孙小波，庞 晋，寿凌超*

（1.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，杭州 311265；2.浙江明燧科技有限公司，杭州 310000）

随着城市化进程的加快，上跨既有地铁隧道的基坑开挖现象越来越普遍，这必然影响地铁运营安全[1-4]，为了确保基坑的顺利开挖及地铁的的安全运营，合理的开挖顺序十分重要。

目前，很多专家学者对基坑的开挖顺序影响进行了一定的研究。毕书琦等[5]结合实际工程，分析了基坑开挖过程中对下卧隧道产生的影响，结果表明隧道上浮变形初期受开挖顺序影响很大；叶建峰等[6]利用PLAXIS 建立相邻基坑开挖的二维模型，分析认为相邻基坑的间距、开挖顺序及支护方式是基坑变形的重要影响因素；颜超[7]对相邻基坑研究发现，后期开挖施工的基坑围护结构侧向位移会朝着先开挖基坑方向偏移，提出相邻基坑首选同步开挖施工。

基坑土体的开挖顺序直接影响土体的应力释放，从而对围护结构及周边环境产生较大的影响[8]。本文以杭州某上跨运营地铁基坑工程为研究背景，运用数值模拟的方法分析不同开挖顺序引起的地表沉降隆起、围护结构变形及下卧隧道的变形特征，为类似工程提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

艮山东路过江隧道工程设计为城市快速路，含过江隧道、综合管廊、地面连接线工程及配套附属工程。工程全长4 612.26 m（含地面连接线道路），隧道全长4 462.26 m（含盾构段长约3 210 m）。其中下沙侧在YK0+700 附近的明挖段与已建地铁1 号线正交，明挖段基坑如图1 所示，二者基本呈90°立交，地铁1 号线顶标高-9.603 m，位于拟建隧道工程下方约6 m。

图1 基坑与地铁隧道平面位置关系图

1.2 基坑支护结构

基坑围护桩采用直径800 mm、间距1 000 mm 的钻孔灌注桩，其中地铁正上方采用双排桩，止水帷幕为2400@1800MJS 旋喷桩。基坑内设直径1 200 mm 钻孔灌注桩作抗拔桩。盾构隧道正上方围护桩桩底与隧道顶之间竖直距离大于2.0 m，其余围护桩底标高为-21.2 m。地铁1 号线盾构隧道两侧采用门式体加固，加固方式为MJS 旋喷桩，加固深度基坑底至-21.2m，基坑基底满堂加固，加固方式为2400@1800MJS 旋喷桩。各分坑之间以钻孔灌注桩分隔，总体施工顺序为依次开挖上方基坑a 区、b 区、c 区和d 区。

2 PLAXIS 2D 有限元计算结果及分析

2.1 有限元模型的建立

根据艮山东路过江隧道工程地质特征，结合基坑设计与施工方案，本文选取图1 中a 区与c 区开挖剖面，采用PLAXIS 2D 有限元软件建立数值模型，分析a区与c 区不同先后开挖顺序对周边环境、下卧运营地铁的影响。土体本构采用小应变土体硬化本构（HSS），根据地勘报告建立土层模型，地连墙采用板单元模拟，内支撑采用锚杆单元进行模拟。

计算模型划分网格如图2 所示。模型中基坑的开挖深度为9.8 m，由于基坑沿宽度方向几何对称，建立1/2基坑宽度模型以减少模型计算量。根据圣维南原理[9]，基坑开挖影响深度一般是基坑开挖深度的3～5 倍，故土层边界宽100 m，深度50 m。几何模型底部施加完全固定约束，左右两侧边界施加水平约束。另外，在基坑开挖面附近施加20 kPa 荷载以模拟施工荷载。土层计算参数见表1。

表1 土层计算参数

图2 模型网格划分图

2.2 计算结果分析

2 种不同开挖顺序分别为①先开挖中间后开挖外

侧（方案一）；②先开挖外侧后开挖中间（方案二）。模型2 种方案计算步骤见表2。

表2 基坑开挖施工步骤

2.2.1 围护结构变形情况分析

在基坑开挖完成后，提取2 种开挖顺序下地连墙水平位移的变形曲线，如图3 所示。

图3 地连墙水平位移曲线图

由图3 可以看出，不同的开挖顺序对地连墙的变形情况有较大的影响，合理的开挖顺序可以有效减小地连墙的水平位移。方案一中间部分土体的开挖对地连墙水平位移影响较小，最大位移值为9.37 mm，最大位移深度在距离桩顶9.21 m 处；方案二开挖顺序下，外侧土体开挖完成后，中间部分土体开挖使地连墙继续发生变形，最大位移值为10.98 mm，最大位移深度在距离桩顶10.01 m 处，最大位移值较方案一增大了1.61 mm（17.18%）。

2.2.2 地表沉降与坑底隆起分析

当基坑开挖完成后，2 种不同开挖顺序方案最终地表竖向位移云图如图4 所示。

方案一中墙后地表沉降最大值约为-7.04 mm，内、外部基底隆起最大值分别约为8.09 mm 和7.91 mm；方案二中墙后地表沉降最大值约为-8.30 mm，内、外部基底隆起最大值分别约为5.56 mm 和16.09 mm；2 种开挖顺序对比可知，先开挖外侧土体虽然减小了内部基底隆起，但使外部基底隆起大幅增大，墙后地表沉降也相应增大。

2.2.3 地铁隧道变形分析

下卧隧道位于基坑内侧土体下方，基坑开挖产生的卸荷作用会造成隧道的隆起变形。基坑开挖完成后，2 种不同开挖顺序下的隧道变形如图5 所示。

图5 地铁隧道位移图

图6 反映了各开挖工况引起的隧道竖向位移变化，可以看出，因为隧道处于内部土体下方，所以隧道竖向位移主要受到内部土体开挖影响，受外部土体开挖影响较小；底板的及时浇筑可以减小隧道变形，方案一隧道竖向位移最大值发生在内部土体开挖到底时，最大值约为7.31 mm，全部开挖完成后隧道竖向位移为6.34 mm；方案二先开挖外部土体时，外部基底隆起较大，内部土体也涌向外侧，所以隧道整体轻微向下位移，隧道竖向位移最大值同样发生在内部土体开挖到底时，最大值约为5.46 mm，全部开挖完成后隧道竖向位移为4.68mm，竖向位移最大值较方案一减小了26.18%。

图6 各工况下隧道竖向最大位移变化

3 结束语

通过对杭州艮山东路过江隧道基坑内土体不同开挖顺序的数值模拟分析，可得到如下结论。

1）先开挖外侧后开挖内侧土体的开挖顺序可以有效减小基坑开挖对下卧隧道变形产生的影响，这与周钊等[10]的研究结果类似，相比于先开挖内侧土体后开挖外侧土体造成的隧道竖向位移最大值减小约26.18%。

2）先开挖内侧土体时地连墙最大水平位移为9.37 mm，先开挖外侧土体时为10.98 mm，增大约17.18%。

3）2 种开挖顺序下墙厚地表沉降差异较小，但先开挖外侧土体时基底隆起最大值为16.09 mm，较先开挖内侧土体引起的基地隆起7.91 mm，增加了103.41%。

4）模拟结果表明2 种开挖顺序各有优劣，先开挖外侧土体可以更好地保护下方运营地铁的安全，但基坑本身变形较大。合理的开挖方案是工程安全的重要保障，在实际施工过程中，应结合工程特点，选择合理的开挖顺序，以减少对基坑及周边环境的影响。