[摘要] 当代城市建设进度的不断深入使地铁系统成为公共交通必不可少的一部分，但随着地铁隧道系统逐渐交错复杂，其与周边施工的矛盾日益凸显。本文针对杭州某深基坑开挖工程，深入分析周边隧道位移实测数据变化规律，同时建立考虑基坑和隧道共同作用的三维有限元数值模型，验证有限元模型的有效性。分析深基坑施工对邻近运行地铁隧道变形的影响规律，模拟不同工况下隧道的变形程度，并据此改善施工组织方法。 1 绪论 近几十年来，中国经济快速发展，随着城市化进程的不断加深，人们对用地的需求也越来越紧迫。在土地资源为不可再生的残酷现状下，向高空和地下发展便成了目前最合理的选择，如地下商场、地下停车场以及作为公共交通设置的地铁等各种地下民用和工业设施。
频繁的深基坑开挖工程也带来了诸如相邻建筑物开裂、管道破裂等严重问题，这些问题的根本在于基坑开挖破坏了土体原有的应力平衡状态，周围地层随之产生扰动，产生了水平位移和竖向沉降，从而对周边产生影响。盾构法因其环境相对安全等优点在地下工程尤其是城市地铁隧道建设中广为应用[2]。但同时地铁盾构隧道公共设施的特质以及其安全等级使隧道对变形的控制非常严格，例如杭州地区根据《城市轨道交通轨道结构安全保护技术规范》GJJ/T202-2013要求及杭州地铁集团相关规定某工程地铁隧道垂直位移累计值≤4mm；水平位移累计值≤4mm；水平收敛累计值≤4mm。因此，深基坑开挖对相邻地铁隧道的影响一直是现阶段研究的重点[3-4]尤其是针对杭州西湖周边软黏土地块在相当严格控制标准下的变形控制研究更有其必要性。不少学者在理论研究[5-6]、离心实验[7]、实测数据分析[8-9]、数值模拟[10-13]等方面进行了大量的研究并改进施工组织方法[14]。在理论研究方面，周泽林[15]基于开挖卸荷下隧道与周围土体的相互作用的整体耦合方法推导了砂质土体条件下基坑开挖引起的下卧隧道竖向变形弹性解，并推导了粘质土体条件下开挖引起的隧道变形粘-弹性解。伍尚勇等[16]利用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值分析模型分别对深基坑进行逆作法和顺作法的全过程动态模拟，研究不同施工工艺对围护结构的变形和紧邻地铁结构的影响。赵笑男[17]利用ANAYS有限元软件建立基坑开挖模型，定量分析基坑及隧道各位置的位移量，研究了地铁隧道不同埋深、周围土质等影响因素对隧道位移的影响规律，并得出隧道变形随地铁埋深的增大而逐渐变小等结论。葛兆源等[18]在作业于地铁隧道正上方的上海广场项目中，采用“先浅后深”开挖施工顺序以及基坑加固等方式控制隧道位移。陈仁朋等[19]提出采用分步开挖、隔断墙以及地基加固等变形控制措施，并以数值模拟分析验证技术措施的合理性。
基于以上，本文根据杭政储出15号地块项目西湖电影院的深基坑开挖工程，深入分析实测邻近地铁一号线隧道位移数据，同时利用数值模拟研究深基坑开挖对邻近地铁隧道位移的影响规律。
2 工程概况
2.1 基坑周边环境 杭政储出（2015）15号地块项目位于浙江省杭州市上城区，平海路南侧，延安路与东坡路之间。项目地上4层高度18m，局部21m，钢框架结构，地下3层，框架结构。
本基坑东侧紧邻延安路，道路下设置大量市政管线。该侧与湖滨二期项目延安路一层地下过街通道已建成附近范围已作三轴水泥搅拌桩加固处理。东侧延安路下布有地铁1号线盾构隧道，围护体系与盾构片外边界最小距离约7.65m，盾构隧道埋深约12m。隧道外直径约6.2m，顶标高约为地表下9.2m，与基坑水平距离最近为7.6m，隧道主体部分位于4-1淤泥、4-2淤泥质粉质黏土以及5粉质粘土中，这些土层压缩性高，对变形敏感。项目与地铁剖面关系图如图1所示。 图1 项目与地铁剖面关系图 图2 项目与东侧地铁及人行通道平面关系图
2.2 基坑开挖布置 本工程地下室开挖深度约15.4m，基坑开挖面积约为3400平方米，围护结构采用800mm厚“二墙合一”的地下连续墙，在基坑内8轴及E轴侧设置800厚纵横地连墙，将基坑分为三部分。
项目采用逆作法施工，现阶段基坑围护体系已全部施工完毕，工程桩已全部施工完毕，上部主体结构已结顶，项目主要施工内容为暗挖土方、结构板施工及养护、坑内地连墙隔墙的凿除等。临时隔墙将基坑划分为一期、二期进行分块开挖，首先开挖一、二期负一层，随后进行远离隧道的二期开挖再进行一期开挖。施工过程建立地下一二三层楼板作为支撑，地连墙与临时隔墙均采用C35混凝土，地铁隧道盾构片采用C50混凝土。
2.3 工程地质条件 基坑地层分布根据外业勘探和室内土工试验成果、结合场地土层因类型，在地表向下52米勘探深度范围内岩土层可分为9个工程地质层，细分为14个工程地质亚层，现将各地基岩土层特征自上而下分述如下： 表2.1 地基土物理力学指标
3 监测数据分析
3.1 监测概况 地铁盾构隧道内自动化监测项目包括：盾构隧道道床沉降，盾构隧道水平位 移，盾构隧道竖向位移，盾构隧道水平收敛和盾构隧道轨间高差。整个系统是采用无人值守的自动化变形监测系统，测量机器人徕卡 TM30测角精度 0.5″，测距精度±（0.6mm+1ppm·D）。
监测隧道布点沿隧道长度由北向南每12m共划分22个点，其中7-17节点由于正对基坑，其节点间距设为6m。具体情况如监测布点图所示： 图3 监测布点图
3.2 数据分析 将隧道水平位移及沉降监测数据按时空分布制作成三维曲线图，x轴为按时间分布的各节点262期监测数据，y轴为按隧道长度分布的各时间段1-22节点监测数据，z轴为相应监测值，水平位移正值为向基坑方向变形，沉降正值为隧道隆起。下行线为靠近基坑一侧地铁隧道。 （a） （b） 图4 （a）下行线累计水平位移图；（b）下行线累计沉降图
由下行线累计水平位移监测数据：（1）总体而言，隧道的水平位移变化情况符合预估，基本为正值且基本处于7-17节点范围的基坑开挖区域；（2）自二期负三层开挖开始，7-13节点范围出现明显的水平正向位移，且在随后的一期开挖过程中出现峰值。可以明确该位置人行通道的加固措施对抑制形变有积极作用。随后由于基坑一期的开挖，其更靠近隧道使水平位移量大幅上升。
值得注意的是，随着基坑开挖进程的深入，各节点沉降标准差越来越大。
（a） （b） 图5 （a）上行线累计水平位移图；（b）上行线累计沉降图
上行线累积水平位移规律与下行线类似，随隧道开挖进程推进，隧道整体向基坑靠近，且由于上行线更为远离基坑，因此变形峰值小于下行线。值得注意的是，7-13节点即人行通道位置在二期-2层开挖伊始出现了明显的负值即远离基坑的现象。 与下行线一致的是上行线13节点附近出现明显的隧道隆起，除此之外隧道其余区域经历了由隆起至沉降最后趋于稳定的过程，上行线累计沉降值不明显，基本趋向于零。
隧道端部由于远离基坑未进行足够的加固措施，因此下行线的日水平位移变化波动更为剧烈。上行线日均水平位移与下行线类似，均在隧道两端出现较大的波动，整体而言隧道的日均水平位移值变化不规律且数值大小接近零。上行线日沉降值表现出较多的不规则性。 图6 下行线水平位移最值日变化图
图7 下行线水平位移最值日变化图
图8 下行线水平位移最值日变化图
3.3 总结
（1）隧道水平位移更符合预期且规律明显，位移峰值出现在靠近基坑的下行线上。值得注意的是由于人行通道三轴搅拌桩的加固措施，隧道下行线7-13节点位置隧道位移开挖初期接近0mm，而上行线该位置隧道反而向基坑靠近。
（2）隧道沉降标准差则随开挖推进不断增大，即隧道的隆起与沉降愈加显著。考虑到本工程为控制位移进行了满堂加固且在地连墙周围也进行水泥搅拌桩加固，实际工况压力作用下隧道会出现隆起。
（3）隧道水平位移最值沿随开挖进程逐步攀升，二期负三层钢筋绑扎时出现4mm警戒值，随后位移最值大幅下降至二期负三层混凝土浇筑完成。
（4）负一层开挖完成时隧道隆起及沉降最值较大，当进行远离隧道的二期开挖时，隧道隆起及沉降最值均稳步下降，且在之后进行一期负二层开挖时二者又迅速回升。综合以上结论，表明分区分块开挖能有效控制隧道沉降与隆起最值的增长，但对水平位移的影响不显著。
数值模拟4.1 模型尺寸及参数选取
采用plaxis3D有限元软件进行地基开挖隧道变形分析，各岩层的埋深及物理力学指标如上节所示。设置模型东西方向长度185m，南北方向长度150m，深度40m，满足基坑开挖影响的宽度范围为3-5倍开挖深度（45-75m），影响的深度范围为2-4倍开挖深度（30-60m）的要求，基坑开挖对墙后土体位移影响范围为2-3倍的开挖深度。支撑楼板、地连墙及临时隔墙采用板单元、HS有限元模型模拟。
根据地质勘察报告，由于西湖附近为典型的软黏土环境，因此采用HSS有限元模型进行分析，以更好地考虑小应变状态的影响。HSS有限元模型指标设置情况如下表： 表4.1 模型参数设置
图9 基坑网格划分
图10 （a）开挖土层、人行通道及隧道；（b）满堂加固
4.2 分析步设置
参照项目施工进度计划，分别设置分析布如下： （1）建立原始地层模型，地连墙及临时隔墙生成，地铁隧道及基坑开挖网格划分，生成计算模型，施加位移约束边界条件，在初始应力条件下进行迭代计算使初始应力平衡[20]； （2）一期负一层开挖、楼板混凝土浇筑养护； （3）二期负一层开挖、楼板混凝土浇筑养护； （4）二期负二层开挖、楼板混凝土浇筑养护； （5）二期负三层开挖、楼板混凝土浇筑养护； （6）一期负二层开挖、楼板混凝土浇筑养护； （7）一期负三层开挖、楼板混凝土浇筑养护。
4.3 模拟结果
图11 下行线水平位移对比图
图12 上行线水平位移对比图
图13 下行线沉降对比图
图14 上行线沉降对比图
开挖后期隧道水平位移实测值与模拟值有较高的拟合度。考虑到人行通道及附近加固措施对水平位移的控制作用超过预期，开挖前期模拟值的拟合度不够。且上行线7-13节点由于反常地向基坑靠近，模拟值与实测值的偏差更大。
竖直位移模拟方面由于实测值在隧道隆起方面表现突出，而数值模拟仅能表现出沉降结果，因此有必要对实测条件进行更细致的采集以及对数值模拟进行更深入的参数化分析。
5 结语 （1）plaxis3D有限元软件对水平位移的分析比较接近实测值，且与开挖完成的隧道位移图像较为拟合，表明HSS模型适合西湖软黏土土层环境且相应参数选择具有借鉴意义。
（2）隧道模拟只存在向下沉降，而实测值隆起更为显著且沉降规律不明显，因此隧道沉降更易受其他因素的影响，如进行水泥灌注时对围侧土层的施压等施工因素的研究是日后提升模拟精度的着力方向，数值计算需要综合考虑隧道沿线土层、施工情况进行沉降模拟。
（3）满堂加固的施工方法能有效减少基坑及隧道位移，且对于位移日均波动也有明显的控制作用。采用临时隔墙以及分区分块开挖能有效控制隧道竖向位移值，但对水平位移的影响不显著。
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