深基坑開挖對鄰近地鐵隧道及民房變形的影響分析

文／伯洋洋 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江杭州 311122

引言：

隨著我國經濟的迅猛發展，越來越多的城市通過建設地鐵來緩解交通擁堵問題。但城市空間有限，鄰近地鐵隧道的深基坑工程不斷涌現。基坑開挖時不可避免的會造成周邊土體位移，從而引起地鐵隧道變形。例如，臺北某基坑施工引起鄰近地鐵盾構隧道的水平位移達50mm，水平方向收斂變形21.5mm、豎向收斂變形21.4mm，過大的位移和變形將嚴重影響地鐵的運營安全。

目前已有大量的學者就深基坑開挖對地鐵隧道和建（構）筑物變形的影響進行了研究：（1）采用三維模擬與現場監測相結合的方式研究了基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道變形的影響。（2）通過對軟土地層鄰近隧道深基坑工程案例進行總結，形成了包括分區設計、軸力自動補償鋼支撐系統、坑內土體加固、坑外隔斷及承壓水控制等較為成熟的基坑變形控制設計方案。（3）就基坑開挖、地表超載、承壓含水層減壓及降水方式等對已運營地鐵隧道結構內力和變形的影響機理進行了研究，并提出了相應保護措施。（4）利用有限元數值模擬分析了軟黏土地層中深基坑開挖引起的土體擾動對既有地鐵隧道受力及變形的影響，并對加固處理措施提出了建議。（5）通過深入分析地鐵盾構隧道水平位移和沉降的時空分布規律，總結了基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道位移和變形的影響規律。（6）采用數值模擬分析了兩側深基坑施工對其間的淺埋既有地鐵隧道變形的影響。

論文以深圳某鄰近地鐵隧道和2層淺基礎民房的深基坑工程為案例，利用有限元分析軟件詳細分析了基坑開挖對地鐵隧道和建筑物變形的影響，并結合現場監測結果印證了分析結論和設計方案的合理性與可靠性，為類似鄰近地鐵隧道及建筑物的深基坑支護方案提供參考和借鑒。

1、依托工程概況

1.1 基坑工程總體布置

本深基坑工程位于深圳市中心地段，周邊環境（見圖1）復雜，北側和東側均為市政道路，西側為人行道，西南側為民房，距離基坑約4.95m～23.84m。地鐵隧道沿基坑北側道路下方敷設，內徑6.0m、外徑6.7m，埋深約18m，與基坑最小凈距4.77 m。基坑長28.0m，寬13.6m，深39.8m。考慮到基坑開挖深度大，距地鐵隧道及民房近，因此必須嚴格控制基坑變形，保證周邊環境和建筑物安全。

圖1 基坑周邊環境

綜合考慮基坑周邊環境及采用咬合樁支護可能導致的樁底劈叉及滲漏風險，基坑支護采用1m厚地下連續墻，豎向設置3道鋼筋混凝土支撐+4道鋼支撐，混凝土支撐尺寸為0.8m×0.8m，鋼支撐外徑800mm，壁厚16mm。同時對近基坑側民房基礎下土層采用單液漿進行跟蹤補償注漿加固。

1.2 工程地質條件

基坑從上至下分別穿越素填土、粉質黏土、全風化含礫砂巖、土狀及塊狀強風化含礫砂巖、中風化含礫砂巖，基坑地質剖面圖詳見圖2，基坑底位于中風化含礫砂巖。地鐵隧道主要位于中風化含礫砂巖中。

圖2 基坑地質剖面圖

根據工程地質勘查報告，場地內各地層物理力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數

1.3 水文條件

場地內地下水主要有2種類型：（1）第四系松散巖類孔隙水，主要賦存于沖洪積砂層和殘積土層中；（2）基巖/構造裂隙水，主要存在于塊狀強風化含礫砂巖、中風化帶和斷裂構造裂隙中，略具承壓性。勘察期間，場地內穩定地下水位埋深約3.1m。抗浮水位取至地表。

2、有限元模型分析

2.1 模型建立

采用MIDAS GTS NX軟件建立二維平面應變模型進行數值模擬分析。土體采用平面應變單元模擬，地鐵隧道與基坑地連墻、支撐采用兩單位模擬，并考慮分步開挖支護，使計算結果與實際工況更為貼近。在數值分析過程中做了如下假設：（1）認為各地層均為水平狀均勻分布且為各向同性體，地鐵隧道、地連墻、支撐等結構的受力、變形均在彈性范圍內；（2）土層采用修正摩爾-庫倫本構模型，為彈塑性連續體，在基坑開挖過程中產生的變形是連續的。各土層物理力學參數見表1。

有限元模型（見圖3）尺寸為長×寬=120m×57m，共建立27224個單元，27534個節點。在模型左側和右側均施加水平向約束，在模型底部施加水平向約束和豎向約束。

圖3 有限元模型

2.2 分析過程

論文主要研究基坑開挖對地鐵區間及民房變形的影響，分析對象為基坑開挖引起的增量位移，因此需對地層初始應力、地鐵隧道及民房施工引起的位移進行清零。在施加地連墻支護結構后，采用逐步開挖、支撐、拆撐、施工結構板的方式進行模擬計算。本次模擬共計算32個施工步序。

2.3 結果分析

2.3.1 地表最大沉降分析

隨著基坑開挖的進行，地表沉降逐漸增大，且距基坑兩側一定距離的地表均出現了明顯的沉降槽。當開挖到基坑底時，地表沉降（詳見圖4）達到最大，為6.25mm，小于控制值30mm，滿足周邊市政道路及人行道正常使用要求。

圖4 開挖至基底時地層沉降云圖

2.3.2 支護結構最大變形分析

隨著基坑開挖的進行，地連墻最大水平變形逐漸增大。當開挖到基坑底時，地連墻水平變形（詳見圖5）達到最大值，最大值出現在第五道支撐與第六道支撐之間、靠近民房側，為3.32mm，遠小于《深圳市基坑支護技術標準》SJG05-2020規定的限值30mm，滿足要求。

圖5 開挖至基底時支護結構水平變形云圖

2.3.3 地鐵隧道最大位移分析

分析發現，地鐵隧道最大位移均隨著基坑開挖深度的增大而增大。基坑開挖到底時，地鐵隧道結構豎向位移及水平位移均達到最大值，近基坑側地鐵隧道結構最大豎向位移為3.73mm（詳見圖6）、最大水平位移為2.27mm（詳見圖7），遠離基坑側地鐵隧道結構最大豎向位移為1.09mm、最大水平位移為1.05mm。說明鄰近基坑開挖對地鐵隧道有一定的影響，但影響程度較小，隧道最大位移均小于深圳地鐵隧道結構安全控制指標標準值10mm，滿足《深圳市地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法（2018年版）》要求；且當基坑與地鐵隧道結構的凈距越大時，基坑開挖對地鐵隧道結構的影響越小。

圖6 開挖至基底時地鐵隧道最大豎向位移

圖7 開挖至基底時地鐵隧道最大水平位移

2.3.4 民房傾斜度分析

隨著基坑逐步開挖，民房沉降逐漸增大。當開挖到基坑時，民房沉降達到最大值，最大值出現在遠離基坑側，為4.77mm。原因主要是民房距離基坑較近，且位于沉降槽最大值位置與基坑之間，遠離基坑側基礎受地表沉降影響更大，故其沉降相對近基坑側更大。民房基礎最大傾斜度為0.04%，遠小于（GB5007-2011）《建筑地基基礎設計規范》中規定的允許值0.2%，滿足使用要求。

3、現場監測

根據現場監測數據，地表沉降、支護樁最大水平位移、地鐵隧道最大位移及民房沉降的變化規律與數值模擬基本一致，具體數值大小雖存在一定的差別，但均在可接受范圍內。地連墻水平變形、地表沉降、地鐵隧道結構水平和豎向位移、民房沉降的最大值均發生在基坑開挖至基底時。

地表最大沉降10.68mm，相對數值模擬結果增加4.43mm，增大70.9%，主要原因是市政道路車輛荷載的振動作用。地連墻最大水平變形5.03mm，相對數值模擬結果增加1.71mm，增大51.5%，主要原因是支撐架設不及時，導致地連墻變形加大。地鐵隧道最大水平位移4.30mm，相對數值模擬結果增加0.57mm，增大15.3%；最大豎向位移3.08mm，相對數值模擬結果增加0.81mm，增大35.6%，主要原因是地鐵隧道貫通僅1年左右，自身變形未完全穩定，與深基坑開挖影響疊加導致變形增大。2層淺基礎民房近基坑側最大沉降5.28mm，遠離基坑側最大沉降6.37mm，傾斜度0.03%，與數值模擬結果相當。

結語：

依托深圳市某深基坑工程，利用有限元數值模擬研究了基坑開挖對臨近地鐵隧道及民房變形的影響，并結合現場監測數據，進一步分析驗證了基坑支護設計方案的合理性和安全性，得到主要結論如下：（1）對該地區的類似基坑采用“1m厚地連墻+7道內支撐”的支護體系，能有效控制基坑及周邊建（構）筑物變形，滿足規范要求；（2）隨著基坑逐步開挖，基坑周邊地表沉降、支護結構最大水平位移、地鐵隧道最大位移及民房沉降均逐漸增大，在開挖至基底時達到最大值；（3）利用有限元分析和現場監測數據相互驗證的方法對基坑支護結構體系及周邊建構筑物進行綜合評估是有效且可靠的，類似工程可參考借鑒。