临近地铁隧道的软土基坑开挖变形控制分析

郭尧顺

（福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

随着城市地下空间开发，地下基坑施工需要考虑的因素日益增多，施工难度不断增加［1-2］。在基坑施工时，若与地铁隧道距离太近可能对地铁隧道的正常运营产生影响［3-5］。

一般来说，基坑开挖对周边的地表产生扰动，会使其发生一定的不均匀沉降，有时还会引发坑外深层的土体沉降或地下连续墙水平侧移等，这必将会对周围建筑物造成不良影响。为了评估分析基坑开挖对周边土工环境的影响，本文结合福建省某建筑基坑，通过有限元模拟的方式探讨了基坑开挖对周边土体沉降和地下连续墙侧移的影响。

1 工程概况

福建省某建筑基坑毗邻地铁隧道，与隧道水平净距仅7 m，基坑开挖深度为12 m。该基坑采用明挖顺作施工，围护结构均采用地下连续墙形式，为控制地下连续墙和坑外地铁隧道的变形采用盆式开挖方案。基坑坑壁采用三道钢筋混凝土内支撑，并在基坑周边进行坑内加固。当地下墙位移过大时采用在垫层内加设型钢支撑的应急预案，同时加强对周围地层、地铁隧道及基坑地下墙的监测，通过监测数据反馈指导施工。

图1为基坑距离地铁最近位置处的剖面图。地下连续墙深28 m，该剖面有三道钢筋混凝土内支撑，第一道支撑距地表0.6 m，第二道支撑距第一道支撑4 m，第三道支撑距第二道支撑3.8 m，基坑底板顶部距第三道支撑3.7 m。各道支撑的截面尺寸和混凝土标号见表1所示。坑内采用SMW搅拌桩墩式加固及SMW搅拌桩抽条加固，墩式加固深度范围为第三道支撑底至底板顶部，抽条加固深度范围为底板底部以下6 m。地下连续墙内外两侧采用SMW槽壁加固，桩径为Φ850 mm，搭接250 mm，水泥掺量不小于20%。地下连续墙及底板性质参数如表2所示。

在实际过程中，基坑边缘与地铁隧道之间距离的远近往往会影响基坑周围土体和地铁隧道的变形，在设计中应当充分考虑这一点，尤其是对变形非常敏感的地铁隧道，应严格控制其变形。基坑施工的有限元网格如图2所示。

表1 支撑截面尺寸及混凝土标号

表2 地下连续墙及底板性质参数

2 有限元分析模型

土体有限元模型的建立及基坑开挖的模拟是在合理的假定基础上进行的，本文数值模拟计算的基本假定是：

（1）同一层土体为均质、各向同性体，并将土体简化为理想弹塑性体，采用线性Mohr-Coulomb屈服准则及等向硬化规律；

（2）在计算土体变形时，认为土体在自重作用下已充分固结；

（3）地下连续墙两侧的SMW工法槽壁加固区以及坑内加固区采用实体单元模拟；靠近地铁侧坑内三轴搅拌桩加固的宽度为12 m，深度为4 m；

（4）假定隧道横截面形状为圆形，其衬砌假定为线弹性体；

（5）计算中不考虑隧道衬砌、围护结构与土体的脱离现象，认为它们始终协调变形。

有限单元分析中弹塑性应力应变关系可以表示为：

式中：{dσ}为应力增量；［Dep］为弹塑性刚度矩阵；{dε}为应力增量。

不考虑硬化规律采用理想弹塑性本构模型，根据屈服准则和流动规律可以推得弹塑性矩阵的表达式：

式中：［D］为弹性刚度矩阵； f（σ）为屈服函数；g（σ）为塑性势函数。

计算时取基坑距离地铁最近位置处的剖面进行二维有限元数值分析，如图2所示。计算模型水平方向长度为50 m，竖直方向长度为36 m。隧道外径取6.2 m，衬砌厚度为0.35 m，地下连续墙深度为28 m，厚度0.8 m。对模型底部边界施加固定约束，两侧边界施加水平向约束，模型上表面为自由边界。考虑降水施工，水位在地面以下0.5 m。在进行有限元建模和计算时，地层结构以及加固区的土体采用实体单元模拟，土体的物理力学参数如表3所示。地下连续墙、隧道衬砌以及基坑的底板采用板单元模拟，混凝土支撑采用“anchor”单元模拟。计算时，地下连续墙结构的混凝土均选取C35混凝土参数，其弹性模量为31.5 GPa，泊松比取0.2。桩土之间的相互作用采用界面单元来模拟。

表3 土层分布及物理力学性质参数

在有限元计算中，通过对结构单元或荷载单元的激活或冻结来模拟实际的开挖过程和施工工况，并将其抽象为数值分析所采用的施工步。本工程采用分步开挖法，每次开挖将地下水位降至开挖面以下0.5 m处。由于地铁隧道在开挖前已经存在，因此在模拟基坑开挖前首先将隧道内土体“冻结”并激活衬砌单元，同时将隧道开挖引起的土体位移清零。这样，后续计算产生的位移均是由基坑开挖产生的附加位移。

3 基坑围护有限元分析

为研究分析基坑开挖对地表沉降的影响，提取不同施工步下的地表沉降值，绘制曲线如图3所示。同时，为研究基坑开挖对坑外深层土体沉降的影响，取深层土体截面（1-1截面）的沉降值进行对比分析。1-1截面位于第三道支撑处，该截面平行于地平面，其位置在坑外地表以下8.8 m。1-1截面的位置如图1所示。分别提取不同施工步下1-1截面的沉降值，如图4所示。

由图4可知，基坑开挖对地表沉降影响较小，但对1-1截面上土体的沉降值影响较明显。从1-1截面土体沉降的分布图可以发现，隧道位置处于距离地下墙中心线6.4～12.6 m处，图中数据表明在这个范围内1-1截面不均匀沉降最为显著。可以看出，基坑施工时，如果基坑附近有地铁隧道，隧道的存在很大程度上会造成坑外土体不均匀沉降，特别是隧道附近的土体沉降。

为研究分析基坑施工对地下连续墙水平侧移的影响，现提取不同施工步下地下连续墙水平侧移有限元模拟值进行对比，如图5所示。从图中地下连续墙水平侧移值可以看出，随着基坑开挖不断进行，地下连续墙的水平侧移不断增大，施加支撑对地连墙变形有减缓的作用，但未能减小侧移的发生，尤其是在隧洞开挖扰动较大的地层中，所以如果开挖基坑周围有临近的隧洞，应时刻监测隧洞变形，并考虑对隧洞施加一定的支护措施。地下连续墙在水平方向的侧移会带动坑外土体随之移动，由于地下连续墙的刚度变化可以影响其水平侧移，故在一定程度上也会影响到地铁隧道的变形。

为研究分析基坑开挖对邻近地铁隧道变形的影响，分别在每个有限元模型的隧道衬砌外边缘取A～D四个测点，其中四个测点位置如图2所示。

图6给出了基坑开挖后隧道衬砌结构的位移矢量图，见表4给出了隧道拱顶、仰拱、左右拱腰位置处的水平位移和竖向位移值。可以看出，基坑开挖后临近的地铁隧道向基坑卸载面发生了较小的移动。隧道衬砌结构最大水平位移位于在靠近基坑的一侧，其值为7.22 mm，最大沉降发生在拱顶位置处，其值为7.92 mm。由此可见，基坑开挖对地铁隧道变形有一定的影响，尤其需要注意拱顶变形。但由于在坑内采用了加固，并在地下连续墙外侧采用了SMW槽壁加固，使得将周边土体变形及隧道的位移控制在了较小的范围内。

为进一步研究基坑加固区的效果，分析基坑坑底加固及连续墙外侧的土体加固对地下连续墙水平侧移的影响，将基坑加固后的地下连续墙的侧移及隧道衬砌结构的位移值与未加固时进行了比较。

表4 隧道各测点位移模拟数据 单位：mm

图7为基坑加固前后地下墙水平侧移的对比。可以看到，加固基坑对围护墙侧移变形控制有较大的影响。在未采用SMW工法加固时，地下连续墙的最大水平位移为23.6 mm，而采用SMW工法加固后地下墙的最大水平侧移降至13.1 mm，其值降低了10.5 mm，降幅约为44.5%。由此可见，在基坑施工时坑内和地下墙两侧采用SMW工法加固可以有效地减少地下连续墙的侧移。此外，基坑加固对地铁隧道的位移控制也有较好的作用。隧道拱顶沉降值有未加固前的10.26 mm减少至7.92 mm，降低了约23%。隧道拱腰B测点（靠近基坑一侧）的水平位移由加固前的11.36 mm降到了7.22 mm，减少了36%。可见基坑加固后可以有效地控制坑外土体和地铁隧道的位移。

总的来说，在基坑坑内和地下连续墙两侧加固，一定程度上可以减少坑外地表土体和地铁隧道的沉降及水平侧移，该方法在软土城区基坑施工时可以有效保护邻近地铁隧道和地面建筑物的安全。

4 结语

临近地铁隧道的基坑施工对土体位移控制要求非常严格，由于基坑附近存在地铁隧道，土体水平方向的侧移会在附近的隧道结构上产生水平附加应力。为控制隧道变形，应对坑外土体进行加固，减少开挖扰动对隧道的影响。采用地下连续墙围护并对坑外土体进行加固可有效控制临近地铁隧道的水平位移。