地下连续墙支护下深基坑开挖对邻近地铁隧道变形影响分析

地下连续墙支护下深基坑开挖对邻近地铁隧道变形影响分析

1 引言

随着城市地下空间的大力开发和利用，不可避免在地铁附近进行深基坑施工，由于地铁隧道等建（构）筑物的存在，导致基坑周边的环境非常复杂敏感，典型的工程如南京紫峰大厦深基坑周边有3 条主干道，管线密集，距离南京地铁1 号线隧道主体结构最近处仅5 m；本文中的南京某深基坑，距离已经运行的地铁隧道2 号线最小净距仅为12 m，而且周边分布有教堂（文物保护单位）等重要建筑物。对于邻近地铁隧道复杂环境中的地下连续墙支护深基坑工程而言，依据三维数值分析等先进技术方法，研究深基坑开挖对邻近地铁隧道变形的影响规律，并提出相应的保护邻近地铁措施，这对于解决城市深基坑工程开挖中对既有地铁等建（构）筑物的控制与保护问题，具有重要的理论和实践指导意义。

目前，常规支护结构的设计一般多采用规范推荐的平面竖向弹性地基梁法及三维弹性地基板法，这2 种方法均可以模拟实际工况并计算围护结构与支撑体系的内力与变形，三维方法还可同时考虑围护结构的空间效应，但这2 种计算方法由于在计算模型中均无法考虑基坑周边的重要建（构）筑物，不能直接计算分析其对周边环境的影响，因此在计算分析深基坑开挖的环境效应时存在一定的局限性。刘国彬等结合软土基坑隆起变形的残余应力法和软土卸荷模量的概念，建立了基坑隆起变形的计算模型，推导出基坑工程底部已运行隧道上抬变形的计算公式，能够预测基坑底部已运行隧道的上抬变形。在分析深基坑开挖引起的环境效应时，经常采用连续介质有限元方法，该方法将基坑的围护结构、周边一定影响范围内的土体以及某些重要建（构）筑物作为一个整体进行分析，以开挖面上土体地应力的释放作为开挖时的荷载，并以单元的“生死”来模拟土体开挖以及支撑体系的施工。

本文采用三维有限元方法模拟本工程深基坑的开挖，分析模型主要包括深基坑围护结构、已运营的地铁隧道以及一定影响范围内的土体，根据计算分析得到的结果，在设计中采取相应措施控制地铁隧道变形。

通过采取科学有效的识记方式，学生在记忆单词时的难度明显降低，对于词汇学习的兴趣也会提升，自然能更好地融入英语课堂。

2 工程概况

南京某工程由主楼、商业裙房以及地下室等组成，其中，主楼共48 层，结构总高度为220 m，商业裙房共10 层。基坑面积约为12 400 m2，周长约为490 m，地下室基础底板相对标高为-20.90 m，基坑总体区域开挖深度为22.1 m。场地周边环境较为复杂，南侧为天主教堂（文物保护单位），东侧为购物中心（重点建筑物），北侧为地下连续墙（距地铁隧道仅为12 m），地铁隧道采用箱体结构形式，隧道宽度约6.28 m，埋深8.9 ～9.8 m，如图1 所示。

图1 基坑建设场地总平面图

图2 邻近地铁一侧支护设计剖面图（单位：m）

3 支护设计

基坑周边采用“两墙合一”的地下连续墙支护结构，既可以作为深基坑开挖时挡土止水的围护结构，也可作为地下室的结构外墙。基坑周边及塔楼区域的地下连续墙厚度为800 mm，北侧邻近地铁区域及南侧天主教堂区域的地下连续墙厚度为1 000 mm，深度为34.1 m。邻近地铁一侧区域的地下连续墙采用三轴水泥土搅拌桩对槽壁进行加固，在外侧采用直径为850 mm 高压旋喷桩封堵，先施工地铁一侧的三轴搅拌桩，待其达到强度要求后再施工地下连续墙。坑内设置4 道钢筋混凝土支撑，每道支撑竖向间距按实际工程中的经验取为h1 = 5.75 m，h2 = 4.5 m，h3 = 3.5 m，h4 = 3.5 m，h5 = 3.6 m，深度为20.9 m，每道支撑水平间距为10 m，截面尺寸均为800 mm×800 mm，靠近地铁隧道一侧支护设计剖面图如图2 所示。

4 基坑开挖对邻近地铁隧道影响计算分析

4.1 有限元模型建立

基坑开挖的平面尺寸约为170 m×73 m，开挖深度为22.1 m。考虑到基坑开挖对周围土体以及既有地铁隧道的扰动，模型侧向边界和底部边界均延伸至2 倍的开挖深度之外。模型尺寸为270 m×200 m×85 m，在可能出现应力集中以及位移变化较大的区域适当加密网格。网格形状尽量规则，避免出现形状不好的单元，以防止计算的收敛和结果精度受到影响。模型侧面约束水平位移，底面固定，表面自由。土体采用摩尔库伦模型，既有地铁隧道采用板单元模拟，地下连续墙采用各向同性的板单元模拟，采用弹塑性无厚度接触面单元模拟围护结构与土体之间的相互作用。施工附加荷载的计算长度与基坑开挖北侧的长度一致，荷载值取为20 kN/m。三维有限元模型如图3 所示，地下连续墙计算参数如表1所示。

据陈莲曲珠介绍，尼姑们早上6点左右起床；用过早饭后7点整在大殿集会，9点集会散了后，继续上佛学或因明学的课程，到11点下课；中间有半个小时的休息时间，12点半又继续上课，1点30才下课；休息半小时后，下午2点在大殿天井里辩经，3点半才休息；下午4点时要去静室念经，6点左右休息；吃过晚饭后，7点开始辩经，晚上9点才休息。之后的时间，多数尼姑都会用来自学国家宗教和相关法律法规。

图3 整体三维有限元模型（单位：m）

表1 地下连续墙计算参数表

参数 地下连续墙轴向刚度EA / kN · m-1 1.92×107弯曲刚度EI / kN · m-2 · m-1 1.02×106墙厚t / m 1.0泊松比ν 0.2挠度w / kN · m-1 · m-1 25

基坑开挖施工的模拟过程共分成12 个计算工况，如表2 所示。

异质性环境规制对雾霾污染物排放绩效的影响——基于中国式分权视角的动态杜宾与分位数检验..................................................................................................................................徐鹏杰 卢 娟（48）

表2 南京某深基坑开挖施工有限元分析过程

计算工况 工况描述1施工三轴水泥土搅拌桩2施工圈梁和地下连续墙3开挖到5.8 m 深4设置第1 道支撑5开挖到10.3 m 深6设置第2 道支撑7开挖到13.8 m 深8设置第3 道支撑9开挖17.3 m 深10 设置第4 道支撑11 开挖至坑底22.1 m 12 设置底板

4.2 基坑开挖计算分析

4.2.1 邻近地铁隧道侧壁水平位移

由于既有地铁隧道线路方向与基坑北侧平行，因而基坑开挖对既有地铁隧道侧壁的水平位移影响较大。由图4 邻近地铁隧道水平位移云图可知，深基坑开挖至坑底时，邻近地铁隧道侧壁的最大水平位移为6.24 mm，表现为向基坑方向偏移，发生在对应基坑开挖中心位置处附近；随着远离基坑开挖范围，地铁隧道侧壁的水平位移逐渐减小，最后趋向

于0。

4.2.2 邻近地铁隧道底部竖向位移

基坑开挖对既有地铁隧道底部的竖向位移同样影响较大，由图5 邻近地铁隧道竖向位移云图可知，深基坑开挖至坑底时，邻近地铁隧道底部的最大竖向位移为6.95 mm，表现为隆起，且发生在对应基坑开挖中心位置处附近；随着远离基坑开挖范围，地铁隧道底部的竖向位移逐渐减小，且表现为沉降。

图4 邻近地铁隧道水平位移云图（单位：m）

图5 邻近地铁隧道竖向位移云图（单位：m）

以上计算结果表明，邻近地铁隧道的最大水平位移与竖向位移均发生在对应的基坑开挖中心位置处附近，随着远离基坑开挖范围，地铁隧道的水平位移和竖向位移均逐渐减小。

2.4.1 体位要求 术后植皮区的位置固定十分重要防止受压，故给予持续俯卧位，为防止压疮发生，采取双侧髋部垫海绵垫，躯干两侧轮流10°轻翻身，每2～3小时1次，避免大幅度活动。

4.3 三轴水泥土搅拌桩加固影响分析

设计过程中，为预估邻近地铁隧道一侧设置三轴水泥土搅拌桩对于控制地铁隧道变形的有效性，在另一计算方案中取消了三轴水泥土搅拌桩。2 种方案下计算得到的地铁隧道侧壁水平位移和底部竖向位移的结果如图 6 和图7 所示。

（1）由图6 可知，深基坑开挖时，无论是否设置水泥土搅拌桩，邻近地铁隧道侧壁的水平位移变化趋势基本一致，但当设置三轴水泥土搅拌桩时，邻近地铁隧道衬砌的整体水平位移明显减小，减小量为2.6 mm。

（2）由图7 知，深基坑开挖时，无论是否设置水泥土搅拌桩，邻近地铁隧道底部的竖向位移变化趋势基本一致，但当设置三轴水泥土搅拌桩时，邻近地铁隧道底部的整体竖向位移明显减小，减小量为2.8 mm。

以上计算结果表明，深基坑开挖时，在邻近地铁隧道一侧设置三轴水泥土搅拌桩的加固措施，可有效减小既有地铁隧道的侧壁水平位移和底部竖向位移。

我国目前已成为世界上最重要的自动化装备需求国之一，国外各大企业已经逐渐进入中国市场，如德国FROEHLICH有限公司、意大利捷飞特股份有限公司、瑞典ABB有限公司等，他们凭借着巨大的资本优势和丰厚的技术积累基本已经占据了我国自动化装备市场主要份额，高达约70%左右。特别是在高端市场国外的巨头处于绝对的控制和垄断的地位，这对我国本国的企业发展影响巨大。而从中、低端市场来分析，一部分国内企业自动化技术已经通过不断的技术积累和投入逐步在市场中占有了一席之地，能够与国外一些巨头企业形成竞争，为本国企业的自动化技术发展争取了生存空间。

图6 有无深层搅拌桩时邻近地铁隧道衬砌水平位移对比曲线

图7 有无深层搅拌桩时邻近地铁隧道底部竖向位移对比曲线

5 结束语

深基坑工程对环境的保护要求较高，为此，本工程采取了在地下连续墙和地铁隧道之间设置三轴水泥土搅拌桩的加固措施。通过对该工程围护结构和邻近地铁隧道的计算分析

表明，邻近地铁隧道侧壁的最大水平位移以及底部最大竖向位移均发生在对应的基坑开挖中心位置处；设置三轴水泥土搅拌桩可以有效控制邻近地铁隧道的变形，具体来说，侧壁水平位移可以减小2.6 mm，底部竖向位移可以减少2.8 mm，满足规范中对地铁变形不得超过20 mm 的要求，表明设计中采取的相应加固措施合理可行。

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