? 两侧深基坑开挖对近邻地铁车站及隧道变形影响的优化分析 两侧深基坑开挖对近邻地铁车站及隧道变形影响的优化分析
信磊磊1，2，杜一鸣1，2，郑刚1，2
(1.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)，天津300072；2.天津大学建筑工程学院，天津300072)
摘要：基坑周围环境的保护要求日趋严格，基坑工程近邻地铁车站和隧道的情况亦日益常见。为此，优化基坑开挖方案以控制车站和隧道的变形则至关重要。以天津市某与地铁车站贴建的深基坑工程为背景，采用考虑土体小应变硬化特性的有限元方法，结合3种不同开挖顺序的施工方案，分析两侧基坑开挖对既有车站和隧道变形的影响。计算结果表明，在控制车站和隧道变形方面，对称开挖的施工方案最优，合理制定两侧基坑开挖的顺序能有效控制车站和隧道的水平位移，但对隧道沉降的控制效果不明显；非对称开挖时，先施工小基坑优于先施工大基坑。
关键词：地铁车站；深基坑；隧道；变形特性；最优方案；对称开挖
随着城市建设节奏的加快，越来越多的基坑不可避免地在既有地铁车站和隧道周围施工，甚至以地铁车站地连墙作为围护结构进行贴建施工。基坑开挖卸载会改变周围土体的应力场和位移场，进而导致既有地铁车站和隧道产生变形和附加应力，若其超过结构允许值，则地铁的安全运营将受到严重影响。为保证地铁运营安全及规范既有地铁周边基坑施工，我国在城市轨道交通领域已出台了相关的行业标准，提出了地铁隧道结构的变形控制标准。《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[1](CJJ/T202—)规定：隧道水平位移、竖向位移和径向收敛的预警值为10mm，控制值为20mm。《城市轨道交通工程监测技术规范》[2](GB50911—)则提出了更加严格的变形控制标准：隧道结构沉降累计值不得超过3～10mm，上浮限值为5mm，水平位移限值为3～5mm。上述变形控制标准的提出，将邻近既有地铁的深基坑开挖施工过程中的周边环境变形控制提高到了毫米级水平，对此类深基坑施工方案及变形控制措施的设计实施提出了更高要求。
目前，基坑的设计过程多考虑围护结构、支撑等的变形和内力等指标，而针对基坑开挖过程中变形对周围环境的影响，则较少关注。为研究基坑开挖对既有车站和隧道的影响，往往需要借助其他手段。针对这一问题，较多学者已开展了相关研究[3-6]，研究方法主要为经验公式法、解析解法、实测分析法和有限元模拟法等，以实测分析法结合有限元模拟法最为常见。魏纲[3]从理论上分析了基坑开挖影响下方既有盾构隧道变形机制，并结合14个国内基坑工程实例，提出了隧道最大隆起值的经验预测公式，同时以杭州市延安路某地下过街通道工程为背景，验证了理论分析和计算公式的可靠性。李瑛[4]等以杭州铁路东站西广场项目基坑工程为背景，研究了分层分块开挖、底板加筋垫层、土体加固等施工措施控制隧道隆起的有效性。蔡建鹏[5]等总结了国内地铁隧道的变形控制标准，并结合无锡某建成地铁盾构隧道上方大面积深基坑开挖实例，采用有限元法模拟了基坑开挖卸载加载对下卧地铁盾构隧道影响的分析。黄兆纬[6]以天津某基坑工程为背景，分析了地铁上盖基坑开挖对地铁隧道变位的影响，并采用土体加固、分块开挖等技术措施对地铁隧道变位进行控制分析，其中土体加固技术效果最为明显。
近年来，在地铁车站和隧道两侧进行基坑施工的案例也愈常见，亦有学者进行相关研究[7-9]。上海陆家嘴金融区内某基坑工程埋深23～25m，基坑以暗埋隧道及车站的既有地墙作为围护结构，地铁6号线穿越拟建场地并将其分成两块，穿越段隧道采用明挖暗埋施工，底部埋深为8～10m[7]。以此为工程背景，陈锦剑[7]等采用数值方法分析了两侧深基坑开挖对穿越其间的浅埋运营隧道的影响，并通过参数分析探讨了基坑分仓的施工顺序、绑桩设置、隧道与基坑围护结构的关系等因素对隧道位移的影响规律。广州市天河区火车东站附近的林和村旧城改造项目分为A1和A2区，地铁1号线从A1区与A2区两基坑之间穿过，两基坑边线与隧道的最近水平距离为7.60～9.10m[8]。针对该工程，张抗寒[9]等研究紧邻基坑同步施工下坑间土体与隧道的变形特性，通过参数分析，讨论了基坑之间的距离、开挖宽度对坑间土体竖向位移的影响，并由此推算出了使得坑间地表土体平均竖向位移接近零的最优基坑间距与开挖宽度的关系。同时，讨论了盾构隧道、明挖暗埋隧道与基坑的距离对于隧道竖向位移、支护结构侧移的影响。
综上，两侧基坑开挖的顺序对既有地铁车站和隧道变形的影响规律尚待深入研究。以天津某贴建地铁车站和隧道的深基坑工程为背景，通过组合两侧基坑开挖先后顺序得到3个施工方案，进一步开展有限元模拟分析，在对比不同施工方案中地铁车站及隧道变形后，最终得到最佳方案，并总结了车站及隧道变形规律。
1工程概况
本工程场区地处华北平原，属冲积、海积低平原，下覆土层主要以粉质黏土和粉砂为主，土层分布情况见图1。拟建工程位于天津市2条主要河流交汇口的东北角，整体地下3层，最大开挖深度15.5m，与地铁车站相连，由地铁站分割成东西两个地块，即西侧基坑(大基坑)和东侧基坑(小基坑)。地铁车站为地下3层，车站主体为现浇钢筋混凝土箱形结构，现已建成并即将投入运营，车站底板底部位于地表以下24.64m，南部隧道上方存在已建成的2层地下室(图2所示中部基坑)，地下室坑深12.15m。地铁隧道外径6.2m，内径5.5m，壁厚0.35m，轴线埋深19.26m，西线和东线隧道轴间距15m，东线与西线隧道外壁距离两侧围护结构均为5.1m。基坑和地铁车站及隧道的平面位置关系见图2，剖面位置关系见图3。
图1典型地质剖面
图2基坑与地铁车站及隧道相互位置关系
图3基坑剖面(高程为m，其余mm)
2数值分析模型及结果验证
2.1计算模型及参数介绍
选取典型剖面A-A和B-B进行有限元数值模拟。
(1)模型尺寸
模型中，A-A剖面包含车站，B-B剖面包含隧道区间和中部基坑地下室，东西两侧基坑深度均为15.5m。A-A剖面中，西侧基坑宽65m，东侧基坑宽24m；B-B剖面中西侧基坑宽76m，东侧基坑宽48m。为消除模型边界条件对基坑变形的影响，坑外范围取值75m，为5倍最大坑深，坑底以下土体深度取为65m，为4.3倍基坑开挖深度。两侧基坑均采用1m厚地连墙和2道水平支撑进行支护。基坑外考虑5m宽度范围的超载，超载为20kPa。有限元整体模型如图4所示。
图4有限元模型
模型的左、右边界水平方向位移为零，竖直方向允许发生位移，下边界任意方向的位移为零。
(2)模型参数
采用有限元模拟的方法对实际工程进行分析时，Simpson等[10]认为，考虑土体小应变的刚度特性，尤其是小应变状态下的高模量和高度非线性，才能更加合理准确地预测基坑开挖引起的土体变形。徐中华等[11]亦指出在敏感性条件下，反映土体小应变特性的高级本构模型更能够合理体现围护结构变形以及坑外土体位移。因此，本文模型中的土体采用Plaxis中小应变硬化模型(HSS)进行模拟。为取得相应土体参数，采用薄壁取土器取得现场原状土样，并通过室内三轴试验取得相应参数，部分参数则依据天津地区工程实测数据反演确定，土体物理力学参数如表1所示。其中，γ为土体的重度；c′为土体的有效黏聚力；φ′为土体的有效内摩擦角；
为三轴试验参考围压下50%强度的割线模量；
为固结仪实验在参考围压下的切线模量；
为卸载/重加载参考模量。此外，初始阶段小应变的参考剪切刚度
和剪切应变水平参数γ0.7用以反映土体的小应变特性，其中γ0.7表示初始剪切刚度G0减小到70%时的应变水平。
模型中地下连续墙、隧道衬砌、车站等混凝土结构均采用线弹性材料模拟，弹性模量取值30GPa，泊松比0.2。但考虑到隧道实际工程中管片的拼接效应，依前人研究成果[12，13]，计算中将盾构隧道横向刚度有效率折减为75%，即弹性模量取为26GPa。地下连续墙、车站结构、隧道衬砌等采用plate单元模拟，支撑采用锚杆单元模拟，支撑等效刚度是借助杆系有限元软件建立平面支撑系统等效计算得出。
表1土体物理力学参数
土层编号土层γ/(kN/m3)c"/(kN/m2)φ"/(°)Eref50/(MN/m2)Erefoed/(MN/m2)Erefur/(MN/m2)Gref0/(MN/m2)γ0.7(10-3)e①1素填土18.712.4016.104.204.2025.2068.040.20.93③2粉质黏土19.18.0017.506.004.8457.83156.170.20.83③3粉质黏土19.08.5028.004.605.0142.49114.720.20.86⑥4粉质黏土19.16.8218.606.106.6456.35152.130.20.83⑦粉质黏土20.019.0020.005.403.7839.32106.160.20.68⑧1粉质黏土20.010.0021.005.905.9030.9783.610.20.68⑨2粉砂20.24.7233.4614..68104.13281.140.20.59⑩1粉质黏土19.719.5215.485.4832.8889.430.20.741粉质黏土20.211.3020.406.305.6346.4.730.20.642粉砂20.25.730.315.7215.7294.32256.550.20.593粉质黏土20.012.0026.006.507.7646.89126.590.20.68
图5坑外地表变形曲线对比
(3)多方案设计
A-A剖面和B-B剖面分别划分3个典型施工方案，共6个方案，针对每种方案分别计算车站和隧道的变形情况，并进行对比分析。基坑顺作开挖分为降水、开挖、施作支撑3个基本步骤，分层循环进行，直至开挖至坑底并施作底板。“开挖1”表示基坑开挖至地表以下2.6m，即开挖至第1道撑的位置，“开挖2”表示基坑开挖至地表以下8.6m，即开挖至第2道撑的位置。具体方案如下。
方案1：两侧基坑同时降水、开挖以及施作支撑或底板，即对称开挖。详细开挖过程见表2。
表2方案1施工过程
施工步内 容1平衡地应力2生成地铁车站(中部基坑及隧道结构)3生成围护结构(位移清零)4两侧基坑降水至地表以下2.6m5两侧基坑开挖至地表以下2.6m(开挖1)6打设第1道水平支撑7两侧基坑降水至地表以下8.6m8两侧基坑开挖至地表以下8.6m(开挖2)9打设第2道水平支撑10两侧基坑降水至基坑底部11两侧基坑开挖至基坑底部(开挖至坑底)12打设底板
方案2：西侧基坑(大基坑)开挖至坑底后东侧基坑(小基坑)开始开挖，直至坑底。
方案3：东侧基坑(小基坑)开挖至坑底后西侧基坑(大基坑)开始开挖，直至坑底。
2.2计算结果验证
不考虑既有车站和隧道，采用表1土体参数模拟西侧基坑开挖的过程，计算得到坑外地表的沉降和水平位移曲线分别如图5(a)和图5(b)中虚线所示。图5(a)中实线为Hsieh[14]等根据实际工程数据统计提出的凹槽形经验曲线。图5(b)中实线则为Schuster[15]等结合实测数据和数值模拟综合分析提出的地表水平位移曲线，与Hsieh等提出的地表沉降模式相似。
对比可知，除因首道撑位于地表以下2.6m，基坑边缘处地表水平变形较大外，本文模型计算结果与实测统计数据研究结论基本一致，证明考虑土体小应变特性的本构模型能够很好地反映坑外土体的变形情况。同时，也说明本文模型中所采用的土体参数合理可靠，能够得到比较满意的计算结果，可以在此基础上进一步研究两侧基坑开挖引起的既有地铁车站和隧道的变形。
3结果分析
3.1基坑地连墙变形分析
由于方案过多，仅取A-A剖面方案1(对称开挖)中东西两侧基坑地连墙的变形进行分析，其变化情况如图6所示。随着基坑开挖深度的增加，基坑地连墙的变形逐渐增大。开挖至坑底时，西侧地连墙最大水平位移为32.73mm，东侧基坑最大水平位移为33.24mm。其余两个方案地连墙的最大变形汇总于表3。可见，3个方案的地连墙的最大水平位移基本在30mm左右，约为0.2%H，其中H为基坑开挖深度。徐中华[16]等基于上海地区93个实际工程数据，统计得出地连墙的最大侧移位于0.1%H～1.0%H，平均值为0.42%H。本文计算结果与徐中华等人的统计结果相符，是符合工程实际的。
图6A-A剖面方案1地连墙水平位移
表3地连墙最大水平位移
mm
方案西侧基坑地连墙东侧基坑地连墙A-A剖面B-B剖面A-A剖面B-B剖面方案132.733.833.230.3方案233.134.430.429.2方案333.333.334.432.4
3.2车站水平变形分析
为简化模型，车站外墙和车站围护结构合并，即车站外墙实际上是围护结构的一部分，详见图4(a)。车站外墙水平位移随基坑开挖的变化情况如图7～图9所示，水平位移为负值表示位移向西，正值表示位移向东。可知，随着基坑开挖深度的增加，方案1(对称开挖)中，车站外墙水平位移逐渐增大，西侧外墙最大水平位移为5.02mm，东侧外墙最大水平位移为4.58mm，方向均为向西；方案2(先西后东)中，车站外墙水平位移随着西侧基坑开挖而增加，西侧基坑开挖至坑底时西侧外墙水平位移达到最大值11.43mm，东侧外墙最大值为10.64mm，均为向西。而后，随着东侧基坑的开挖，东侧土体卸荷导致车站向东侧移动，水平位移减小，当东侧基坑开挖至坑底时，西侧基坑外墙最大水平位移减为8.81mm，减幅为2.62mm，东侧外墙最大水平位移减为7.53mm，减幅为3.11mm；方案3(先东后西)中，车站外墙水平位移随着东侧基坑开挖而增加，东侧基坑开挖至坑底时西侧外墙水平位移达到最大值7.68mm，东侧外墙最大值为8.49mm，均为向东。而后，随着西侧基坑的开挖，西侧土体卸荷导致车站向西侧移动，水平位移减小，当西侧基坑开挖至坑底时，西侧基坑外墙最大水平位移减为3.15mm，东侧外墙最大水平位移减为2.99mm，均为向西，车站的最大水平位移方向改变。
图7方案1车站水平位移
图8方案2车站水平位移
车站最大水平位移的对比如图10所示，方案1为东西两侧基坑对称降水和对称开挖，引起车站的水平位移最小。方案2(先西后东，即先大基坑后小基坑)和方案3(先东后西，即先小基坑后大基坑)是非对称开挖，车站最大水平位移分别为11.43mm和8.49mm，位列第一和第二。由此可见，对称开挖较非对称开挖控制车站水平位移效果明显；非对称开挖情况下，先开挖小基坑(方案3)优于先开挖大基坑(方案2)。
图9方案3车站水平位移
图10车站最大水平位移绝对值对比
图11隧道最大水平位移和沉降对比
3.3隧道变形分析
(1)隧道最大变形分析
隧道的最大水平位移和沉降如图11所示，其中灰色背景区域是《城市轨道交通工程监测技术规范》[2]划定的允许变形区间：水平位移为3～5mm，沉降则为3～10mm。对比可知，对于西线隧道，方案1(对称开挖)的隧道最大水平位移最小，为3.09mm，方案2的最大水平位移最大，为6.68mm；对于东线隧道，方案1的最大水平位移最小，为1.54mm，方案2的最大水平位移最大，为5.57mm。其中，方案2中东西线隧道的水平位移均已超出规范的要求，于隧道安全不利。以上数据说明两侧基坑开挖的顺序对隧道水平位移的影响显著，对称开挖优于非对称开挖。3个方案中隧道竖向位移均表现为沉降，沉降值在2.5mm左右，彼此差值不大，这说明两侧基坑开挖的顺序对隧道竖向位移的影响不大。综合对比双线隧道的位移情况，可知方案1在控制隧道变形方面最优，其次是方案3，方案2则最差。
(2)对称与非对称开挖隧道位移变化分析
图12、图13和图14分别反映了方案1(对称开挖)、方案2(非对称开挖，先西后东)和方案3(非对称开挖，先东后西)的隧道最大位移随着基坑开挖的变化情况，水平位移为负值表示位移向西，正值表示位移向东。方案1中，随着两侧基坑的对称开挖，隧道的水平位移和竖向位移均增加，方案2和方案3是两侧基坑非对称开挖，隧道水平位移变化规律与方案1不同，隧道水平位移总是先增大后减小，而竖向位移一直增大。
图12方案1基坑开挖过程中隧道最大位移的变化
图13方案2基坑开挖过程中隧道最大位移的变化
图14方案3基坑开挖过程中隧道最大位移的变化
图15反映了方案1(对称开挖)、方案2(先西后东)和方案3(先东后西)随着基坑开挖隧道变形的发展(为便于观察，图中变形已放大300倍)。基坑开挖引起隧道侧向卸荷，竖向荷载不变，隧道产生“水平向拉伸、竖向压缩”(横椭圆形状)的收敛变形。东西两侧基坑对称开挖，隧道两侧土体卸荷，由于西侧基坑(大基坑)土体开挖面积较东侧基坑(小基坑)大很多，方案1中东西两线隧道整体向西移动。非对称开挖情况下，方案2中隧道在西侧基坑开挖至坑底时变形达到最大，东侧基坑开挖过程中隧道向东移动，但最终仍表现为向西的变形。方案3中隧道在东侧基坑开挖至坑底时变形达到最大，西侧基坑开挖过程中隧道向西移动，由于西侧基坑开挖面积大，最终表现为向西的变形。
图15基坑开挖过程中隧道位移的变化(变形放大300倍)
4结论
以天津市区某贴建地铁车站的深大基坑为背景，采用考虑土体小应变特性的有限元方法，在结合大量实测研究成果进行参数验证的基础上，对3种不同施工方案进行了数值模拟分析，研究双侧基坑不同施工顺序对邻近地铁车站及隧道的影响差异，得到以下结论。
(1)对称开挖较非对称开挖对车站和隧道的水平位移的影响要小，合理制定基坑开挖顺序能有效减小隧道水平变形。
(2)3个方案中隧道沉降值相差很小，因此基坑开挖顺序对隧道竖向位移影响差别不大。
(3)对比方案2(先大基坑后小基坑)和方案3(先小基坑后大基坑)可知，前者对车站和隧道水平位移的影响较大。因此，当实际工程中不可避免要进行非对称施工时，应优先施工小基坑，后施工大基坑。
(4)非对称开挖方案中，车站和隧道的水平位移总是在一侧基坑开挖至坑底时达到最大，然后随着另一侧基坑的开挖减小。而无论基坑是否对称施工，隧道的沉降总是随基坑开挖深度的增加而加大。因此，在一侧基坑开挖至坑底阶段要加强车站和隧道的监测，确保安全。
本文仅针对天津地区土质条件下两侧基坑埋深相同且小于隧道埋深的情况进行了研究，未考虑两侧基坑开挖深度不同、隧道埋深、隧道直径等因素对车站和隧道变形的影响，今后应进行深入研究。在实际工程中，因地质条件复杂，现场施工工艺等诸多因素影响，还会对车站和隧道变形产生不同程度的影响，应在施工过程中加强监测，保证车站及隧道变形安全。
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OptimalAnalysisofInfluencesonDeformationofAdjacentMetroStationandTunnelDuetoDeepPitBilateralExcavations
XINLei-lei1，2,DUYi-ming1，2,ZHENGGang1，2
(1.MOEKeyLaboratoryofCoastCivilStructuresandSafety(TianjinUniversity); 2.SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)
Abstract：Theprotectionoftheenvironmentaroundpitexcavationisbecomingmorestringentandcommonforadjacentmetrostationsandtunnels.Andinordertocontrolthedeformationofthestationsandthetunnels，itisofthemostimportancetooptimizetheexcavationprogram.AccordingtothepracticeofdeepexcavationadjacenttoametrostationandatunnelinTianjin，threeconstructionschemesaredesignedtoanalyzetheinteractiveimpactontheadjacentmetrostationandtunnelcausedbybilateraldeepexcavationswithfiniteelementmethodaddressingsmallstrainhardeningsoil.Theresultsshowthatsymmetricexcavationmethodismostoptimaltocontrolthedeformationofthestationandtunnel，andreasonableexcavationsequenceiseffectivetocontrolthehorizontaldeformation，butnoteffectivetocontrolthesettlementofthetunnel.Fortheasymmetricexcavation，itisadvisabletoconductsmallpitexcavationbeforelargeone．
Keywords：Metrostation;Deeppit;Tunnel;Deformationcharacteristic;Optimalscheme;Symmetricexcavation
文章编号：1004-2954()05-0084-07
收稿日期：-08-31；修回日期：-10-11
作者简介：信磊磊(1990—)，男，硕士研究生，主要从事基坑及地下工程方面的研究，E-mail:xllbest@。
中图分类号：U231+.4
文献标识码：A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954..05.018
