摘 要:以广州市某深基坑工程为背景，采用三维有限元软件建立数值分析模型，对基坑施工的全过程进行了动态模拟。分别研究了基坑采用顺作法和逆作法两种施工方案时基坑围护结构和紧邻地铁隧道的位移特点及其相互关系，并将基坑围护结构水平侧向位移的有限元计算结果与实测数据进行了对比分析，研究表明: ( 1) 基坑施工诱发紧邻地铁隧道产生了水平位移和竖向隆起，且以水平位移为主; ( 2) 基坑施工引起隧道结构位移较大的范围主要发生在基坑开挖区域附近; ( 3) 逆作法施工相对于顺作法施工会明显减小基坑围护结构的侧向位移;( 4) 限制地铁隧道侧基坑围护结构的侧向位移是控制地铁隧道水平位移的一个重要因素。

关键词: 基坑施工; 地铁隧道; 围护结构; 逆作法; 水平位移

 

      随着城市轨道交通的迅速发展，较多的基坑工程会不可避免地在地铁结构沿线进行施工，而基坑施工是一项很复杂的工程，它会引起周围地层初始应力发生改变，进而导致紧邻地铁结构的受力和变形发生改变。而地铁车站和区间隧道结构是对变形要求极为严格的地下结构物，特别是已运营的地铁线路对于变形要求更为严格。根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》要求: 一般情况下，结构最大位移不能超过 20 mm，隧道变形曲线的曲率半径必须大于15 000 m，相对弯曲不大于 1/2 500。因此，基坑施工必须采取严格的工程措施，否则将会影响紧邻地铁结构的安全性和正常运营。

      曾远、李志高^［1］采用数值分析的方法研究了新建地铁车站开挖基坑时新旧两车站间距、源头变化、土体弹性模量三个因素对运营车站变形的影响，并指出引起已有车站变形的主要原因是基坑内土体隆起导致围护结构后土体移动。朱正峰、陶雪梅^［2］等研究了地基加固，分块开挖等方案和施工措施来控制基坑施工对下方地铁区间隧道结构变形的影响，指出基坑施工过程“分块、分条、平衡、限时”对控制地铁隧道变形的重要作用。高广运、高盟^［3］等基于实测数据对紧邻地铁隧道侧的基坑施工提出了坑外二次加固的施工新工艺，并首次指出地基加固体和地下结构物作为“异质体”对邻近基坑开挖产生的位移传递具有阻断作用。因此，对临近的基坑施工所造成的地铁结构产生的影响进行分析研究，并提出相应的预防和保护措施具有很重要的工程实际意义。

      本文以广州市某深基坑工程作为背景，采用有限元软件建立三维数值分析模型，对基坑施工的全过程进行动态模拟。研究深基坑工程采用不同的施工方案对紧邻地铁隧道结构的影响，探讨深基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施，以期为类似工程提供一定的借鉴意义。

 

      基坑开挖的过程就是基坑卸载的过程，在不断的开挖过程卸载也逐渐加大，由此会产生一种“空间效应”。由于卸载会引起坑底土体产生向上的隆起、基坑围护结构侧向变形以及基坑周边地层的移动，从而导致地面沉降及坑外地铁隧道 的变形^［4］。

      在深基坑开挖过程中，基坑内外的土体应力状态将发生改变，即由原来的静止土压力状态向主动或被动土压力状态转变，其改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力与变形中的任一量值超过容许范围，都将造成基坑的失稳破坏进而会使周围邻近建筑物及地下结构遭到破坏。因此，基坑稳定及变形对周围已有结构物的安全有着至关重要的作用，控制基坑变形尤其是复杂环境中的基坑变形成为工程界亟需解决的一个难题。

      近年来，基坑开挖面积越来越大，开挖深度也越来越深。实测表明，深大基坑由于卸荷量大、施工时间长、施工条件复杂等原因，其开挖造成的基坑外地表沉降范围和沉降量相对以往的窄基坑都要大得多，卸荷对邻近地铁结构以及其他市政设施的影响也要复杂得多。

 

      深基坑工程位于广州市天河区，为 4 层地下室。深基坑北侧紧邻正在运营的广州地铁某区间隧道结构，北侧紧邻隧道部分的基坑支护结构采用直径 1 200 mm 的旋挖桩 +3 道钢筋混凝土支撑结构体系，基坑实际开挖深度为 20． 2 m，其中旋挖桩深度为 24． 2 m，基坑与紧邻地铁区间隧道的最小水平距离约为 6． 0 m，北侧基坑底面开挖标高与紧邻地铁区间隧道结构底面标高基本一致，基坑与地铁区间隧道的剖面位置关系如图 1 所示。场地地层的主要物理参数见表 1 所示。

      采用岩土与隧道结构专用有限元分析软件MIDAS / GTS 建立三维数值模型，重点分析基坑施工过程对临近地铁隧道结构变形的影响。因此，在计算分析中做了如下简化与假设^［1］:

      ( 1) 区间隧道结构变形与该处土体变形协调一致的假定。区间隧道结构刚度与土体相比极大，在实际情况下，结构的变形不会与土体变形保持一致，应小于土体变形。但在小变形情况下，可以认为两者近似相同，同时从保证安全的角度考虑，这样的假定也是合理的。

      ( 2) 在小变形范围内，土体采用线弹性模型，更加方便进行模拟计算。

      在三维整体有限元建模过程，综合考虑了基坑开挖对周边地层及地铁隧道的影响，三维有限元模型的尺寸取为 210 m × 195 m × 50 m，而且模型考虑了地铁隧道结构的起伏以及隧道沿线的土层变化情况，由于左线地铁隧道距离基坑较远，故模型中只考虑了右线地铁隧道。采用 3D 实体单元对土体进行应力变形分析，采用 2D 板壳单元模拟基坑围护结构、隧道衬砌和地下室结构，采用 1D 梁单元模拟基坑支护结构体系。模型中的梁、板单元均采用 C30 混凝土计算参数，即弹性模量 E =30 GPa，泊松比 ν = 0． 2，尺寸取实际设计尺寸。而其他地层的计算参数详见表 1 所示，取值来源于地质勘察报告与实际工程经验的对比分析。计算模型上表面为自由边界，底部为竖向位移约束，各侧面均为对应方向的水平位移约束。基坑围护结构与区间隧道结构的三维有限元模型如图 2 所示。

      建模过程采用了两种不同的施工方案进行基坑施工模拟分析，分别是顺作法施工和逆作法施工，且模拟分析的是半逆作施工方案，以此来研究基坑工程不同施工方案对紧邻地铁隧道结构变形的影响。

      图 3 为基坑监测的实测数据与有限元模拟结果进行对比分析，其对比位置为紧邻隧道结构北侧的围护结构一个测斜孔数据，且为基坑开挖到底时围护结构的侧向位移对比分析。由于基坑在实际施工过程进行的是顺做法施工，因此将有限元模拟的顺做法结构与实测数据进行对比分析，从对比分析可以看出有限元模拟的结果与实测数据规律在围护结构深度 10 m 以上具有明显的一致性，且两组数据中围护结构的最大侧移位置也基本在同一深度。而在 10 m 以下部分实测数据较小，有限元模拟结果较大，由于围护结构 10 m 深度处基本上是岩层与土层的分界面，因此可以看出有限元计算模型中的土层参数取值较为合理，而岩层的计算参数取值则可能偏小，所以在今后进行类似工程计算分析中可以考虑适当提高岩层的计算参数。测斜下方数据偏小的原因，也有可能一方面由于该测斜孔附近区域岩层的风化程度较低所造成，另一方面由于测斜数据处理时最下方数据归零所致。图 4为该基坑目前的一个现状实景拍摄照片，从图中可以看出基坑已经开挖到底。

      ( 1) 场地初始应力分析;

      ( 2) 修建地铁隧道结构;

      ( 3) 施工基坑围护结构和基坑立柱;

      ( 4) 基坑开挖至 2． 0 m;

      ( 5) 施做第一道内支撑和冠梁;

      ( 6) 基坑开挖至 8． 0 m;

      ( 7) 施做第二道内支撑和腰梁;

      ( 8) 基坑开挖至 13． 7 m;

      ( 9) 施做第三道内支撑和腰梁;

      ( 10) 基坑开挖至 20． 2 m。

      图 5 为基坑施工过程紧邻地铁隧道侧基坑围护结构的侧向位移，图 6、图 7 分别为基坑施工过程紧邻的右线隧道结构的水平位移和竖向位移，图 中的水平坐标距离为对应于紧邻的基坑并向基坑两侧延伸一定距离所对应右线区间隧道结构的长度。

      ( 1) 基坑开挖深度较浅时，围护结构顶部发生最大的侧向位移，而下部仅发生很微小的变形;

      ( 2) 随着基坑开挖深度的不断增加，基坑围护结构最大侧移的位置开始下移，基坑围护结构出现了“腰鼓”现象，到基坑开挖至 20． 2 m 深度时，最大侧移位置出现在 10 m 深度左右，最大侧移量为9． 8 mm。

      ( 1) 基坑施工造成了紧邻区间隧道结构发生朝向基坑方向的水平位移，并且随着基坑开挖深度的增加而不断增加，基坑开挖到底时隧道发生最大的水平位移约为 3． 9 mm;

      ( 2) 基坑开挖深度较浅时，隧道结构发生了很小量的下沉，约 0． 3 mm，而随着基坑开挖深度的增加，隧道结构发生了竖向隆起变形，且随着基坑开挖深度的增加而不断增大，基坑开挖到底时发生最大的竖向变形，约 1． 3 mm;

      ( 3) 隧道结构在靠近基坑开挖段发生竖向隆起，而远离基坑部分发生很微小的沉降，说明基坑开挖对隧道变形影响较大范围主要发生在基坑开挖区域附近，远端影响非常微小。

临近地铁隧道基坑施工，确保已有地铁隧道的安全和正常运行至关重要。在基坑设计和施工中提出了逆作法施工等针对性的保护措施，为了将其与顺作法施工进行比较，采用数值模拟手段对二者进行比较分析。

      ( 1) 场地初始应力分析;

      ( 2) 修建地铁隧道结构;

      ( 3) 施工基坑围护结构和主体结构工程桩;

      ( 4) 浇注地下室负一层顶板结构;

      ( 5) 基坑开挖第一层土;

      ( 6) 施做负一层地下室侧壁及底板结构;

      ( 7) 基坑开挖第二层土;

      ( 8) 施做地下室负二层侧壁及底板结构;

      ( 9) 基坑开挖第三层土;

      ( 10) 施做地下室负三层侧壁和底板结构;

      ( 11) 基坑开挖至底部;

      ( 12) 施做地下室负四层侧壁及底板结构。

      图 8 为基坑采用两种不同的施工方案开挖到底时在同一位置处的基坑围护结构水平侧移对比分析，图 9、图 10 分别为基坑采用两种不同的施工方案开挖到底时隧道结构右线的水平位移和竖向位移对比分析。

      由图 8 可知基坑采取逆作法施工可以明显减小基坑围护结构的侧向位移，基坑围护结构的最大侧移由 9． 8 mm 减小为 5． 8 mm，减小了约 40． 8%，因此，逆作法施工对于控制基坑围护结构的侧向位移是十分有效的。由图 9 和图 10 可知基坑采用逆作法施工能减小紧邻隧道结构的水平位移和竖向位移，且使它们分别减小了 25． 6%和 15． 4%，可以看出逆作法对于控制隧道结构的水平位移比竖向位移更加有效。这是由于逆作法在基坑开挖过程进行结构施工，增大了基坑的整体刚度，使围护结构的侧向位移减小，限制了周围土体的移动，从而可以控制隧道结构的位移。

      综上可知，逆作法能够很好地控制基坑围护结构的侧向位移，特别是对基坑周边环境较为复杂时更能发挥它的重要作用。因此，逆作法是一种很有发展前途和推广价值的施工方案，尤其是在大城市应该被广泛应用。

 

      基于此临近地铁隧道结构的基坑工程实例，以及所建立的三维有限元计算模型，模拟分析了基坑施工分别采用顺作法和逆作法施工方案，并将两种不同的施工模拟结果进行对比分析，主要得到以下结论:

      ( 1) 基坑施工使隧道结构一侧的土体发生了水平卸载和竖向卸载，导致隧道产生了朝向基坑方向的水平位移和竖向隆起，且隧道以水平位移为主。

      ( 2) 基坑施工引起隧道结构位移较大范围主要发生在基坑开挖区域附近，且在基坑围护结构长度方向的中点附近达到最大值，而离基坑较远处的隧道位移十分微小。

      ( 3) 逆作法相对于顺作法施工会明显减小基坑围护结构的侧向位移与紧邻地铁隧道的水平位移，限制基坑围护结构的侧向位移对于控制紧邻地铁隧道结构的水平位移较竖向位移更显著。

 

［1］ 曾远，李志高，王毅斌． 基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究［J］． 地下空间与工程学报，2005，4( 1) : 642-645． ( Zeng Yuan，Li Zhigao，Wang Yibin．Research on influencing factors of deep excavation adjacent to subway station［J］． Chinese Journal of Underground Space and Engineering． 2005，4( 1) : 642-645．( in Chinese) )

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