深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施

｛醛Ｑ馒市轫道交通冀溅溅慧饕渊溪｛：｛｛｛鞭骶添溅骶黼然骶｛｛｛：｛港港骶蕊惑｛鞠０９：｜熊蕊深基坑开挖对既青地铁隧追的影响分析及控制措施汪小兵贾坚（同济大学地下建筑与工程系，２０００９２，上海∥第一作者，硕士研究生）摘要软土地区邻近地铁运营线路的深大基坑开挖是一项极其复杂的工程。基坑开挖过程中，如何保证地铁隧道的稳定和安全是整个工程中必须考虑的问题。通过同类工程实测反分析的设计施工参数，应用三维有限元分析手段，预估分析基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响，探讨减少基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施，以保证地铁的正常运营，为类似工程设计与施工提供借鉴和参考。关键词深基坑开挖；地铁隧道；影响分析；控制措施中图分类号ＴＵ４３３；Ｕ４５６．３＋１对施工引起的变形影响要求是极其严格的。因此，分析和控制深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响已成为紧邻地铁的深基坑工程建设的主要问题。本文以紧邻运营中的上海轨道交通２号线的“大上海会德丰广场”深大基坑为研究背景，对深基坑工程施工对地铁隧道的影响进行分析，探讨深基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施。１基坑卸荷影响分析ｏｎ１１ＩｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＤｅｅｐＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｉｔＥｘｃａｖａｔｉｏｎＮｅａｒｂｙ基坑开挖的过程就是基坑卸荷的过程。由于卸荷而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坑周地层的移动，从而导致地面沉降ＭｅｔｒｏＴｕｎｎｅｌＷａｎｇＸｉａｏｂｉｎｇ，ＪｉａＪｉａｎＡｂ僦ｎ圯ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｍｅｔｒｏｌｉｎｅｉｓｖｅｒｙｓａｆｅｔｙｏｆｏｆｄｅｅｐ－＂ｌａｒｇｅ－ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｔｏｎｅａｒ及坑外地铁隧道的变形。图１为基坑开挖卸荷后的变形示意图。ｃｏｍｐｌｅｘ，ｈｏｗｔｕｎｎｅｌｉｓｔｈｅｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｄｕｒｍｇｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃｍｅｔｒｏｔｈｅｆｉｒｓｔｃｏｍｉｄｅｒａｔｉｏｎｅｘｃａｖａｔｉｏｎ．ＷｉｔｈｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔｅａｎｄｆｅｅｄｂａｃｋＩＩＩｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒ坑底隆起ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏａｎａｌｙｓｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｅｅｐｆｏｍｄａｔｉｏｎｐｉｔｎｅａｒｂｙｍｅｔｒｏｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ＂ａｎｄｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｗａｙ．Ｋｅｙｗｏｌｄｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔ晚一ｌ８～”一”＼坑外土层移动：ｍｆⅢｍＪ呻嗣护挡嫱变形Ｊｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；ｍｅｔｒｏｔｕｎｎｅｌ；ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆ＇ａｓｔ－ａｔｒｔｈａｒ’ＳａｄｄｒｅｓｓＴｏｒ毽ｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０００９２，Ｓｌｍｇｔｌａｉ，Ｃｈｉｎａ自１９９５年上海轨道交通１号线开通以来，上海图１基坑开挖卸荷后的变形示意图在基坑开挖过程中，随着围护挡墙的水平位移和坑底土层的隆起，紧邻深基坑的正在运营中的地铁隧道会产生水平和竖向位移。隧道变形沿纵向呈不均匀性，从而产生一定的弯曲变形。当隧道变形超过一定的值时，容易对其正常运营产生影响。《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，隧道最大位移不能超过２０ｍｍ，隧道变形曲率半径必须大于１５曲不大于１／２５００。０００在地铁安全保护区内实施了数以百计的新建、改建和扩建工程项目。其中不少工程项目距离地铁隧道近、基坑面积大、开挖深，加上上海地区软土本身的低强度、高压缩性、高灵敏度和流变性，使得工程施工项目的难度和施工风险较大。在整个工程建设中，如果处置不当，容易对地铁的正常运营产生影响。为了保证地铁的正常运营，在工程建设过程中·５２·ｍ，相对弯万方数据　羹；豢蕻瓤；粪｛嚣；葵ｌ葵ｌ｛饕饕｛饕｛｛｛§ｌ蘩嚣｛ｌｌ蝼葵葵蓑｛嚣ｌ｝｛｛｝葵｛｛｛｛｛饕｜羹器葵葵葵ｌ｛饕｛蓬菸｛｛器ｌｌ《｛｛葵葵饕ｌｌ豁搂摭漶｛｛饕近年来，基坑开挖面积越来越大，开挖深度越来越深。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，卸荷对邻近地铁隧道以及其他市政设施的影响也要复杂得多。坑外地铁隧道的变形主要是由深大基坑坑底隆起和基坑挡墙变形所引起，并与基坑卸荷量的大小和卸荷时间的长短有关。因此，可将大面积卸荷区域划分为若干个独立的卸荷区域，分阶段、分时段进行开挖卸荷。先开挖离地铁远的基坑部分，通过及时回筑压载，控制和稳定坑底隆起对地铁的沉降变形影响后，再开挖紧邻地铁隧道的基坑部分，并采取措施严格控制基坑开挖引起的围护结构侧向变形。这样可以较好地减小深大基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响，达到基坑变形控制和地铁隧道保护的目的。２“大上海会德丰广场＂基坑工程概况“大上海会德丰广场”位于上海市静安区南京西路１７１７号批租地块。基坑东临华山路，南临延安西路高架，西侧为上海市少年宫，北侧平行于南京西路和上海轨道交通２号线区间隧道。本工程的基坑在东西方向长约９３ｍ，南北方向长约１１０ｍ；基坑占地面积约为９８００ｍ２，平均开挖深度超过２０ｍ。基坑总平面图及基坑同２号线地铁隧道的相对关系见图２、图３。ｍ；：＼ｊ＼巷＼岳臻。图２基坑总平面图本工程的基坑同护结构与地铁隧道上行线的净万　方数据间距为５．４ｍ；隧道上、下行线的中心距为１７ｍ左右，隧道顶部埋深为８．５ｍ；基坑邻地铁侧开挖深度已超过地铁隧道底部２ｍ。因此，该工程既要保证基坑本身的安全与稳定，更要保护地铁隧道的运营安全。紧邻基坑北侧的２号线地铁区间运营隧道，是本工程基坑施工中最重要的保护对象。为此，在基坑开挖前对基坑开挖的设计、施工方案必须进行充分而全面的分析，预估基坑开挖对坑外地铁隧道的影响，并采取针对性措施控制隧道的变形。舀’崩护捎墙／图３基坑与地铁隧道的相对关系剖面图基坑主要地层的物理力学性质见表１。表１基坑主要地层的物理力学性质表地层天然密度／黏聚力／摩擦角／压缩模量／序号（ｋ．Ｎ／ｍ３）ｋＰａ（。）ＭＰａ仃５他∞五∞倡３钆甜他４仔加巧ｍ∞协９¨ｍ＆戬钉仃５＂Ｊ¨舶ｂ仃９加与侣ｍ仃９幻Ｊ竹瑚伸９孔ｊ筋瑚７卯巧册侈加１扒扒ｊ∞筋瑚３三维有限元预估分析常规的基坑设计计算方法一般采用规范推荐的平面竖向弹性地基梁法。该方法可以模拟实际施工工况并计算围护结构和支撑体系的内力和变形；但当环境保护成为设计中主要的控制因素时，该方法较难考虑基坑周围的重要建（构）筑物的本身特征，不能直接分析周围环境的影响程度。因此，针对地铁保护要求，本文采用Ｚ－Ｓｏｉｌ三维岩土有限元软件，就“大上海会德丰广场”基坑开挖对地铁隧道的·５３。ｌ蕊Ｑ啦市轫道交通鹨！黼港漆．骶渊糕溅惑鞣涮糕鞴｛溅糕惑潮糕港瀑惑渤。筑壤葵影响进行预估分析。３．Ｉ基坑不分区整体开挖三维有限元分析考虑基坑开挖对周围土体及隧道的影响范围，三维计算模型的尺寸选取２６０ｍ×２４０ｍ×７２ｍ。先对基坑不分区整体开挖进行预估分析。围护结构采用４０ｍ深的地下连续墙和四道钢筋混凝土水平支撑。地下连续墙、地铁隧道采用Ｓｈｅｌｌ单元模拟，支撑、立柱采用Ｂｅａｍ单元模拟，土体采用Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ３Ｄ单元模拟。土体材料模型采用了Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ模型。Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ模型解决了Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ模型在进行塑性分析时因角隅处塑性流动方向不惟一引起收敛困难的问题，能够比较好地模拟土体材料特陛。部分计算参数由以往同类工程实测数据反分析获得。通过先挖土后支撑的分层开挖模拟，可以得出基坑在不分区开挖施工的情况下，地铁隧道的影响情况。图４和图５为三维计算模型图，图６为基坑不分区整体开挖完成后隧道和地下连续墙的变形计算结果。图４模型网格图图５支护结构和地铁隧道模型图通过三维分析预估，在不分区整体开挖的情况ｍｍ，最大水平位移为２８．７０·５４·万　方数据图６不分区整体开挖完成后隧道和地下连续墙总位移云图３．２基坑分区开挖的三维有限元分析分区开挖分析时，针对基坑卸荷变形的特点以ｍ处设置一道临时分隔墙，将整个大基和不分区整体开挖相同的４０ｍ深的地下连续墙和四道钢筋混凝土水平支撑；北坑（小基坑）围护结构ｍ深的地下连续墙，一道水平钢筋混泥土支撑和四道水平钢支撑。先开挖离地铁隧道较远的南坑，待南坑地下结构施工到标高为±０．０００后，通过先挖土后支撑的分层开挖模拟，得出基坑“。１“６一…”…～”“～～一图７南坑支护结构和地铁隧道模型图经分区开挖模拟分析，地铁隧道竖向位移最大ｍｍ，水平位移最大值为９．５２ｍｌＴｌ，基本及坑周地铁隧道所处区域为关键变形控制区域，结合塔楼深坑的位置，在距基坑北侧地下连续墙以南７．５～１２．５坑分为南北两个基坑。南坑（大基坑）围护结构采用则采用４０通过南坑回筑压载控制，稳定了大基坑开挖隆起对地铁隧道的沉降变形影响后，再开挖紧邻地铁隧道的北坑，并采用土体加固、施加支撑预加应力等措施严格控制北坑近地铁侧嗣护结构的侧向变形。在分区开挖施工的情况下，地铁隧道的影响情况。图７和图８为基坑分区开挖的；维计算模型图。图９为基坑分区开挖完成后隧道和地下连续墙的变形计算结果。：：曼要蠢篓竺冀兰大，萎墓竺孽耋兰竺釜璧璧巷翌地下连续墙变形较大。隧道因基坑卸荷影响产生的最大竖向位移为１６．２６ｍｍ，不能满足地铁隧道运营安全的保护要求。值为１１．０３葵；壤鬣期；｛｝溪婆｛蓬｛葵葵葵葵葵蕊蓬｝葵§溪羹鋈搂饕饕｛饕｛｛羚｛饕≥淤葵ｌｌ蒸羹｛饕｛葵葵ｌ：ｌ葵｛萋｛：葵饕｝≥葵｛葵襄｛｛蛳稳溶ｌ｛饕满足了地铁隧道运营安全的保护要求。图８北坑支护结构和地铁隧道模型图图９分区开挖完成后隧道和地下连续墙总位移云图３．３计算结果对比图１０和图１１为基坑不分区整体开挖和基坑分区开挖的地铁隧道变形计算结果对比。隧道纵向长度／ｍｇＯ２０４０６０８０１００１２０１４０１６０１８０２００２２０２４０２６０ｇ、桧一５趟宦一１０斟一１５捌型－２０—一分区开挖隧道竖向位移图１０上行线隧道竖向位移计算结果对比分析喜３３０５一不分区开挖隧道竖向位移淤２５坦２０睁１５长１０捌５型０２０４０６０８０ＩＯＯ１２０１４０１６０１８０２００２２０２４０２６０隧道纵向长度／ｍ图１１上行线隧道水平位移计算结果对比分析４控制地铁隧道变形的施工措施通过基坑不分区整体开挖和分区开挖的三维有万　方数据限元模拟预估分析可知，由于基坑开挖面积大，地铁隧道距离基坑近，使得基坑不分区整体开挖对上行线隧道产生较大的影响。如果不采取分区开挖的施工措施，很难满足地铁隧道的保护要求。对于紧邻地铁隧道的深大基坑，采用分区开挖的施工措施能较好地控制基坑卸荷引起的地铁隧道变形。４．１分区开挖的基坑围护方案南坑围护墙采用１０００ｍｍ厚的地下连续墙，远离塔楼部分的墙深为３６ｒｎ（基坑的开挖深度为１７．４２ｍ），距塔楼较近处的墙深为４１ｍ（基坑的开挖深度为２０．２２ｍ）；围护墙的水平支撑采用十字对撑加角撑形式，竖向设４道钢筋混泥土水平支撑。北坑北侧围护墙采用１０００ｍｍ厚、３９．５ｍ深的地下连续墙，北坑第１道水平支撑采用钢筋混凝土对撑，第２～５道水平支撑为乒６０９ｍｍ钢管对撑，并在坑底垫层内加设Ｈ型钢支撑，预加３００ｋＮ轴力。待北坑地下结构施工到标高为±０．０００后，再拆除南北坑间的中间地下连续墙。拆除工艺采用跳仓拆除，并跳仓施工结构楼板。故在中间地下连续墙的拆除过程中，不会对北坑地下结构和地铁隧道位移产生影响。为确保地铁隧道万无一失，充分利用“时空效应”原理，设计了能快速开挖、及时支撑、及时调节支撑轴力的支撑系统。对北坑第２～５道水平钢支撑分别施加１４００ｋＮ、１７００ｋＮ、２２００ｋＮ和２０００ｋＮ的预应力。本工程的基坑围护结构见图１２和图１３。图１２基坑围护结构平面图南坑：沿基坑周边６ｍ范围进行高压旋喷桩加固，加固深度为基坑底至坑底以下４ｍ。·５５４．２坑内地基加固措施｛葵Ｑ堪市轫厘交通翼｜港饕溅；｛：港黥骶淤黼燃惑《憋麟惑葵港淤霉港联然骶靼慨辏葵北坑南坑ｇｉ｝黼ｉ；燃；｝混凝土支撑ｏ耋．ｎ。扩；ｌ；；黼昶混凝土支撑一；≤；ｌ混凝上支撑地铁隧道ｌ；下行线地铁隧道上行线ｌ｛１：；土体加固／／看；、；ｄ５鋈附－中间地下、连续墙；；Ｉｌｇｏ地下】寸“ｊ玺续墙图１３近地铁侧基坑围护结构剖面图北坑：北坑坑内从第一道水平支撑处至坑底以下５ｍ采用三轴水泥土搅拌桩满堂加同。为了减少邻近地铁侧地下连续墙施工时槽壁坍塌和基坑开挖时渗漏水对地铁的影响和危害，邻近地铁侧施工地下连续墙前，在拟施工地下连续墙内外两侧各先施工一排庐８５０ｍｍ的三轴水泥土搅拌桩加固，深度为３３ｍ。４．３分块对称开挖措施针对上海地区软土的流变特性，基坑土方开挖应用“时空效应”理论，严格实行“分层、分段、分块、留土护壁、限时对称平衡开挖支撑”的原则，开挖过程中随挖随撑（或浇捣垫层）。土方开挖严格控制挖土量，严禁超挖。在开挖过程中，对已安装好的水平支撑应随时进行检查。一旦发现支撑松弛现象，应及时复加轴力。基坑开挖分块情况见图１４。图１４基坑开挖分块图５工程实测５．１实测隧道变形·５６·万　方数据通过分区卸荷的变形控制措施和施工中实施信息化施工的监测监控，对本基坑工程实行了动态设计管理。在整个工程施工过程中，隧道的沉降控制在１７．３７ｍｍ以内、水平位移控制在６．５ｍｍ以内，保证了地铁隧道的正常运营。图１５和图１６为实测的随基坑施工而产生的地铁隧道变形情况。、目数嫣捌毽图１５施工期间实测的隧道最大沉降情况量。７彗；囊；／＼．型ｊ南坑开挖至地下结构施工到±ｏ．ｏｏｏ至北坑开挖完成图１６施工期间实测的隧道最大水平位移情况５．２实测结果与计算结果比较由于分区开挖，并且北坑坑内土体采用满堂加固，在南坑开挖完成后，北坑近地铁侧围护墙变形较小。虽然北坑完成卸载后，其近地铁侧围护墙变形增加了，但由于北坑卸荷量小，并且有五道水平支撑，所以北坑开挖完成后，其近地铁侧围护墙变形发展较少。这表明实测与模拟的结果比较符合。图１７为实测的北坑近地铁侧周护墙侧向变形与三维计算结果的对比分析。随着北坑开挖引起的近地铁侧围护墙水平位移的增加，隧道也随之产生水平位移和竖向位移。但北坑开挖引起的周围土体移动以及围护墙变形总量都较小，并且由于南坑的及时回筑压载控制，稳定了深大基坑开挖隆起对隧道的沉降变形，所以隧道变形得到较好的控制。在基坑开挖过程中，地铁隧道变形量均满足变形控制要求，说明本文所述的分区开挖变形控制措施是有效的。图１８和图１９为实测隧道变形与三维计算结果对比分析。臻藏鬟鼷瀵捺羹｜港溪鞭｝溪｜粪￥蓬§藤葵ｌ藤溪葵蓬溪瀵鞭｛§港蒸惑葵溱莲葵惑葵惑溪惑溪港ｌ；§棼：薅港臻；｛葵平变形比较小，但大基坑（北坑）卸荷容易引起较大的隧道沉降变形。因此，在进行大面积卸荷施工时，仅从控制围护墙水平位移去控制坑外地层沉降是不够的，需要对深大基坑卸荷引起的土体应力场和位移场进行全面预估分析，从而采用相应措施控制基坑坑内隆起和围护结构侧向变形引起的坑外土层深度／ｍ（ａ）南坑开挖完成变形。６结语在地铁安全保护区内进行工程建设，必须考虑工程施工对地铁线路的影响。本文通过三维有限元方法对紧邻地铁隧道的深大基坑变形及其不同开挖方法进行分析，并结合工程实测数据分析可得出以深度／ｍ（ｂ）北坑开挖完成下结论：１）对于紧邻地铁隧道的深大基坑，可采用中间地下连续墙，将深大基坑分成大、小两个基坑，采取分区开挖措施：先开挖离地铁远的大基坑，通过大基坑回筑压载控制，稳定了大基坑开挖隆起对地铁的图１７近地铁侧围护墙实测侧向变形和模拟结果对比分析Ｏ沉降变形后，再开挖紧邻地铁隧道的小基坑；并结合土体加固、及时施加预加应力和分块对称开挖等施工措施，可以较好地减少深大基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响，达到基坑变形控制和地铁隧道保护的目的。２）三维有限元计算方法有助于较全面地预测分析软土地区深基坑开挖施工对周边环境的影响。量一５篷－１０培鍪－１５＿２０图１８实测隧道沉降与模拟结果对比分析根据预测结果，采取相应措施来控制变形，以满足环境保护要求。在今后应用实践中，在对大量实测数据反分析的基础上，选取合适的计算参数，再经工程实测检验、完善，可不断提高预测计算的正确性。这可以为设计和信息化施工提供很好的指导作用。ｌ１０蠢：塞：趁０结构旌工到±Ｏ．０００参考文献［１］张庆贺，朱合华，庄荣．地铁与轻轨［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００６．图１９实测隧道水平位移与模拟结果对比分析［２］［３］贾坚，谢小林．上海软土地区深大基坑的卸荷变形及控制ＦＪ］．岩土工程学报，２００８，３０（增刊）：３７６．从模拟和实测的结果可以看出，隧道沉降主要发生在南坑开挖过程中，而北坑开挖过程中隧道沉降发展较少。这说明，尽管近地铁隧道围护结构水戴博红．深基坑施工对邻近地铁隧道的影响预测［Ｊ］．城市轨道交通研究，２００８（８）：６２．（收稿日期：２００９—０２—２４）·５７·万方数据　深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施

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汪小兵， 贾坚， Wang Xiaobing， Jia Jian同济大学地下建筑与工程系,200092,上海城市轨道交通研究URBAN MASS TRANSIT2009,12(5)2次

1.戴博红 深基坑施工对邻近地铁隧道的影响预测[期刊论文]-城市轨道交通研究 2008(08)2.贾坚;谢小林 上海软土地区深大基坑的卸荷变形及控制 2008(zk)3.张庆贺;朱合华;庄荣 地铁与轻轨 2006

1.林彬.卻婧 隧道与上部建筑物相互作用及稳定性分析[期刊论文]-山西建筑 2010(19)

2.刘占民 基坑突发事故的应急处理对邻近地铁隧道的影响[期刊论文]-城市轨道交通研究 2010(11)

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