软土地区深基坑开挖对邻近已建地铁盾构隧道的影响评价及基坑支护优化

软土地区深基坑开挖对邻近已建地铁盾构隧道的影响评价及基坑支

护优化

摘要：以已建成的杭州地铁2号线区间隧道附近的一个基坑为研究对象，用plaxis和flac3d软件模拟基坑的施工过程，分析基坑开挖对隧道造成的影响。根据分析，优化基坑支护设计，使基坑施工对隧道的影响控制在可接受的水平。

关键词：基坑已建盾构隧道影响

1引言

近年来，随着基础设施，尤其是城市轨道交通设施的快速发展，大量地出现了新建深基坑紧邻既有地铁车站和盾构区间隧道等工程的现象，其规模越来越大，其间距越来越近，这势必造成新建深基坑对既有设施的不利影响[1]，而在软土地区，由于土体的强度低、灵敏度高，后建工程对于邻近已建地铁工程影响的范围和程度更大。为了保护已经建成的地铁设施，很多城市相继发布了地铁保护条例或标准，如北京、上海、广州、南京、深圳、杭州等。这些条例或标准的发布，一方面使大家更加重视地铁工程的保护，另一方面，为沿线新建工程在评估其对地铁影响方面提供了依据和标准。

目前，我国已经有不少邻近地铁车站或区间建设工程的案例，也有一些由于没有重视对已建地铁隧道的保护而引起风险的教训。文献[1]论述了已建地铁车站端头附近处新建工程基坑对地铁车站和盾构区间的影响，并对在采用三种不同的加固方式下基坑施工对隧道产生的水平位移和竖向位移进行分析研究，并得出了针对该基坑采用基坑内裙边强加固，基坑内部弱加固的处理方案，能够保证对地铁的影响控制在要求范围内；文献[2]利用广州地铁一号线黄沙—长寿路站区间隧道变形监测数据，从隧道各测点与隧道中心绝对位移、道床绝对位移、道床与隧道中心相对位移、各测点与隧道中心相对位移、隧道收敛以及隧道变形曲率半径出发，详细研究了地铁上盖物业建筑群基坑施工对区间隧道的变形影响，解析了诱发道床开裂和水沟翻浆冒泥病害的原因，得出了地铁上盖物业建筑群基坑施工改变了区间隧道周边地层应力及土层性质，导致隧道受力和变形发生变化，诱发管片开裂和接头缝张开，致使隧道渗漏，影响地铁结构安全和正常运营。

本文以已完成铺轨的杭州地铁2号线区间隧道附近的一个基坑工程为例，通过数值模拟分析，对基坑施工对既有地铁隧道的影响进行了评估，并提出来优化建议，使基坑开挖对地铁隧道的影响控制在标准要求的范围内。

2工程概况

本工程位于萧山区，市心北路北侧，紧邻道路红线设置。基坑设计开挖深度为14.1m（承台处14.8m）。市心北路下有已建成的杭州地铁2号线区间隧道。基坑边线距离隧道结构约28m。地铁隧道采用盾构法施工，管片为外径6200mm，内径5500mm，厚度350mm的钢筋混凝土管片。基坑沿市心北路方向长约120m，该段区间隧道埋深约为9~11.6m。基坑与地铁隧道的平面关系见图一所示。

图1 基坑与隧道平面关系图

本段区间埋深较浅，隧道底埋深基本与基坑底板相同，且该处隧道底下存在深厚的淤泥质软土，呈流塑状，工程性能极差。该段盾构隧道预计在基坑施工过程中将通车试运营。基坑开挖可能会打破原有土体平衡，对区间隧道造成影响。

根据勘察报告，基坑影响范围内各土层主要物理力学性质指标设计参数表见表1所示，括号内为设计计算时采用的抗剪强度指标。

表1土层主要物理力学性质指标

3原基坑支护设计

基坑围护结构采用上部放坡开挖与下部内撑式围护结构相结合的复合型围护结构。上部放坡按45°角放坡4m，坡台宽3m。下部围护结构采用直径1m@1.2m钻孔灌注桩，加两道800X1000混凝土支撑。围护桩外侧设置850@600mm水泥搅拌桩止水帷幕，基坑内布置疏干自流深井。为了减小基坑开挖及降水对区间隧道的影响，在基坑外与隧道之间设一道隔离桩，隔离桩采用φ850@600mm搅拌桩。在隔离桩和围护桩之间设置自流深井降水。基坑与隧道立面关系图见图2所示。

围护结构计算采用同济启明星深基坑支护结构软件，基坑采用盖挖顺作法施工，结构分析分施工阶段和使用阶段进行。按“先变形、后支撑”的原则，采用“增量法”原理分阶段进行结构计算。计算时考虑地面超载20kPa。经计算，整体稳定安全系数：1.33>1.3，围护墙底抗隆起稳定性安全系数：1.86>1.8，基坑抗渗流计算安全系数：1.82＞1.3，均满足规范要求。

图2基坑与隧道立面关系图

4基坑开挖对已建地铁盾构隧道的影响分析

因本工程位于软土地区，基坑开挖深度基本与隧道底平，基坑距隧道的距离在地铁隧道的安全保护范围，为保证地铁隧道的安全，需在基坑开挖前对地铁区间进行安全评估。

4.1变形控制标准

结合杭州地铁1号线隧道保护经验，对地铁盾构隧道在各个不同阶段提出如下的变形控制标准。

表2杭州地铁已建区间隧道变形控制标准

考虑到已建地铁隧道在本基坑施工过程中将进入试运行阶段，因此区间隧道对于变形和位移的控制非常严格。基坑开挖过程中要求已建盾构区间的隧道水平收敛、竖向沉降的控制值为5mm，隧道的整体水平位移的控制值为5mm。本次评估结论以此变形控制要求作为评估标准。

4.2隧道的水平位移和沉降验算

4.1.1 采用Plaxis软件验算

1）模型建立

基坑长度较长，且与地铁隧道基本呈平行布置，属于比较典型平面应变问题，因此采用平面应变模型分析基坑开挖、降水施工对地铁隧道受力及变形的影响，其分析结果是偏于安全的。

分析软件采用岩土工程专用有限元软件Plaxis8.5，土本构模型采用Mohr-Coulomb模型；1000@1200mm钻孔灌注围护柱按等刚度折算为790mm厚地下连续墙，采用板单元模拟；基坑横向宽度较大，采用对称半基坑模拟，支撑

采用锚锭杆单元模拟，并赋予混凝土撑的材料参数；土与结构的接触关系采用界面单元模拟，并根据土层的不同性质赋予不同的界面系数，计算过程已考虑基坑内外降水后所引起的渗流对基坑的影响。

计算模型长100m，高36m，底部竖向约束，两侧水平约束。盾构外径6.2m、壁厚350mm、6片拼装。具体模型详见图3，分析工况见表2所列，分析结果见表3和图4。

图3 基坑开挖施工对隧道影响的分析模型

表2计算工况

表3计算结果（单位mm）

图4各工况下隧道及围护变形

根据计算结果，基坑降水和开挖均对隧道产生影响。当基坑开挖至坑底，隧道最大沉降为5.73mm，最大水平位移为7.38mm。

4.1.2 采用flac3d软件验算

1）模型建立

采用岩土\隧道结构专用有限差分分析软件FLAC3D进行分析。土本构模型采用Mohr-Coulomb模型；1000@1200mm钻孔灌注围护柱按等刚度折算为790mm厚地下连续墙，采用实体模拟；2号线区间隧道用直径 6.2m，厚0.35mSHELL结构单元模拟，基坑内横撑斜撑用BEAM结构单元模拟。模型长200m，宽200m，高50m，底部竖向约束。具体模型详见下图5。根据施工的步骤，将计算工况分为四步，具体见表4。