緊鄰地鐵深基坑開挖變形控制研究

王曉明，高智鑫，呂 品，程 李

（1.中電建鐵路建設投資集團有限公司，北京 100000；2.北京華科軟科技有限公司，北京 100000）

近年來，許多學者針對基坑圍護結構和隧道變形控制的問題已經進行了大量的研究。濮居一[1]采用有限元數值方法研究軟弱地層中坑內土體加固對基坑開挖引起下臥地鐵隧道變形特性的影響，劉濤[2]對上方攪拌樁施工擾動引起正在運營地鐵隧道的豎向隆起變形進行了機理分析，王衛東[3]針對上海市閘北區大寧商業中心控制隧道變形，采用三維連續介質有限元法分析了不同控制措施開挖所引起的環境效應，為設計和施工提供了有益的參考，丁智[4]對基坑開挖全階段施工過程的深層土體側向位移與鄰近地鐵隧道變形之間的規律展開研究，探討了基坑開挖的施工危險節點與重點影響區域，孫九春[5-7]等人分析了上海東西通道浦東南路站擴建工程的變形控制情況，龔俊杰[8]、李星[9]和黃亮亮[10]等學者分析了設置不同伺服鋼支撐方式后圍護結構的變形特性。

1 地質條件

某工程場地原始地貌單元為濱海灘涂，后經填海造地成為待建用地，處于軟土區，地理環境特殊，水文地質條件復雜。結合巖土工程詳細勘察報告可知，基坑臨近地鐵側土層分布及平均厚度為：（a)人工填土層（7.6m)；（b)第四系全新統海陸交互相沉積層（3.1m)；（c)第四系上更新統沖洪積沉積層；（d)第四系殘積層（12.1m)；（e)全～中風化粗粒花崗巖（19.3m)；（f)微風化粗粒花崗巖（8.1m)。土體的計算參數依據現場提供的地質勘查資料結合類似工程經驗確定，如表1 所示。

表1 土層參數

2 基坑支護方案

鑒于基坑北側緊鄰地鐵，整個基坑圍護結構的支護方式有所不同，被劃分為地鐵保護內和外兩大區域，其中保護區內設置全套筒隔離樁+三重管高壓旋噴樁，保護區外設置單排三重管高壓旋噴樁+單排三重管高壓旋噴樁，致使圍護結構的厚度相差1.2m，由于基坑單側靠近中部水平變形較大，加之兩側布置不均勻的圍護形式，該位置為變形的最不利位置，即圖3 的1-1 剖面處。基坑開挖采用蓋挖順作法施工，圍護結構整體上采用地下連續墻與鋼筋混凝土內支撐相結合的支護方案，在基坑北側地連墻外設置一排隔離樁以減小地連墻成槽施工對坑外土體的擾動。基坑四周豎向設置8 道鋼筋混凝土內撐，由于基坑北側緊鄰地鐵，因此在該側加設變形主動控制裝置與鋼筋混凝土支撐相連，在第3～7 道支撐上設置軸力伺服自動控制裝置，每層57 個，間距2m，共285 個。基坑整體俯視圖、北側剖面圖及支護布置圖如圖1～圖3 所示。

圖1 基坑整體俯視圖

圖2 基坑北側剖面圖

圖3 基坑支護布置圖

圍護結構的鋼筋混凝土內撐在簡化后的地層分布中，第一道內支撐埋深為-2.1m，其余支撐間距分別為-3.7m，-4.5m，-4.8m，-4.0m，-3.3m，-5.3m 和-7.1m，共8 道 內支撐，鋼筋混凝土支撐具體參數見表2，其中：a×b 為1500×1400、1200×1400、1300×1400、1000×1400、1000×1000、1200×1200、1400×1400、1500×1500、1200×1500。

表2 支撐參數

3 數值結果分析

3.1 無伺服系統的隧道變形與基坑變形的關系

基于有限元分析及現場實測數據，將基坑開挖完成后不同位置處的隧道變形圖繪制在同一圖中，并在隧道關鍵位置處標注相應的位移值，如圖4 所示。圖中規定，拱頂、拱底的豎向位移值（Δy1、Δy2），以隆起為正，沉降為負，而左右拱腰的水平位移值（Δx1、Δx2），以指向基坑方向移動為負，背離基坑方向為正。需要說明的是，為便于繪圖，隧道水平方向位置與深度位置并未按照相同比例繪制。

圖4 無伺服隧道變形圖

從圖4 中可以看出，基坑開挖完成后，隧道在豎向均產生沉降，并且自身產生橢圓形相對變形以及一定程度的旋轉，隧道主要表現為整體性移動。圍護結構呈現出內凸型變形，圍護結構的最大變形出現在基坑埋深24.7m 處，基坑變形趨勢如圖4 所示。

3.2 無伺服系統控制的隧道變形控制分區

根據GB 50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》[11]中給出的既有地鐵變形控制預警值和報警值，結合坑外不同位置處隧道的變形規律，可以將不同位置處的隧道劃分為3 個變形特性控制區域。

1）I 為安全區 從淺層最外側隧道至坑底一定位置處隧道的區域，基坑開挖完成后，隧道的水平變形大于豎向變形，均小于規范規定的預警值3mm，因此將預警值以下區域劃為隧道變形安全區，處于該區域內的隧道，其變形主要由水平變形控制，且滿足規范要求，即基坑工程施工不會對結構安全產生嚴重的威脅。

2）II 為變形監控區 該區域由水平位移預警線3mm 和豎向位移報警線10mm 圍成，主要表現為：基坑開挖完成后，隧道的水平變形和豎向變形均較大，但都小于規范規定的報警值，因此處于該區域內的隧道，應時時監控其變形情況，故稱為變形監控區。針對該區域內的隧道，應采取有效的防范措施，并制定應急處理方案，防止隧道變形繼續增加，以保證隧道的安全和正常運行。

3）III 為危險區 當隧道處于豎向位移報警線以上的一定范圍內，其位移超過報警值，故稱為危險區。該區域內隧道的豎向變形大于水平變形，豎向變形是隧道變形的主要控制因素，因此，在施工過程中，應重點關注隧道的豎向變形情況，必須采取相應的措施對隧道進行控制，保護和修復，使隧道位移滿足規范要求。

3.3 有伺服系統控制的隧道變形與基坑變形關系

為分析有伺服自動控制裝置的圍護結構支護的情況下不同位置處隧道的變形特性，將基坑開挖后不同位置處的隧道變形示意圖繪制在同一圖中，并在隧道特征點處標注相應的位移值，如圖5所示。

圖5 有伺服隧道變形圖

從圖5 中可以看出，與無伺服裝置的圍護結構變形相似，該支護方式下，基坑圍護結構也發生的是內凸型變形，墻體的最大變形出現在24.7m 位置處。基坑開挖完成后，隧道在豎向均產生沉降，并且產生橢圓形變形以及一定程度的順時針旋轉。值得注意的是，當開挖深度小于12.1m 時，隧道的橢圓形變形較小，隧道主要表現為整體性移動；隨著開挖深度的增加，隧道的變形逐漸增大，橢圓形更加明顯。

3.4 有伺服系統控制的隧道變形控制分區

根據前文對坑外不同位置處既有隧道變形特性的描述，并與城市軌道交通工程監測技術規范[11]中給出的既有地鐵水平變形和沉降變形的預警值和報警值進行對比，可以將基坑較近范圍內，不同位置處的隧道劃分為兩個區域。

1）I 為安全區 從淺層至坑底開挖面以下一定深度區域后，隨著埋置深度的增加，隧道的變形逐漸增大，但此時隧道產生的水平變形大于沉降變形，水平位移成為隧道變形的主要因素，因此，此時隧道的變形主要由水平變形預警值控制，當隧道處于預警值以下區域時，隧道變形較小，處于安全狀態，稱為安全區。

2）II 為變形監控區 該區域位于水平變形預警線以上的一定范圍內，主要表現為基坑開挖完成后，隧道的水平變形和豎向變形較大，均超過其規范規定的預警值，但都小于報警值，應時刻監控該區域內的隧道變形情況，因此稱為變形控制區。此外，該區域內隧道的豎向變形大于水平變形，應更加重視其豎向方向的位移，因此在實際工程中應結合隧道所處位置區別處理，制定合適的隧道保護方案。

根據計算結果可知，圍護結構產生內凸型變形，基坑外不同位置隧道均產生水平直徑拉伸、豎向直徑壓縮的相對變形。在本項目既有隧道的范圍內，最大水平位移為距圍護結構0.75D，隧道埋深為7.3m 位置處的水平位移值，其值為3.985mm，在警戒線3～5mm之間，小于報警值，滿足規范要求；最大豎向位移也出現在該位置處，其值為4.297mm，在警戒線3～10mm之間，小于報警值，滿足規范要求。因此，應重點關注隧道的水平位移和豎向位移，特別是隧道的豎向位移，必要時應采取措施控制其變形的發展，同時，對于隧道收斂及兩軌高差應密切監測，防止其超過相應的控制標準。

3.5 有無伺服控制的基坑及隧道的變形結果對比

1）在基坑的圍護結構處增設伺服控制裝置后，圍護結構的內凸型變形明顯減小，說明伺服控制系統可以有效地控制基坑的變形。

2）增設伺服控制后，隧道的變形減小，隧道的旋轉情況減弱，整體的水平位移和豎向位移均顯著降低，其中最大水平位移值由19.45mm 減小為8.66mm，減小了55.5%；最大豎向位移值由21.43mm 減小為9.43，減小了55.9%。

3）增設伺服控制后，隧道的水平變形值和豎向變形值均小于報警值10mm，達到規范的變形控制要求；此外，在目前所研究在基坑范圍內，安全區域由1.2D 以下的基坑深度區域變為0.9D右側以下基坑深度區域，安全區域增大了50%左右，其余部分均處于變形監控區范圍內，基坑變形危險區不再存在，由此可知，該伺服控制措施可以有效地控制基坑變形，滿足工程施工要求。

4 結論

1）根據基坑開挖對有無伺服支撐的坑外隧道變形的影響程度不同，分別建立了有限元模型，分析了隧道的變形情況。結果表明，兩種情況下圍護結構均發生內凸型變形，當無伺服控制時，隧道的變形值較大；有伺服控制時，隧道的變形明顯減小，隧道的旋轉情況減弱，隧道的水平位移和豎向位移均顯著降低，其中最大水平位移值減小了55.5%；最大豎向位移值減小了55.9%。

2）當無伺服控制基坑變形時，隧道的變形影響區可劃分為3 個部分：變形安全區、變形監控區及變形危險區；增設伺服控制后，隧道的變形區為2 個部分，分別為：變形安全區和變形監控區，隧道的水平變形值和豎向變形值均小于報警值10mm；在目前研究的基坑范圍內，安全區增大了50%左右，其余部分均處于變形監控區范圍內，基坑變形危險區不存在。結果表明，通過軸力伺服系統能實現對圍護結構側向變形的精細化主動控制，使圍護結構和坑外隧道的實際狀態趨于目標狀態，并能夠在實際工程中進行推廣。