基坑开挖引起下部地铁隧道变形的有效控制分析

| 工程技术与应用 | Engineering Technology and Application2019年第9期

基坑开挖引起下部地铁隧道变形的有效控制分析

刘探梅，李 玎

（西安市政设计研究院有限公司，陕西󰀃西安󰀃710000）

摘 要：软土地区临近地铁运营线路的深基坑开发是十分复杂的施工工程。在深基坑开挖当中会产生应力变化，从而造成地铁隧道变形问题。所以在基坑开挖当中，如何保障地铁隧道安全性是整个工程需要重点考虑的问题。基于此，文章分析了基坑开挖引起的下部地铁隧道变形问题，进而提出有效的控制措施。关键词：基坑开挖；地铁隧道；变形问题；有效控制中图分类号：U456.3；U231；TU753󰀃󰀃󰀃文献标志码：A󰀃在基坑开挖工程当中，既有地铁隧道原有受力平衡会被打破，应力会重新分布，从而造成隧道变形问题。为了能够保障地铁线路可以正常运营、保障运营安全，因此在基坑开挖中，除了要做好前期的准备工作，还需要保证施工作业的平稳性。在基坑设计与施工中必须采用有效的防止隧道变形的控制措施，否则会直接威胁到地铁隧道安全。因此，对地铁隧道变形有效控制方案展开深度研究，对加强基坑施工质量、保障地铁隧道安全有着重要意义。

1 工程概况

A工程东西方向长93m、南北方向长110m，基坑总面积为9800m2，平均开挖深度为20m。基坑工程围护结构和地铁隧道上行线的间距为5.4m，隧道上下线的中心距为17m，顶部深埋8.5m。基坑各相邻地铁侧开挖深度超过了地铁隧道底部的2m，所以该工程必须保障基坑自身的稳定性和安全性，还需要确保地铁线路安全运营。临近基坑北侧的地铁运行隧道是工程重点保护对象。

2 基坑开挖对地铁隧道变形的影响

从力学角度讲，基坑开挖过程实则就是基坑的卸荷过程。卸荷应力会导致坑底土体向上部位隆起，基坑周围结构产生侧向变形，造成基坑周围土体出现移动，从而造成地面沉降以及地铁隧道变形。在基坑开挖当中，由于受到了挡墙水平位移和坑底土体产生的竖向、横向位移的影响，此时隧道变形沿着纵向分布，并且受力不均，因此可能会造成弯曲变形问题。隧道弯曲系数达到一定数值之后，轻则影响地铁线路正常运营，重则造成隧道崩塌。结合地铁保护管理要求标准，隧道最大位移不得大于20mm，隧道变形曲率半径要在15000m以上，相对弯曲不得大于1/2500。

随着城市建设水平不断提升，基坑开挖量不断提升、深基坑逐渐增加。特别是深基坑，由于深基坑卸荷量较大、施工时间长、施工条件复杂，所以在开挖过程中造成的地表沉陷范围、沉降量、隧道变形量更大，卸荷对地铁隧道以及周围建筑工程的影响机理也更加复杂。坑外隧道变形主要是基坑坑底隆起、挡墙变形造成的，同时和基坑卸荷量、荷载承受时间有直接关系。所以需要将大面积卸荷区域划分为多个独立的卸荷区域，分时段、分阶段进行开挖卸荷。以地铁线路为中心，先从最远位

作者简介：刘探梅（1984—），女，硕士，工程师，研究方向：结构设计；李玎（1987—），男，硕士，工程师，研究方向：结构设计。

󰀃󰀃文章编号：2096-2789（2019）09-0036-02

置开挖，并采用及时回筑压载，控制坑底隆起、稳定沉降系数，之后再逐渐向中心开挖，采取相关措施对基坑开挖侧向变形进行控制。其可以降低深基坑开挖对地铁隧道的影响，保障地铁线路的正常运营。

3 三维有限元预估分析

通常情况下，基坑设计与计算都是采用平面竖向弹性地基梁法。此方法能够模拟基坑施工中的实际情况，分析维护结构和支撑体系变形与内力变化。但是该方法在实际施工中可能会造成周围环境破坏，所以在城市中，特别是在周围有地铁、高层建筑时，无法充分考虑到基坑周围建筑物本体特性，不能分析基坑开挖对周围环境的影响。所以，文章采用了Z-soil三维岩土有限元软件，对A基坑工程对地铁隧道的影响进行预估分析。3.1 不分区整体开挖

不分区整体开挖采用三维模型仿真设计。围护结构为40m深的地下连续墙、4道钢筋混凝土作为水平支撑。采用Shell对连续墙、隧道进行单元模拟，立柱和支撑采用Beam模型，土体采用Continuum 3D模型，土体材料采用Drucker-prager模型。采用先开挖、后支撑的分层开挖模拟方案，可了解基坑不分区的施工情况以及对隧道变形的影响情况。通过分析可知，由于该方法基坑卸荷量大，产生严重的坑底隆起、连续墙变形，隧道因基坑开挖竖向位移在15mm以上，水平位移在25mm以上，无法保障地铁隧道的运营安全。3.2 分区开挖

根据基坑荷载变形特性，对隧道变形关键位置进行控制，根据基坑施工位置，在基坑背部连续墙南部设置临时分隔墙，将基坑划分为南北两个基坑。南基坑采用和不分区开挖相同的40m深的地下连续墙和4道钢筋混凝土支撑；北基坑维护结构采用40m深的地下连续墙和1道水平钢筋混凝土支撑、4道水平钢支撑。先挖南基坑，对南基坑进行回筑压载，减少南基坑开挖对隧道变形的影响，土体应力稳定之后即可开挖北基坑，并采用土体加固方案、施工支撑预加应力方案，控制北基坑相邻围护结构变形。

采用先开挖、后支撑的分层开挖模拟，即可获得基坑分区开挖的受力情况，以及对隧道的影响情况。通过分区开发分析得知，隧道竖向位移最大值为11mm、水平位移最大值为9.5mm，可以满足地铁安全运营需求。

4 基坑开挖有效控制地铁隧道变形的措施

4.1 分区开挖基坑围护

南基坑采用1000mm厚度的地下连（下转第38页）

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拉裂、局部地段滑塌现象，可判断其处于强变形阶段，在蓄水、暴雨、地震影响下，滑坡Ⅰ区很容易出现沿次级滑面剪出或整体失稳的情况。（2）滑坡Ⅱ区。前缘存在10m左右的大量临空面，裂缝发育较弱，无明显的马道、岸库护面拉裂和膨胀现象，可见其处于弱变形阶段，基本不可能出现整体滑移失稳情况，但特殊工况下可能沿次级滑面剪出[3]。2.3 综合防治措施

结合滑坡实际，滑坡的防治明确了实效性、永久性、动态性原则，并建立了边坡监测网络，最终工程给出了如下两种治理方案。方案一：抗滑桩支挡+格构护坡+裂缝填充+截水工程，方案二：前缘回填反压+裂缝填充+截水工程。在综合比较两种方案后，考虑到方案一无法在水库蓄水前完成（2个月内），因此采用了方案二，具体的综合防治措施如下。

（1）砂卵石回填反压。在滑坡前缘的处理中，采用1∶1的回填坡度，弱变形、强变形阶段压脚宽度分别为8m、15m，弱变形阶段的压脚高度则为10m，上台回填坡度为1∶1.25，采用格槟墙支挡前缘，下台回填坡度为1∶1，采用挡墙及格槟墙支挡前缘。（2）截、排水沟。校核暴雨强度选择20年一遇暴雨增加10%设计，为76.4mm/h，取0.5作为径流系数，正常、校核流量下安全超高分别为0.3m、0.2m，滑坡汇水面积为0.04km2。共设置2条截排水沟，截水沟、排水沟总长分别为259m、116m，前者负责滑体内及滑坡后缘地表水的拦截，后者负责坡内公路路面水的排导。采用C10混凝土浇筑沟渠，采用矩形截面的截水沟和排水沟，截水沟沟深、沟宽、总长分别为0.5m、0.5m、259m，排水沟沟深、沟宽、总长分别为0.3m、0.3m、116m，二者

临时开挖坡比均为1∶0.5。（3）裂缝填充。对表1展示的9处裂缝进行填充，采用粘土进行封填，分层回填厚度为250mm，采用人工进行夯实封闭，粉质黏土最优含水量控制在±2%，压实系数设为0.94.2.4 监测工程设计

为保证滑坡综合防治控制的有效性，需结合现有资料和监测设施进行影响因素监测、治理工程监测。通过制定监测系统实施计划、施工期监测计划、治理效果监测计划，滑坡综合防治措施的应用取得了较为喜人的成果。在治理效果监测的1年中，滑坡未出现剧烈变形和失稳情况，但由于格槟墙出现了一定变形，施工人员在格槟墙出现一定位移沉降后进行了修复。由此可见，综合防治措施具备的较高实用性。

3 结束语

综上所述，水工建筑物施工及运行中滑坡防治控制具有较高现实意义，在此基础上，文章涉及的优化设计、合理施工、维护保养以及工程实例，则提供了可行性较高的水工建筑物滑坡防治控制路径。为了更好地抑制滑坡带来的威胁，理正岩土软件的应用、因地制宜与就地取材原则的遵循同样需要得到重视。

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例[J].低碳世界,2014(9):114-116.

（上接第36页）续墙作为围护结构，远离基坑的连续墙深度为46m、相邻基坑连续墙的深度为41m。水平支撑使用十字对撑夹角支撑，竖向设置4道钢筋混凝土水平支撑。北基坑连续墙厚度和南基坑连续墙厚度一致，深度为39.5m。北基坑第一道水平支撑采用混凝土对撑方案；第二到第五道水平支撑采用钢管对撑（φ609mm），在坑底增加一层H型钢筋支撑，预加轴力为300kN。

北基坑地下结构标高在±0之后，将南基坑、北基坑中间连续墙拆除。采用跳仓拆卸工艺，并进行跳仓施工结构楼板，在中间连续墙拆除过程中不会对隧道产生位移影响。为了提升隧道运营安全性，结合“时空效应”，设计支撑系统，快速开挖、支撑、调节轴力。对北基坑第二到第五道水平支撑施加1400kN、1700kN、2200kN、2000kN的预应力，实现应力平衡。4.2 坑内地基加固

采用高压旋喷桩的方式对南基坑6m内进行加固，加固高度为4m。北基坑第一道水平支撑5m位置采用三轴水泥土搅拌桩进行加固。为了降低连续墙施工以及基坑开挖对隧道的影响，在距离地铁隧道较近的位置增设一排三轴水泥土搅拌桩（φ850mm）进行加固，深度为33m。4.3 分块对称开挖

由于A基坑工程地区土壤具有流变性，所以基坑土方开挖需要采用“时空效应原理”，采用分层、分段、分块、

留土壁、限时对称平衡开挖的方案，开挖中一边开挖一

边支撑，也可以采用浇捣垫层法。在土方开挖中需要严格控制土方量，不得出现超挖等问题。施工中定期检查水平支撑，如果出现松动问题，要及时加固，以恢复轴力。

5 结束语

综上所述，针对基坑开挖造成地铁隧道变形的问题，文章提出了一种三维有限元分析方案，可以有效控制隧道变形问题。在基坑开挖中，采用分区围护、基坑地基加固、分块对称开挖方法，实践证明该方案可行，可以保障地铁线路安全运营。

参考文献：

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