兩側(cè)深基坑開挖對近鄰地鐵車站及隧道變形影響的優(yōu)化分析

信磊磊，杜一鳴，鄭　剛

(1.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室(天津大學)，天津　300072；2.天津大學建筑工程學院，天津　300072)

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兩側(cè)深基坑開挖對近鄰地鐵車站及隧道變形影響的優(yōu)化分析

信磊磊1，2，杜一鳴1，2，鄭剛1，2

(1.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室(天津大學)，天津300072；2.天津大學建筑工程學院，天津300072)

摘要：基坑周圍環(huán)境的保護要求日趨嚴格，基坑工程近鄰地鐵車站和隧道的情況亦日益常見。為此，優(yōu)化基坑開挖方案以控制車站和隧道的變形則至關重要。以天津市某與地鐵車站貼建的深基坑工程為背景，采用考慮土體小應變硬化特性的有限元方法，結(jié)合3種不同開挖順序的施工方案，分析兩側(cè)基坑開挖對既有車站和隧道變形的影響。計算結(jié)果表明，在控制車站和隧道變形方面，對稱開挖的施工方案最優(yōu)，合理制定兩側(cè)基坑開挖的順序能有效控制車站和隧道的水平位移，但對隧道沉降的控制效果不明顯；非對稱開挖時，先施工小基坑優(yōu)于先施工大基坑。

關鍵詞：地鐵車站；深基坑；隧道；變形特性；最優(yōu)方案；對稱開挖

隨著城市建設節(jié)奏的加快，越來越多的基坑不可避免地在既有地鐵車站和隧道周圍施工，甚至以地鐵車站地連墻作為圍護結(jié)構(gòu)進行貼建施工?；娱_挖卸載會改變周圍土體的應力場和位移場，進而導致既有地鐵車站和隧道產(chǎn)生變形和附加應力，若其超過結(jié)構(gòu)允許值，則地鐵的安全運營將受到嚴重影響。為保證地鐵運營安全及規(guī)范既有地鐵周邊基坑施工，我國在城市軌道交通領域已出臺了相關的行業(yè)標準，提出了地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形控制標準。《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術規(guī)范》[1](CJJ/T202—2013)規(guī)定：隧道水平位移、豎向位移和徑向收斂的預警值為10 mm，控制值為20 mm。《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》[2](GB50911—2013)則提出了更加嚴格的變形控制標準：隧道結(jié)構(gòu)沉降累計值不得超過3～10 mm，上浮限值為5 mm，水平位移限值為3～5 mm。上述變形控制標準的提出，將鄰近既有地鐵的深基坑開挖施工過程中的周邊環(huán)境變形控制提高到了毫米級水平，對此類深基坑施工方案及變形控制措施的設計實施提出了更高要求。

目前，基坑的設計過程多考慮圍護結(jié)構(gòu)、支撐等的變形和內(nèi)力等指標，而針對基坑開挖過程中變形對周圍環(huán)境的影響，則較少關注。為研究基坑開挖對既有車站和隧道的影響，往往需要借助其他手段。針對這一問題，較多學者已開展了相關研究[3-6]，研究方法主要為經(jīng)驗公式法、解析解法、實測分析法和有限元模擬法等，以實測分析法結(jié)合有限元模擬法最為常見。魏綱[3]從理論上分析了基坑開挖影響下方既有盾構(gòu)隧道變形機制，并結(jié)合14個國內(nèi)基坑工程實例，提出了隧道最大隆起值的經(jīng)驗預測公式，同時以杭州市延安路某地下過街通道工程為背景，驗證了理論分析和計算公式的可靠性。李瑛[4]等以杭州鐵路東站西廣場項目基坑工程為背景，研究了分層分塊開挖、底板加筋墊層、土體加固等施工措施控制隧道隆起的有效性。蔡建鵬[5]等總結(jié)了國內(nèi)地鐵隧道的變形控制標準，并結(jié)合無錫某建成地鐵盾構(gòu)隧道上方大面積深基坑開挖實例，采用有限元法模擬了基坑開挖卸載加載對下臥地鐵盾構(gòu)隧道影響的分析。黃兆緯[6]以天津某基坑工程為背景，分析了地鐵上蓋基坑開挖對地鐵隧道變位的影響，并采用土體加固、分塊開挖等技術措施對地鐵隧道變位進行控制分析，其中土體加固技術效果最為明顯。

近年來，在地鐵車站和隧道兩側(cè)進行基坑施工的案例也愈常見，亦有學者進行相關研究[7-9]。上海陸家嘴金融區(qū)內(nèi)某基坑工程埋深23～25 m，基坑以暗埋隧道及車站的既有地墻作為圍護結(jié)構(gòu)，地鐵6號線穿越擬建場地并將其分成兩塊，穿越段隧道采用明挖暗埋施工，底部埋深為8～10 m[7]。以此為工程背景，陳錦劍[7]等采用數(shù)值方法分析了兩側(cè)深基坑開挖對穿越其間的淺埋運營隧道的影響，并通過參數(shù)分析探討了基坑分倉的施工順序、綁樁設置、隧道與基坑圍護結(jié)構(gòu)的關系等因素對隧道位移的影響規(guī)律。廣州市天河區(qū)火車東站附近的林和村舊城改造項目分為A1和A2區(qū)，地鐵1號線從A1區(qū)與A2區(qū)兩基坑之間穿過，兩基坑邊線與隧道的最近水平距離為7.60～9.10 m[8]。針對該工程，張抗寒[9]等研究緊鄰基坑同步施工下坑間土體與隧道的變形特性，通過參數(shù)分析，討論了基坑之間的距離、開挖寬度對坑間土體豎向位移的影響，并由此推算出了使得坑間地表土體平均豎向位移接近零的最優(yōu)基坑間距與開挖寬度的關系。同時，討論了盾構(gòu)隧道、明挖暗埋隧道與基坑的距離對于隧道豎向位移、支護結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響。

綜上，兩側(cè)基坑開挖的順序?qū)扔械罔F車站和隧道變形的影響規(guī)律尚待深入研究。以天津某貼建地鐵車站和隧道的深基坑工程為背景，通過組合兩側(cè)基坑開挖先后順序得到3個施工方案，進一步開展有限元模擬分析，在對比不同施工方案中地鐵車站及隧道變形后，最終得到最佳方案，并總結(jié)了車站及隧道變形規(guī)律。

1工程概況

本工程場區(qū)地處華北平原，屬沖積、海積低平原，下覆土層主要以粉質(zhì)黏土和粉砂為主，土層分布情況見圖1。擬建工程位于天津市2條主要河流交匯口的東北角，整體地下3層，最大開挖深度15.5 m，與地鐵車站相連，由地鐵站分割成東西兩個地塊，即西側(cè)基坑(大基坑)和東側(cè)基坑(小基坑)。地鐵車站為地下3層，車站主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已建成并即將投入運營，車站底板底部位于地表以下24.64 m，南部隧道上方存在已建成的2層地下室(圖2所示中部基坑)，地下室坑深12.15 m。地鐵隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，壁厚0.35 m，軸線埋深19.26 m，西線和東線隧道軸間距15 m，東線與西線隧道外壁距離兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)均為5.1 m?；雍偷罔F車站及隧道的平面位置關系見圖2，剖面位置關系見圖3。

圖1　典型地質(zhì)剖面

圖2　基坑與地鐵車站及隧道相互位置關系

圖3　基坑剖面(高程為m，其余mm)

2數(shù)值分析模型及結(jié)果驗證

2.1計算模型及參數(shù)介紹

選取典型剖面A-A和B-B進行有限元數(shù)值模擬。

(1)模型尺寸

模型中，A-A剖面包含車站，B-B剖面包含隧道區(qū)間和中部基坑地下室，東西兩側(cè)基坑深度均為15.5 m。A-A剖面中，西側(cè)基坑寬65 m，東側(cè)基坑寬24 m；B-B剖面中西側(cè)基坑寬76 m，東側(cè)基坑寬48 m。為消除模型邊界條件對基坑變形的影響，坑外范圍取值75 m，為5倍最大坑深，坑底以下土體深度取為65 m，為4.3倍基坑開挖深度。兩側(cè)基坑均采用1 m厚地連墻和2道水平支撐進行支護。基坑外考慮5 m寬度范圍的超載，超載為20 kPa。有限元整體模型如圖4所示。

圖4　有限元模型

模型的左、右邊界水平方向位移為零，豎直方向允許發(fā)生位移，下邊界任意方向的位移為零。

(2)模型參數(shù)

模型中地下連續(xù)墻、隧道襯砌、車站等混凝土結(jié)構(gòu)均采用線彈性材料模擬，彈性模量取值30 GPa，泊松比0.2。但考慮到隧道實際工程中管片的拼接效應，依前人研究成果[12，13]，計算中將盾構(gòu)隧道橫向剛度有效率折減為75%，即彈性模量取為26 GPa。地下連續(xù)墻、車站結(jié)構(gòu)、隧道襯砌等采用plate單元模擬，支撐采用錨桿單元模擬，支撐等效剛度是借助桿系有限元軟件建立平面支撐系統(tǒng)等效計算得出。

表1　土體物理力學參數(shù)

圖5　坑外地表變形曲線對比

(3)多方案設計

A-A剖面和B-B剖面分別劃分3個典型施工方案，共6個方案，針對每種方案分別計算車站和隧道的變形情況，并進行對比分析?；禹樧鏖_挖分為降水、開挖、施作支撐3個基本步驟，分層循環(huán)進行，直至開挖至坑底并施作底板。“開挖1”表示基坑開挖至地表以下2.6 m，即開挖至第1道撐的位置，“開挖2”表示基坑開挖至地表以下8.6 m，即開挖至第2道撐的位置。具體方案如下。

方案1：兩側(cè)基坑同時降水、開挖以及施作支撐或底板，即對稱開挖。詳細開挖過程見表2。

表2　方案1施工過程

方案2：西側(cè)基坑(大基坑)開挖至坑底后東側(cè)基坑(小基坑)開始開挖，直至坑底。

方案3：東側(cè)基坑(小基坑)開挖至坑底后西側(cè)基坑(大基坑)開始開挖，直至坑底。

2.2計算結(jié)果驗證

不考慮既有車站和隧道，采用表1土體參數(shù)模擬西側(cè)基坑開挖的過程，計算得到坑外地表的沉降和水平位移曲線分別如圖5(a)和圖5(b)中虛線所示。圖5(a)中實線為Hsieh[14]等根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計提出的凹槽形經(jīng)驗曲線。圖5(b)中實線則為Schuster[15]等結(jié)合實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬綜合分析提出的地表水平位移曲線，與Hsieh等提出的地表沉降模式相似。

對比可知，除因首道撐位于地表以下2.6 m，基坑邊緣處地表水平變形較大外，本文模型計算結(jié)果與實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究結(jié)論基本一致，證明考慮土體小應變特性的本構(gòu)模型能夠很好地反映坑外土體的變形情況。同時，也說明本文模型中所采用的土體參數(shù)合理可靠，能夠得到比較滿意的計算結(jié)果，可以在此基礎上進一步研究兩側(cè)基坑開挖引起的既有地鐵車站和隧道的變形。

3結(jié)果分析

3.1基坑地連墻變形分析

由于方案過多，僅取A-A剖面方案1(對稱開挖)中東西兩側(cè)基坑地連墻的變形進行分析，其變化情況如圖6所示。隨著基坑開挖深度的增加，基坑地連墻的變形逐漸增大。開挖至坑底時，西側(cè)地連墻最大水平位移為32.73 mm，東側(cè)基坑最大水平位移為33.24 mm。其余兩個方案地連墻的最大變形匯總于表3?？梢姡?個方案的地連墻的最大水平位移基本在30 mm左右，約為0.2%H，其中H為基坑開挖深度。徐中華[16]等基于上海地區(qū)93個實際工程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得出地連墻的最大側(cè)移位于0.1%H～1.0%H，平均值為0.42%H。本文計算結(jié)果與徐中華等人的統(tǒng)計結(jié)果相符，是符合工程實際的。

圖6　A-A剖面方案1地連墻水平位移

mm

3.2車站水平變形分析

為簡化模型，車站外墻和車站圍護結(jié)構(gòu)合并，即車站外墻實際上是圍護結(jié)構(gòu)的一部分，詳見圖4(a)。車站外墻水平位移隨基坑開挖的變化情況如圖7～圖9所示，水平位移為負值表示位移向西，正值表示位移向東。可知，隨著基坑開挖深度的增加，方案1(對稱開挖)中，車站外墻水平位移逐漸增大，西側(cè)外墻最大水平位移為5.02 mm，東側(cè)外墻最大水平位移為4.58 mm，方向均為向西；方案2(先西后東)中，車站外墻水平位移隨著西側(cè)基坑開挖而增加，西側(cè)基坑開挖至坑底時西側(cè)外墻水平位移達到最大值11.43 mm，東側(cè)外墻最大值為10.64 mm，均為向西。而后，隨著東側(cè)基坑的開挖，東側(cè)土體卸荷導致車站向東側(cè)移動，水平位移減小，當東側(cè)基坑開挖至坑底時，西側(cè)基坑外墻最大水平位移減為8.81 mm，減幅為2.62 mm，東側(cè)外墻最大水平位移減為7.53 mm，減幅為3.11 mm；方案3(先東后西)中，車站外墻水平位移隨著東側(cè)基坑開挖而增加，東側(cè)基坑開挖至坑底時西側(cè)外墻水平位移達到最大值7.68 mm，東側(cè)外墻最大值為8.49 mm，均為向東。而后，隨著西側(cè)基坑的開挖，西側(cè)土體卸荷導致車站向西側(cè)移動，水平位移減小，當西側(cè)基坑開挖至坑底時，西側(cè)基坑外墻最大水平位移減為3.15 mm，東側(cè)外墻最大水平位移減為2.99 mm，均為向西，車站的最大水平位移方向改變。

圖7　方案1車站水平位移

圖8　方案2車站水平位移

車站最大水平位移的對比如圖10所示，方案1為東西兩側(cè)基坑對稱降水和對稱開挖，引起車站的水平位移最小。方案2(先西后東，即先大基坑后小基坑)和方案3(先東后西，即先小基坑后大基坑)是非對稱開挖，車站最大水平位移分別為11.43 mm和8.49 mm，位列第一和第二。由此可見，對稱開挖較非對稱開挖控制車站水平位移效果明顯；非對稱開挖情況下，先開挖小基坑(方案3)優(yōu)于先開挖大基坑(方案2)。

圖9　方案3車站水平位移

圖10　車站最大水平位移絕對值對比

圖11　隧道最大水平位移和沉降對比

3.3隧道變形分析

(1)隧道最大變形分析

隧道的最大水平位移和沉降如圖11所示，其中灰色背景區(qū)域是《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》[2]劃定的允許變形區(qū)間：水平位移為3～5 mm，沉降則為3～10 mm。對比可知，對于西線隧道，方案1(對稱開挖)的隧道最大水平位移最小，為3.09 mm，方案2的最大水平位移最大，為6.68 mm；對于東線隧道，方案1的最大水平位移最小，為1.54 mm，方案2的最大水平位移最大，為5.57 mm。其中，方案2中東西線隧道的水平位移均已超出規(guī)范的要求，于隧道安全不利。以上數(shù)據(jù)說明兩側(cè)基坑開挖的順序?qū)λ淼浪轿灰频挠绊戯@著，對稱開挖優(yōu)于非對稱開挖。3個方案中隧道豎向位移均表現(xiàn)為沉降，沉降值在2.5 mm左右，彼此差值不大，這說明兩側(cè)基坑開挖的順序?qū)λ淼镭Q向位移的影響不大。綜合對比雙線隧道的位移情況，可知方案1在控制隧道變形方面最優(yōu)，其次是方案3，方案2則最差。

(2)對稱與非對稱開挖隧道位移變化分析

圖12、圖13和圖14分別反映了方案1(對稱開挖)、方案2(非對稱開挖，先西后東)和方案3(非對稱開挖，先東后西)的隧道最大位移隨著基坑開挖的變化情況，水平位移為負值表示位移向西，正值表示位移向東。方案1中，隨著兩側(cè)基坑的對稱開挖，隧道的水平位移和豎向位移均增加，方案2和方案3是兩側(cè)基坑非對稱開挖，隧道水平位移變化規(guī)律與方案1不同，隧道水平位移總是先增大后減小，而豎向位移一直增大。

圖12　方案1基坑開挖過程中隧道最大位移的變化

圖13　方案2基坑開挖過程中隧道最大位移的變化

圖14　方案3基坑開挖過程中隧道最大位移的變化

圖15反映了方案1(對稱開挖)、方案2(先西后東)和方案3(先東后西)隨著基坑開挖隧道變形的發(fā)展(為便于觀察，圖中變形已放大300倍)?；娱_挖引起隧道側(cè)向卸荷，豎向荷載不變，隧道產(chǎn)生“水平向拉伸、豎向壓縮”(橫橢圓形狀)的收斂變形。東西兩側(cè)基坑對稱開挖，隧道兩側(cè)土體卸荷，由于西側(cè)基坑(大基坑)土體開挖面積較東側(cè)基坑(小基坑)大很多，方案1中東西兩線隧道整體向西移動。非對稱開挖情況下，方案2中隧道在西側(cè)基坑開挖至坑底時變形達到最大，東側(cè)基坑開挖過程中隧道向東移動，但最終仍表現(xiàn)為向西的變形。方案3中隧道在東側(cè)基坑開挖至坑底時變形達到最大，西側(cè)基坑開挖過程中隧道向西移動，由于西側(cè)基坑開挖面積大，最終表現(xiàn)為向西的變形。

圖15　基坑開挖過程中隧道位移的變化(變形放大300倍)

4結(jié)論

以天津市區(qū)某貼建地鐵車站的深大基坑為背景，采用考慮土體小應變特性的有限元方法，在結(jié)合大量實測研究成果進行參數(shù)驗證的基礎上，對3種不同施工方案進行了數(shù)值模擬分析，研究雙側(cè)基坑不同施工順序?qū)︵徑罔F車站及隧道的影響差異，得到以下結(jié)論。

(1)對稱開挖較非對稱開挖對車站和隧道的水平位移的影響要小，合理制定基坑開挖順序能有效減小隧道水平變形。

(2)3個方案中隧道沉降值相差很小，因此基坑開挖順序?qū)λ淼镭Q向位移影響差別不大。

(3)對比方案2(先大基坑后小基坑)和方案3(先小基坑后大基坑)可知，前者對車站和隧道水平位移的影響較大。因此，當實際工程中不可避免要進行非對稱施工時，應優(yōu)先施工小基坑，后施工大基坑。

(4)非對稱開挖方案中，車站和隧道的水平位移總是在一側(cè)基坑開挖至坑底時達到最大，然后隨著另一側(cè)基坑的開挖減小。而無論基坑是否對稱施工，隧道的沉降總是隨基坑開挖深度的增加而加大。因此，在一側(cè)基坑開挖至坑底階段要加強車站和隧道的監(jiān)測，確保安全。

本文僅針對天津地區(qū)土質(zhì)條件下兩側(cè)基坑埋深相同且小于隧道埋深的情況進行了研究，未考慮兩側(cè)基坑開挖深度不同、隧道埋深、隧道直徑等因素對車站和隧道變形的影響，今后應進行深入研究。在實際工程中，因地質(zhì)條件復雜，現(xiàn)場施工工藝等諸多因素影響，還會對車站和隧道變形產(chǎn)生不同程度的影響，應在施工過程中加強監(jiān)測，保證車站及隧道變形安全。

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Optimal Analysis of Influences on Deformation of Adjacent Metro Station and Tunnel Due to Deep Pit Bilateral Excavations

XIN Lei-lei1，2, DU Yi-ming1，2, ZHENG Gang1，2

(1.MOE Key Laboratory of Coast Civil Structures and Safety (Tianjin University); 2.School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China)

Abstract：The protection of the environment around pit excavation is becoming more stringent and common for adjacent metro stations and tunnels. And in order to control the deformation of the stations and the tunnels， it is of the most importance to optimize the excavation program. According to the practice of deep excavation adjacent to a metro station and a tunnel in Tianjin， three construction schemes are designed to analyze the interactive impact on the adjacent metro station and tunnel caused by bilateral deep excavations with finite element method addressing small strain hardening soil. The results show that symmetric excavation method is most optimal to control the deformation of the station and tunnel， and reasonable excavation sequence is effective to control the horizontal deformation， but not effective to control the settlement of the tunnel. For the asymmetric excavation， it is advisable to conduct small pit excavation before large one．

Key words：Metro station; Deep pit; Tunnel; Deformation characteristic; Optimal scheme; Symmetric excavation

文章編號：1004-2954(2016)05-0084-07

收稿日期：2015-08-31； 修回日期：2015-10-11

作者簡介：信磊磊(1990—)，男，碩士研究生，主要從事基坑及地下工程方面的研究，E-mail:xllbest@qq.com。

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.018