

⑵施做地铁车站及区间；

⑶位移清零，施做基坑围护桩及中立柱；

⑷施做混凝土支撑并开挖基坑第1层。

⑸施做第1道钢管支撑并开挖基坑第2层至基底。

2.3.3 FG段基坑施工

⑴建立模型，在自重场下计算平衡；

⑵施做地铁区间；

⑶位移清零，施做基坑围护桩；

⑷开挖基坑第1层并打设第1道锚索；

⑸开挖基坑第2层并打设第2道锚索；

⑹开挖基坑第3层并打设第3道锚索；

⑺开挖至基坑基底。

按照以上步骤设置完成之后，即可进行基坑开挖全过程模拟。

3 基坑开挖对地铁区间的影响

3.1 DE段基坑施工计算结果

基坑开挖至坑底时，如图4a所示，基坑底的竖向位移最大，约7.5 mm，位移为正，表示为向上隆起。从基坑向地铁隧道方向，竖向位移逐渐减少，到达隧道附近时，竖向位移约为2 mm。图4b表示土层水平位移的变化。在基坑左上侧，产生约7 mm 的偏向基坑内侧的侧移；在地铁隧道处，水平位移几乎为0。可以认为，基坑开挖主要引起基坑本身的侧移，而对周围土体的侧移影响很小。开挖基坑后，管片最大位移约3.4 mm，如图4c所示。管片变形满足相关规范规定要求。

图4 DE段基坑开挖计算结果Fig.4 Calculation Results after the Foundation Pit Excavation in DE Section

3.2 EF段基坑施工计算结果

根据数值计算结果，开挖第1层基坑后（见图5），地层最大竖向位移为6.5 mm，最大水平位移为12 mm，均发生在基坑边上。管片最大位移约0.65 mm；开挖第2层基坑后（见图6），地层最大竖向位移为10 mm，最大水平位移为14 mm。管片最大位移约1.72 mm，管片变形满足相关规范规定要求。

图5 EF段基坑第1层开挖计算结果Fig.5 Excavation Calculation Result of the First Layer of the EF Section Foundation Pit

图6 EF段基坑第2层开挖计算结果Fig.6 Excavation Calculation Result of the Second Layer of the EF Section Foundation Pit

3.3 FG段基坑施工计算结果

FG 段分 4 次开挖，由图7～图10可知，从第1 次开挖到第4 次开挖完成，地层竖向位移从8 mm 逐渐增加到17 mm，最大竖向位移发生位置在基坑底部，基坑发生隆起，地铁隧道处的竖向位移无明显变化，变化范围在3 mm 以内。地层最大水平位移发生在基坑顶部，从-19 mm 逐渐减少到-16 mm，这是因为随着开挖的进行，顶部土体有向基坑内移动的趋势，但是随着锚索的施工，锚索对土体有一定的约束作用，导致水平位移逐渐降低。开挖第1层基坑后，管片最大位移约0.7 mm，开挖第2层基坑后，管片最大位移约1.5 mm，开挖第3层基坑后，管片最大位移约2.3 mm，开挖第4层基坑后，管片最大位移约2.9 mm，管片变形满足相关规范规定要求。

图7 FG段基坑第1层开挖计算结果Fig.7 Excavation Calculation Result of the First Layer of the FG Section Foundation Pit

图8 FG段基坑第2层开挖计算结果Fig.8 Excavation Calculation Result of the Second Layer of the FG Section Foundation Pit

图9 FG段基坑第3层开挖计算结果Fig.9 Excavation Calculation Result of the Third Layer of the FG Section Foundation Pit

图10 FG段基坑第4层开挖计算结果Fig.10 Excavation Calculation Result of the Fourth Layer of the FG Section Foundation Pit

4 结论

根据拟建基坑工程与邻近地铁区间隧道空间位置关系，选取基坑不同围护型式典型断面，利用PLAXIS 建立了二维平面应变模型，计算分析了该基坑工程施工对区间隧道的影响，得出以下主要结论：

⑴基坑开挖将引起隧道周边围岩的变形，DE 段基坑位于隧道正上方，隧道变形以竖向上浮为主，EF段和FG 段基坑位于隧道侧上方，隧道变形以水平位移为主，且越靠近基坑其位移值越大。

⑵基坑开挖将导致隧道管片的变形，DE 段基坑开挖完成以后，区间隧道管片最大变形约3.4 mm，呈上浮趋势；EF 段基坑开挖完成后，区间隧道管片最大变形约1.7 mm，呈向基坑方向水平变形趋势；FG 段基坑开挖完成后，区间隧道管片最大变形约2.9 mm，呈向基坑方向水平变形趋势。几种工况下管片变形均小于5 mm，在规范允许范围之内。

⑶在基坑开挖过程中，锚索的施工对基坑土体的侧移有明显的抑制作用。

可以根据数值分析结果对该工程给出合理的施工建议：

① 该基坑工程与地铁隧道净距较小，基坑应进行优化设计，以确保基坑施工过程中的结构安全。

② 上述计算仅为理论计算，未考虑到基坑施工中各种不利影响，在施工过程中若有明显的土体边界条件变化，需要重新进行计算验证。

③ 无论采用何种支护形式，有必要对地铁隧道进行自动化监控量测，若出现异常，应立即停止施工，并采取相应的工程措施。