基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析.pdf

工程实践基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析苏凤阳，许磊，葛金明，韩亚飞，朱林辉，董毓庆4（1.杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州3 10 0 17；2.杭州地铁运营有限公司，浙江杭州3 10 0 17；3.上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海2 0 0 0 6 3；4.杭州岩通科技有限责任公司，浙江杭州3 10 0 0 5）摘要：基坑开挖引起的土体变形过大会导致周边已运营隧道出现裂缝、错台和渗漏水等病害，严重危害隧道的长期服役性能与运营安全。为研究基坑分块开挖对邻近运营地铁隧道变形的影响，以杭州某邻近已运营地铁隧道的基坑工程为背景，对施工过程中的基坑变形及隧道变形进行实测分析，结果表明：后开挖的分坑需加强第2 道支撑的刚度；隧道自身的结构刚度在一定程度上能够减少基坑开挖引起的土体变形；基坑开挖对道床水平和竖向位移的影响效果相同，位移变化在3 mm范围内，且随开挖的进行增大；基坑开挖前围护结构的施工对管片收敛变形影响较大。关键词：地铁；实测分析；分区开挖；基坑变形；隧道变形中图分类号：U231.3；U 4561研究背景基坑工程施工导致隧道周围土体的应力状态发生改变，邻近盾构隧道道床产生沉降，同时管片的横、纵截面都会产生收敛变形。为保证基坑开挖过程邻近运营隧道的安全，需研究基坑开挖对邻近运营地铁隧道变形影响程度。毕书琦等以南宁某基坑工程为背景，通过实测分析研究基坑开挖施工对下卧隧道的影响，得出基坑分区开挖不能减小管片的净空收敛的结论。吕秋玲 2 等通过数值模拟研究基坑开挖对邻近地铁轨道的变形影响，验第一作者：苏凤阳，男，高级工程师；通信作者：董毓庆，男，工程师证抗拔桩可以有效减少轨道侧移，在进行基坑开挖时，轨道水平向有较大影响而竖向无影响，在开挖过程中，轨道侧移最大的位置并不是出现在离基坑最近的位置。张治国等3 对上海某基坑工程的监测数据进行分析，研究周边地表在基坑不同开挖阶段的变化情况，得出周边地表总体呈下沉趋势，大致呈抛物线形分布的规律。赵志孟等4运用MIDAS/GTS有限元软件模拟基坑开挖的支护方案，研究基坑开挖对隧道位移及应力的影响，使用“地连墙+三道内环撑”进行基坑支护可以有效控制变形。魏纲收集14个国内基坑工程实例的实测数据，通过统计类比分析得出盾构隧道的最大竖向位移均为隆起，并提出隧道最大隆起值的经验预测公式，通过基坑开挖对下方某地铁线路盾构隧道变形的实测数据分析，验证公式的准确性。刘庭金 对某区间隧道变形监测数据进行分析，研究建筑群基坑施工对隧道区间的变形影响，解析诱发道床开裂和水沟翻浆冒泥病害的原因。丁智等通过对邻近已运营地铁隧道的基坑工程监测数据进行分析，得出基坑开挖全阶段施工过程的深层土体侧向位移与邻近地铁隧道变形之间的规律，研究基坑开挖的施工危险节点与重点影响区域，对其加强监测并设置保护措施。陈仁朋18 等对下卧盾构隧道的基坑进行数值分析，发现隧道的上浮变形与卸载率近似呈线性关系。刘天正9分析了U形槽基坑开挖对隧道的影响，发现开挖卸荷导致隧道受水平压缩、竖向拉伸的力，收敛为“竖椭圆”形状。李长安I0通过数值软件发现基坑开挖会导致隧道结构的水平位移和弯矩增大，轴力减小。现代城市轨道交通912 0 2 3 MODERNURBANTRANST57工程实践基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析目前，学者对于基坑开挖对隧道产生影响的研究已有一定的成果，但是对于基坑分块开挖对邻近运营隧道影响的研究还相对较少。本文以杭州某邻近已运营地铁隧道的基坑为背景，对基坑分块开挖过程的实测数据进行分析，探究基坑分块开挖对周围环境及地铁隧道影响，为今后类似工程提供设计思路与施工指导建议。2工程概况2.1工程简介该工程由5个地块组成，其中2 地块位于隧道区间以及整个车站的东侧。基坑面积约2 0 2 10 m，周长约7 6 1m，场地标高5.3 0 m，开挖深度10.410.9m，开挖过程分8 个坑进行开挖。基坑采用围护墙+止水幕的复合围护结构，设置2 道混凝土支撑，支撑间距约10.0 m。坑内外无降水，坑内坑外采用排水沟、集水井明排。隧道顶部埋深约9.9 10.6 m，与基坑开挖深度相近，2 地块与地铁隧道的最近距离为13.1m，基坑及隧道的位置关系如图1所示，图1中深绿色为7 0 0 mm厚的水泥加固土地下连续墙，桔黄色为800mm厚的地下连续墙，浅绿色为直径8 50 mm的三轴搅拌桩。表1土层信息序号重度黏聚力内摩擦角土层名称/kNm31-1杂填土2粉质黏土夹黏质粉土4-1淤泥质黏土4-2淤泥质粉质黏土夹粉土4-3淤泥质粉质黏土夹粉土5-1粉质黏土5-2粉质黏土夹黏土3监测项目及测点布置基坑的监测内容主要为深层土体水平位移及地表沉降。隧道监测主要工作内容包括：隧道结构道床水平位移、隧道结构道床竖向位移、管片收敛、道床差异沉降。监测点具体布置情况如图2 所示，其中DBC2-X为各地表沉降监测点，CX2-18、C X 2-19及CX2-20为各分坑深层土体监测点，其余编号为隧道监测断面，每5环一个断面，各分坑的开挖顺序为B1C2B2。/kPa18.0010.0018.5022.3016.9010.1017.8011.8017.3014.8018.8039.3018.3022.90/。12.0017.809.5013.2012.5018.4016.6090166CX2-18/DBC2-18DBC2-20CX2-20CX2-19/DBC2-19DBC2-40DBC2-3613.15号线5号线S100DBC2-35DBC2-39图2 监测点布置图4土体变形分析4.1深层土体水平位移分析图1基坑与地铁隧道的位置关系（单位：m）由于CX2-19监测数据缺失，故只分析B1、B2 分2.2水文地质条件坑开挖过程中深层土体水平位移，如图3 所示，其中纵基坑开挖深度范围内主要分布3 层地下水，上层地坐标为深度，横坐标为水平位移，正值为土体向坑内移下水性质属孔隙潜水，下层地下水性质属承压水和基岩动，负值为土体向坑外移动。从整体上看，基坑开挖过裂隙水，地下水位深度为1.53.0 m。土层信息如表1程中地下连续墙外侧土体深层水平变形曲线表现为向基所示，基坑坑底位于4-2 淤泥质粉质黏土夹粉土层，围坑内侧移动，各测点的最大水平位移均出现在基坑底面护桩桩底位于5-1粉质黏土、5-2 粉质黏土夹黏土层。上3.9m至底面下2.1m区间内。58MODERNURBANTRANSIT912023现代城市轨道交通基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析工程实践而B1基坑土体的最大水平位移出现在坑底且第2 道支水平位移/mm25第1道支撑第2 道支撑坑底开挖至1.2 m开挖至6.9 m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑a CX2-20水平位移/mm20151第1道支撑第2 道支撑坑底一开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑图3 深层土体水平位移曲线图结合不同工况下地下连续墙外侧深层土体水平位移的变化趋势可知，开挖阶段曲线为中间大两端小的“鼓肚型”，随着开挖深度的增加，基坑外侧土体向坑内移动愈加明显，深层土体的水平位移变化不断增大。在底板浇筑及拆撑阶段，深层土体的水平位移变化很大，这是因为围护结构较长时间无支撑，约束土体变形的效果削弱，导致围护结构产生较大的水平向位移，引起地层进一步侧向移动。该阶段CX2-18的曲线仍为“鼓肚型”而CX2-20曲线呈一大一小的“双峰型”，这是由于施工顺序引起的。B2基坑开挖致6.9m时，B1基坑已经浇筑完底板、C2基坑在开挖第3 层土体，整个基坑已开挖面积相对较大且相互连通导致支撑对土体变形的约束效果削弱，而B1基坑的底板限制坑底土体的位移，所以，B2基坑土体的最大水平位移出现在第2 道支撑处，20151010b CX2-185500-5-50-3-6-9-12-15/-18-21-24-270-2-4-6-8-10/-12-14-16-18-20-22-24撑处位移相对较少。因此，实际工程中基坑开挖应尽量合理采用分层、分块开挖。4.2基坑外侧地表沉降分析图4为基坑外侧地表沉降变化曲线，横坐标为施工阶段，纵坐标为地表沉降值，正值表示隆起，负值表示0-2-4-6-8-10-12开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑施工阶段aB1分坑0-1-2-3-4开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m施工阶段bC2分坑-5-10-15-20-25开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m施工阶段cB2分坑图4基坑外侧地表沉降曲线图DBC2-36一DBC2-35一DBC2-22DBC2-21DBC2-20DBC2-40DBC2-39一DBC2-24一DBC2-23DBC2-18底板浇筑拆除第1道支撑底板浇筑拆除第1道支撑现代城市轨道交通9/2023MODERNURBANTRANSIT59工程实践基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析沉降。由图4可知，基坑开挖初始阶段的深度较小，坑外土体向坑内移动并不剧烈，坑外地表沉降都较小，随着开挖深度的增加，坑外地表沉降逐渐增大。这是由于开挖深度增大引起坑外土体的主动土压力增大，土体向坑内移动剧烈，导致坑外土体发生较大的沉降变形，而拆撑时地表沉降的增大是由无支撑状态时围护结构约束效应减小引起的。对比测点DBC2-20、D BC 2-2 1、DBC2-22可以发现，靠近隧道一侧的地表变形相对较小，笔者认为这是由于隧道自身的结构刚度在一定程度上能够减少土体变形。5隧道变形分析5.1隧道道床沉降分析图5为基坑开挖时隧道道床的沉降曲线图，横坐标2.01.51.00.50.00.5-1.0-1.5-2.0-2.52.01.51.0/0.50.0-0.5-1.060MODERNURBANTRANSIT9/2023现代城市轨道交通为隧道环号，纵坐标为道床沉降值，正值表示隆起，负值表示沉降。由图5可知，上、下行线的道床沉降相差不大，在-2.1 2 mm间波动。基坑开挖至1.2 m时隧道道床没有产生较大变形，随着开挖的进行，道床产生明显隆起，这说明隧道顶部与基坑底部之间的土层越薄，基坑卸荷引起的扰动传递越明显，道床的隆起变形越大。对比2 条隧道的道床沉降可以发现，下行线离基坑较近，道床变形以隆起为主，且开挖过程中隆起变形相对较大；上行线道床变形在基坑范围内以隆起为主，但基坑范围外的道床变形以沉降为主，且底板浇筑及拆撑阶段变形相对较大。5.2隧道道床差异沉降分析图6 为基坑开挖时隧道道床差异沉降随各工况变化曲线图，纵坐标为道床差异沉降值。由图6 可知，道床1.25开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑基坑18016014012010080604020环号a上行线180 16014012010080604020环号b下行线图5隧道道床沉降曲线图开挖1.2 m开挖至6.9m1.00开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑/0.750.500.250.0002.25开挖至1.2 m2.00开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑018016014012010080604020环号a上行线1.751.501.251.000.750.500.250.00-0.250开挖至1.2 m开挖至6.9 m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑180 160 14012010080604020环号b下行线图6隧道道床差异沉降曲线图0基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析工程实践差异沉降主要发生在7 0 13 0 环，随着开挖深度的增加差异沉降更为明显，同时拆撑阶段差异沉降变化也很大。对比上、下行线的差异沉降曲线可以发现，基坑范围内下行线的差异沉降值更大，这说明距离基坑越近，隧道道床受到的变形影响越剧烈。5.3除隧道道床水平位移分析图7 为基坑开挖时各工况下隧道道床水平位移曲线图，纵坐标为道床水平位移值，正值代表隧道向坑外移动，负值代表隧道向坑内移动。由图7 可知，随着开挖的进行，隧道道床向坑内移动。基坑开挖卸荷改变土体原有的应力平衡状态，随着开挖的进行，卸载量增大，基坑围护结构及周围土层发生向基坑内的移动，引发邻近隧道的水平变形，且隧道侧向土压力逐渐减小，造成隧道道床的水平位移持续增长。对比上、下行线的道床水平位移，开挖阶段，2 条隧道的道床水平位移值相差不大，而底板浇筑及拆撑阶段，下行线的道床水平位移明显较大，由此可知底板浇筑及拆撑时，距离基坑越近，受到的影响越大。5.4隧道管片收敛分析图8 为隧道管片收敛随工况的变化曲线，纵坐标为管片收敛值，正值代表隧道横向直径变大，负值代表隧道横向直径变小。由图8 可知，未开挖前，上、下行线隧道管片均已产生较大的水平收敛变形，说明施工前的各种施工措施产生的扰动会造成隧道发生变形。随着基坑开挖工作的进行，隧道上、下行线的隧道横向直径增加，但整体来看管片收敛主要发生在开挖前。2.01.51.00.50.00.5-1.0-1.5-2.0-2.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.01.5开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑18016014012010080604020环号a上行线开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑18016014012010080604020环号b下行线图7隧道道床水平位移曲线图1.00.50.0-0.5-1.002.01.51.00.50.0-0.5-1.00未开挖开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑18016014012010080604020环号a上行线未开挖开挖至1.2 m开挖至6.9m开挖至10.9m底板浇筑拆除第1道支撑18016014012010080604020环号b下行线图8隧道管片收敛曲线图00现代城市轨道交通912023MODERNURBANTRANSIT61工程实践基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析adjacent subwaytunnel8陈仁朋，叶跃鸿，王诚杰，等.大型地下通道开挖6结论对下卧地铁隧道上浮影响 J.浙江大学学报（工学本文以杭州某邻近已运营地铁隧道的基坑工程为背版),2 0 17，51（7)：12 6 9-12 7 7.景，通过现场监测，对周围土体及地铁隧道变形进行实9刘天正，砂卵石地层基坑开挖对下卧运营盾构隧道测分析，主要结论如下。结构变形研究 J.铁道标准设计，2 0 19，6 3（9）：（1）土体及地表变形主要发生在基坑开挖及拆撑阶84-90.段，因此，基坑开挖应尽量合理采用分层、分块开挖，10李长安.基坑开挖对邻近地铁盾构隧道变形以及内避免围护结构较长时间无支撑。后开挖的分坑需加强第力的影响研究 .粉煤灰综合利用，2 0 2 0，3 4（4)：2道支撑的刚度。30-34.（2）隧道自身的结构刚度在一定程度上能够减少基坑开挖引起的土体变形。（3）基坑范围内道床变形以隆起为主，但基坑范围外的道床变形会随基坑与隧道距离的增大由隆起变为沉降，且距离基坑越近，隧道道床受到的影响越剧烈。（4）基坑开挖前围护结构的施工对管片收敛变形影响很大，需重视开挖前隧道的收敛变形。开挖过程中，对道床水平和竖向位移的影响效果相同，应同时重视道床水平和竖向变形。参考文献1毕书琦，甘彬霖，梁亚华，等.基坑开挖对既有近距离下卧隧道影响实测分析 J.科学技术与工程，2022,22(3):1198-1204.2吕秋玲，吴江龙.基坑开挖对邻近地铁隧道轨道变形影响分析 .兰州工业学院学报，2 0 2 0，2 7（6)：17-21.3张治国，白乔木，姜蕴娟，等.邻近隧道及周围地层受深基坑开挖影响的现场监测研究 J.现代隧道技术，2 0 17，54（2)：17 7-18 4.4赵志孟，郑伟锋，刘慧芬.基坑开挖对临近隧道的变形影响分析 J.广东土木与建筑，2 0 2 1，2 7（5)：71-74.5魏纲基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析 .岩土力学，2 0 13，3 4（5)：142 1-142 8.6刘庭金.基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究J.岩石力学与工程学报，2 0 0 8，2 7（S2）：3 3 93-3400.7丁智，张，金杰克，等.基坑全过程开挖及邻近地铁隧道变形实测分析 1.岩土力学，2 0 19，40（S1)：415-423.62MODERNURBANTRANSIT912023现代城市轨道交通收稿日期2 0 2 3-0 5-0 4责任编辑冒一平Field measurement analysis of the influence of blockexcavation of foundation pit on deformation ofSu Fengyang,Xu Lei,Ge Jingming,et al.Abstract:The soil deformation caused by the excavationof foundation pit will lead to cracks,dislocation andleakage of water and other diseases in the surroundingoperating tunnels,which will seriously endanger the long-term service performance and operation safety of thetunnel.In order to study the influence of block excavationof foundation pit on the deformation of adjacent operatingsubway tunnels,this paper takes the foundation pit projectof a nearby operating subway tunnel in Hangzhou as thebackground,and analyzes the deformation of foundationpit and tunnel during the construction process.The resultsshow that:The post-excavation pit needs to strengthen thestiffiness of the second support;The structural rigidity ofthe tunnel itself can reduce the soil deformation causedby foundation pit excavation to a certain extent;Theeffect of foundation pit excavation on the horizontaland vertical displacement of ballast bed is the same,thedisplacement changes within 3 mm,and it increaseswith the excavation;The construction of the enclosurestructure before the excavation of the foundation pit hasa great influence on the convergence and deformation ofthe segments.Keywords:subway,measured analysis,partitionexcavation,deformation of foundation pit,tunneldeformation