馬永峰，周丁恒，曹力橋，易 禮，冉萬云

(1. 中國石油天然氣華東勘察設計研究院，山東 青島 266071；2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 3.上海申元巖土工程有限公司，上海200040；4.中鐵上海局第一工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

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臨近地鐵隧道的軟土基坑施工分析及方案優(yōu)化

馬永峰1，周丁恒1，曹力橋2，易 禮3，冉萬云4

(1. 中國石油天然氣華東勘察設計研究院，山東 青島 266071；2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 3.上海申元巖土工程有限公司，上海200040；4.中鐵上海局第一工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

以某臨近地鐵隧道的軟土基坑工程為背景，考慮地下水滲流作用下，運用有限元方法動態(tài)模擬基坑開挖過程，分析基坑變形以及對臨近地鐵隧道的影響，并對不同施工方案進行優(yōu)化分析。研究得出：基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響主要體現(xiàn)在近端隧道的水平變形上，可將其作為施工中隧道變形控制及預警指標；提出的5項控制措施均能減小地鐵隧道變形，其中減小開挖深度和坑外降水效果最為明顯，結合實際情況進行組合分析，選取合適的施工控制方案；地鐵隧道處于對變形嚴格要求的運營階段時，需輔助其他控制措施，如分塊開挖等。

隧道工程；地鐵隧道；施工影響；數(shù)值模擬；方案優(yōu)化

0 引 言

隨著城市建設發(fā)展的需要，地鐵隧道在其使用階段不可避免地會受到各種工程活動影響，臨近區(qū)域工程活動是較常見的對隧道產生重大影響的因素，其中包括建筑基坑的開挖。一般而言，根據(jù)基坑與地鐵隧道的相對位置不同，基坑開挖對隧道影響可分為基坑臨近隧道[1]和基坑下臥隧道[2]兩類。

近年來，一些學者已就基坑工程臨近地鐵隧道這一問題進行了系統(tǒng)研究。其中，數(shù)值模擬作為巖土工程重要研究手段，得到廣泛地應用，如：高廣運等[3]對某臨近地鐵隧道的基坑工程進行了三維數(shù)值模擬，并進行了不同施工方案對比分析；張亮[4]對近地鐵區(qū)間地鐵隧道的基坑開挖進行了三維模擬，分析了不同加固條件下基坑與隧道的變形；劉庭金[5]對建筑物群基坑施工對地鐵區(qū)間隧道的影響進行了實測與分析。在現(xiàn)場監(jiān)測或室內試驗方面亦有部分研究，如：肖同剛[6]開展了基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的監(jiān)測與分析工作。梁發(fā)云等[7]對緊鄰地鐵樞紐深基坑變形特性進行了離心模型試驗研究，結果表明先“開挖大基坑，后挖小基坑”的開挖方案可以有效地控制基坑變形。此外，數(shù)值分析、監(jiān)測或試驗相結合，可有效地分析基坑對臨近隧道的影響：伍尚勇等[8]通過數(shù)值模擬結構與實測數(shù)據(jù)的對比分析及數(shù)值試驗等手段，分析雙側深基坑按不同順序開挖對穿越其間的已運營地鐵隧道的影響；付艷斌等[9]基于室內三軸蠕變試驗結果，將建立的黏彈性元件模型應用到近鄰地鐵的深基坑開挖中，分析了基坑支護結構傾斜、墻間留土與不留土流變速率的影響及隧道不均勻沉降的規(guī)律，并與實測數(shù)據(jù)進行了對比。從理論角度分析基坑對臨近地鐵隧道影響分析有：張治國等[10]考慮基坑開挖引起的坑底和四周坑壁土體同時卸荷產生的影響，提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道的縱向變形影響的兩階段分析方法。

筆者以某臨近地鐵隧道的軟土基坑工程為背景，運用有限元方法動態(tài)模擬基坑開挖過程，分析基坑變形以及對臨近地鐵隧道的影響，對不同施工方案進行優(yōu)化分析，提出合理的隧道變形控制方案。

1 工程概況

本基坑基本呈長條形，平面尺寸約為147 m×83 m，開挖深度約為8.15～9.45 m，其中臨近地鐵的基坑北側開挖深度為8.75 m。地鐵盾構隧道已施工完成(盾構頂部埋深為11.6～14.6 m)，基坑開挖邊線距離盾構下行線邊線距離約為9.17～15.50 m；東側為道路，距離約為4.07～5.95 m，道路下埋有煤氣、電力、污水及雨水等管線；南側為設有三層地下室的用地項目，其圍護采用鉆孔灌注樁+坑外三軸水泥攪拌樁結構?；庸こ贪踩燃墳橐患墸庸こ贪踩燃壷匾韵禂?shù)為1.1。基坑與隧道相對位置關系見圖1。

圖1 基坑與隧道相對位置關系平面和剖面Fig.1 Plan and section plan of the relative position between pit and metro tunnel

工程勘察報告揭示，土體自上而下分為以下土層：①-1雜填土，主要有碎石塊及少量黏性土組成，層厚0.40～1.40 m；①-1素填土，層厚1.10～2.20m；②-1砂質粉土，干強度低，韌性低，場地普遍分布，層厚1.50～2.60 m；②-2砂質粉土，含云母屑，1.10～3.50 m；②-3砂質粉土夾粉砂，中密，場地分布普遍，層厚4.90～7.00 m；②-4粉砂，含長石、云母屑，局部夾砂質粉土薄層，場地普遍分布，層厚3.00～5.50 m；③淤泥質黏土，流塑，含腐殖質，層面分布粉粒，局部為淤泥質粉質黏土，夾粉土薄層，場地普遍分布，層厚8.50～13.00 m。上述土層以下巖土層分別為：粉質黏土、粉質黏土混細砂和圓礫。土體物理力學參數(shù)列于表1。

表1 材料計算取值

地鐵隧道變形要求嚴格，結構絕對最大變形不能超過20 mm，變形曲線的曲率半徑≮1 500 m，相對彎曲≯1/2 500。為控制地鐵隧道變形，需對鄰近隧道的基坑施工進行詳細分析。

2 基坑施工影響分析

2.1 計算模型及參數(shù)

基坑降水開挖過程中滲流與固結變形同時存在相互影響，土體的滲流導致孔隙水壓力及有效應力的改變，引起土體變形而致使?jié)B透系數(shù)改變，影響土體應力應變狀態(tài)。不少學者的研究發(fā)現(xiàn)：降水對基坑內土體有壓密作用，對基坑內的隆起量和臨近建筑物位移有明顯的抑制作用[11]。

計算模型根據(jù)實際工況考慮了孔隙靜水壓力對地鐵隧道周邊土體有效應力的影響即滲流場與應力場之間的相互耦合作用，筆者使用PLAXIS 2D有限元分析軟件在這方面有較好的適用性，其采用的是有限元強度折減方法。PLAXIS軟件認為地下水在孔隙中的流動服從Darcy定律，因此其對應的微分方程及其有限元解法不再贅敘。該程序和其他有限元程序的不同之處在于，其為了區(qū)別浸潤面上下，在非飽和土和飽和土中地下水滲流方式的不同，在Darcy定律中對滲透系數(shù)引入了一個折減系數(shù)Kr，當土體位于浸潤面以下時，其對應的折減系數(shù)=1，當土體位于浸潤面以上時，對應的折減系數(shù)是一個小于1的數(shù)值α；而在浸潤面附近的過渡區(qū)域內的土體，折減系數(shù)則由α線性遞增到1。

圖2 厚度等效圖解Fig.2 Diagram of thickness equivalent

圖3 基坑計算模型Fig.3 Simulation model of foundation pit

土體強度指標與滲透系數(shù)參考地質報告取值，如表2，各類土的變形模量考慮應力路徑的影響[12-13]，取卸載彈性模量：

E0=λ·γ′·z

(1)

式中：E0為卸載彈性模量，MPa；λ為與變形模量對應的應力路徑影響系數(shù)(根據(jù)袁靜等[12]的黏性土試驗結果，黏性土應力路徑系數(shù)為100，根據(jù)胡琦[13]的砂性圖試驗結果，砂土應力路徑影響系數(shù)為160)；γ′為土體有效重度；z為深度。

表2 土體物理力學參數(shù)

2.1 計算結果與分析

基坑開挖前地鐵隧道已施工完成，因此初始階段將地鐵隧道單元激活，并在開挖前設定常水位為地面下2 m，其初始應力場和滲流場如圖4。模擬施工步與實際工況類似，有以下施工步：

施工步1：設置鉆孔灌注樁、三軸水泥攪拌樁及地面超載。地面超載為隧道上方一直存在的荷載，可不考慮施加地面超載對地鐵隧道的變形影響，將此步驟產生的變形歸0，僅保留其應力水平。

施工步2：降水至第一道混凝土支撐以下，放坡開挖至第一道混凝土支撐底部，深度為2.8 m。

施工步3：施工第一道混凝土支撐，降水至坑底以下并開挖至底部，深度為8.75 m。

圖4 初始應力場和滲流場Fig.4 Initial stress field and seepage field

不同施工步下基坑降水后滲流場見圖5，不同施工步下水平向和豎直向土體變形云圖如圖6，圖7。

基坑開挖引起的鉆孔灌注樁圍護結構及地鐵隧道變形列于表3中，鉆孔灌注樁圍護結構和地鐵隧道的變形主要由施工步3引起的。對比地鐵隧道對水平及豎向的變形控制標準可知，遠端隧道水平向和豎直向變形均在控制標準以內；近端隧道的豎向變形較小，在控制標準以內，但水平方向變形過大，施工步3完成后近端隧道最大水平變形為12.6 mm，遠大于控制標準，需對設計方案進行優(yōu)化，采取相應地控制措施，減小近端隧道水平變形。

圖5 不同施工步中基坑降水后滲流場Fig.5 Seepage field after dewatering of different construction steps

圖6 水平變形云圖Fig.6 Horizontal deformation nephogram

圖7 豎向變形云圖Fig.7 Vertical deformation nephogram

3 施工方案優(yōu)化

3.1 不同方案對比分析

近端隧道最大水平變形不滿足限值要求，需對施工方案進行優(yōu)化。優(yōu)化時主要考慮以下幾項控制措施：①水泥攪拌樁加深至隧道底部以下3 m；②基坑開挖深度由8.75 m減小至8.15 m，靠近圍護部分的承臺部分土體后挖；③在第1道混凝土支撐與坑底之間再施加第2道臨時鋼管斜撐；④加大圍護結構剛度，提高基坑工程水平變形抗變形能力，鉆孔灌注樁樁徑由1 000 mm增大到1 200 mm；⑤坑外降水至地面下5 m。設計方案設定為方案1，其他方案為設計方案+相應的控制措施組合(表4)，優(yōu)化方案6具體布置如圖8，其他優(yōu)化方案只要從圖8中減少相應的控制措施即可完成。

表4 不同優(yōu)化方案的控制措施組合

圖8 5項控制方案示意Fig.8 Model of five control schemes

計算結果顯示主要是近端隧道的水平變形超標，故以圍護結構和近端隧道水平變形為指標進行分析。各優(yōu)化方案下維護結構和近端下行線的最大水平變形計算結果如圖9。

圖9 不同方案下圍護樁及近端隧道最大水平變形Fig.9 Maximum horizontal deformation of the support pile and nearer tunnel under different schemes

5項措施均能減小圍護結構及隧道的水平變形，5項措施全部施加時近端下行線隧道的水平變形為4.86 mm，滿足地鐵保護要求，圍護結構最大水平變形亦減小至5.57 mm。方案6與方案1(設計方案)引起的變形差為5項控制措施對變形減小的貢獻總量，每項措施對變形減小的貢獻量為該項措施實施前變形量與實施后的變形量之差。不同控制措施對圍護結構和地鐵隧道水平變形減小貢獻量如圖10，以減小開挖深度和坑外降水至地面以下5 m對變形控制效果最為明顯，臨時支撐的設置也能一定地控制基坑開挖引起的圍護結構和臨近地鐵隧道的變形。

圖10 不同控制措施對圍護樁和近端隧道變形減小貢獻量Fig.10 Settlement reduction of the support pile and nearer tunnel with different control measures

3.2 最優(yōu)方案下施工過程分析

按照隧道變形的計算結果，最優(yōu)方案為方案6，按照以下施工步完成。

施工步1：設置鉆孔灌注樁、三軸水泥攪拌樁及地面超載、坑外降水等。此步驟產生的變形歸0，僅保留其應力水平。

施工步2：放坡開挖至第1道混凝土支撐底部，深度為2.8 m。

施工步3：施作第1道混凝土支撐，降水至第2道鋼支撐以下并開挖至第2道臨時鋼支撐，深度為6.1 m。

施工步4：施作第2道鋼支撐，降水至坑底以下并開挖至坑底，深度為8.15 m。

施工步5：開挖靠近圍護部分的承臺部分，深度為8.75 m。

最優(yōu)化方案下不同施工步基坑降水后滲流場見圖11，不同施工步下水平向和豎直向土體變形云圖見圖12、圖13，不同施工步下基坑開挖引起的鉆孔灌注樁圍護結構及地鐵隧道變形列于表5中。該施工方案下隧道豎向及水平變形均滿足地鐵控制標準，遠端隧道最大水平變形2.17 mm，豎向變形2.05 mm，近端隧道最大水平變形4.86 mm，豎向變形1.87 mm。遠端和近端隧道的最終總變形分布如圖14。

圖11 不同施工步中基坑降水后滲流場Fig.11 Seepage field after dewatering of different construction steps

圖12 水平變形云圖Fig.12 Horizontal deformation nephogram

圖13 豎向變形云圖Fig.13 Vertical deformation nephogram

(續(xù)表5)

工況圍護結構最大變形遠端隧道最大變形近端隧道最大變形水平豎向水平豎向施工步45.472.091.984.601.77施工步55.572.172.054.861.87控制標準—5.0010.005.0010.00

圖14 方案6下地鐵隧道變形Fig.14 Final deformation of metro tunnel under sixth scheme

4 結 論

基坑工程臨近地鐵地鐵隧道問題是巖土工程領域一個較熱門的研究課題，結合某臨近雙線地鐵隧道隧道的基坑工程，通過二維數(shù)值模擬得到以下3點結論：

1) 基坑開挖引起的近基坑端地鐵隧道水平變形主要體現(xiàn)在近端隧道水平變形上，可將其作為施工中隧道變形控制及預警指標。本基坑工程施工時引起了臨近地鐵隧道較大變形，需采取一定的施工措施進行控制。

2) 筆者所提出的控制措施均能控制基坑開挖對地鐵隧道變形的影響，以減小開挖深度和坑外降水的效果最為明顯，在第一道支撐和坑底之間設置臨時鋼管支撐所減小的隧道變形大于加深水泥攪拌樁和加大圍護結構剛度的。在實踐中，可根據(jù)工程特點和相應情況，選擇適合的控制措施組合進行分析。

3) 基坑開挖時地鐵已在運營，其對隧道變形的要求很嚴格，在基坑施工中還需輔助其他措施，如分塊開挖、基坑降水等，嚴格控制基坑引起的變形。

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Analysis and Scheme Optimization of Pit Excavation Adjacent to Metro Tunnels in Soft Ground

Ma Yongfeng1, Zhou Dingheng1, Cao Liqiao2, Yi Li3, Ran Wanyun4

(1. China Petroleum East China Design Institute, Qingdao 266071, Shandong, China; 2. China Railway Siyuan Survey & Design Group Co. Ltd., Wuhan 430063, Hubei, China; 3. Shanghai Shenyuan Geotechnical Engineering Co. Ltd., Shanghai 200040, China; 4. The First Civil Engineering Co. Ltd., of CREC Shanghai Group, Wuhu 241000, Anhui, China)

Based on the engineering practice of one pit construction in soft ground, the application of finite element method to simulate pit construction process was presented with the consideration of the seepage of groundwater. The deformation of foundation pit and the excavation affection on metro tunnels were analyzed in detail. In addition, the deformation results of different construction schemes were compared. Some conclusions have been drawn: the excavation affection on metro tunnels mainly reflects in horizontal deformation of the nearer tunnel, which can be determined as the control and early-warning index for tunnel deformation; the proposed 5 control measures can reduce the deformation of metro tunnels, and the control effect of excavation-depth reduction or outside dewatering measure are the most apparent; the composite analysis is carried out to select the appropriate construction control scheme, considering the actual conditions. Metro tunnels in the operation stage are very strict in the deformation restriction. Therefore, some assistant measures such as block excavation should be taken.

tunnel engineering; metro tunnel; construction effect; numerical simulation; scheme optimization

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.07

2014-10-22；

2014-11-28

馬永峰(1981—)，男，山東日照人，工程師，主要從事巖土工程勘察與設計方面的研究。E-mail:yongfeng314@126.com。

U455.5;TU435

A

1674-0696(2015)05-033-07