马健1 唐莹2
1.上海勘察设计研究院（集团）有限公司浙江分公司
2.杭州市地铁集团有限责任公司
摘要：通过典型的基坑工程开挖项目，通过基坑开挖对既有隧道的影响的机理分析，并深入量化沉降影响程度，预估基坑工程实施对于既有隧道的扰动影响，提前为设计施工提供有效的项目实施意见制定的参考依据，最大程度弱化风险源数量与风险程度，保障既有隧道安全。
关键词：基坑开挖；既有隧道；沉降计算
随着现代经济社会的不断发展与进步，地下空间领域的开发与拓展水平也随着各类工程技术的革新得到了空前提升。全国各地涌现出地下空间的开发热潮，包括地铁隧道建设、超深地下室挖建以及长距离综合管廊建设等。其中对于地铁隧道的建设工作在近几年也达到了高潮，形成了“多线齐运营，多站齐建设”的热闹情形，同时在已建成的地铁隧道周边的地下空间的开发也成为各大开发公司的争夺热点，地铁以其优越的便捷性与快速性大力提升了沿线土地的开发价值，越来越多的中大型建设基坑工程紧邻运营沿线开展，这就带来了新的问题与挑战：新建基坑开挖对既有地铁区间以及地铁附属结构物的扰动影响。在各个以运营地铁线路的城市中，对于此类工程的影响控制标准都极为严苛，其中杭州地区对于邻近工程对既有隧道的扰动影响不得超过5mm，此项要求对工程建设单位、工程设计单位以及工程施工单位都提出了极为苛刻的要求，同时也在最大程度上保证了既有地铁运营线路结构的安全与稳定性[1-2]。
本文通过典型的基坑工程开挖项目，通过基坑开挖对既有隧道的影响的机理分析，并深入量化沉降影响程度，预估基坑工程实施对于既有隧道的扰动影响，提前为设计施工提供有效的项目实施意见制定的参考依据，最大程度弱化风险源数量与风险程度，保障既有隧道安全。同时也为今后同类型工程项目提供理论计算依据与计算参考。
1 工程概况
基坑形状呈规则形状，东西向长约137m，南北向约385m；基坑开挖面积为47600m2，支护结构延长米约1025m。工程地下室设有一层、四层和五层不同层数，其中一层地下室临近东侧轨道交通设施，四层、五层地下室位于一层地下室西侧（远离轨道交通设施）；一层地下室开挖深度为6.6~7.1m，四层地下室开挖深度为19.60m，五层地下室开挖深度为24.00~24.50m，基坑分为A区和B区，两个区域分别划分了若干个小基坑，如图1所示，坑中坑高差为3.2~7.0m。
本基坑项目东侧围护桩距地铁8号线下行线盾构隧道最近约8.2m，距上行线盾构隧道最近约24.1m，隧道埋深约为10.5～14.5m隧道埋深由东向西逐渐增加。东南角围护桩紧贴地铁车站B出入口。
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图1 基坑与隧道位置关系图
根据基坑围护设计图与对应的地勘报告，得到在邻近地铁隧道侧的基坑B区开挖深度范围内广泛分布着淤泥质粘土，如图2所示，此类型的土层物理力学性质较差，具有高压缩性，土层含水量也较高，受到施工扰动时，土体容易液化，对于基坑围护结构的变形和内力控制以及邻近既有隧道结构的维稳都非常不利[3]。
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图2 典型地质剖面图
2 基坑开挖对既有隧道影响的应力分析
邻近隧道的基坑与既有地铁隧道的位置关系大致可以分为两大类：①开挖基坑的开挖面位于地铁隧道一侧；②开挖基坑的开挖面位于地铁隧道上方。由于本依托项目的基坑工程与既有地铁隧道的位置关系属于开挖面位于既有隧道的单侧，所以就既有隧道位于基坑工程一侧开展与之相应的基坑开挖影响应力分析[4]。
对于未受到单侧基坑工程开挖影响下的隧道结构受到来自其周围水土压力和自身重力作用，整体隧道结构是保持受力的动态平衡（见图3）。假定隧道顶部覆土厚度为H，z0为既有隧道轴线埋深，γ为隧道周边土体重度（假定既有隧道是处于均一土层当中，所以土体的重度为固定假设值），K0为侧向土压力系数[5]，则隧道顶部受到竖向压力为γH，隧道轴线处受到的土体给予隧道结构的水平向压力为K0γz0。
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图3 既有隧道处于各向受力平衡状态
当单侧基坑工程进行土体开挖工作后，处在既有隧道与基坑之前的土体应力得到释放（卸载），单侧应力释放使得既有隧道靠近基坑方向的水平向受力（围压）减小，隧道原有平衡状态受到破坏，使隧道受到朝向基坑侧的附加作用力，这就会导致既有隧道产生向基坑侧的水平位移（见图4）。当基坑与既有隧道之间的净距越小时，基坑开挖对既有隧道带来的影响就更加明显与迅速，引起的变形量也更大。
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图4 基坑开挖卸载破坏了既有隧道的平衡状态
邻近新建基坑在未开挖之前，既有隧道在竖向受到的土体压力及自重应力一般要大于起拱线处的水平向土压力[6]（因为侧向土压力系数K0一般为小于1的系数），隧道产生“扁鸭蛋”变形。随着新建基坑的开挖工程实施，基坑的土体开挖卸载使得基坑与隧道之间的水平向力变小，而在竖向力不变的前提下，这种卸荷方式就进一步加剧了隧道“扁鸭蛋”式的变形特征如图。
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图5 基坑开挖卸载对隧道净空收敛变形的影响
所以在侧边基坑开挖卸荷工况下，既有隧道及其所处地层在竖向位移的变化是较为明显的，所以本文利用经典土体竖向位移的经验公式估算基坑开挖引起的周边土体竖向位移、区间隧道结构主体的竖向位移以及受基坑开挖影响的隧道车站主体的竖向位移，提前对于这些关键数据进行风险预控[7]。
3 沉降值预估计算
基坑开挖引起的坑外深层土体沉降传递规律可以采用经典沉降公式中的沉降传递系数CST进行描述。CST=土体中任一深度的竖向沉降量/对应位置处地表沉降量。
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式中d表示计算位点距离围护墙体的水平距离，B为基坑开挖深度，Z为计算位点距离地表的垂直距离。
3.1 既有地铁车站及隧道竖向变形估算
根据统计关系以及土层性质，考虑到临地铁侧采用钢筋混凝土支撑，取最大地表沉降与围护结构最大侧向位移比值为 0.60，即 A 区基坑产生的地表最大沉降δvm=0.60×δhm=0.60×57.7mm=34.62mm，B区基坑产生的地表最大沉降δvm=0.60×δhm=0.60×25.9mm=15.54mm。
3.2 区间盾构隧道沉降估算
a、8号线上行线盾构隧道
基坑开挖对地铁8号线上行线区间盾构隧道的影响分析采用凹槽型沉降曲线预测[8]。
A区基坑开挖产生的沉降：
d/B=46.6/22.1=2.11，对应隧道位置处的地表沉降δv=0.1×δvm=3.46mm，取CST=1.18，则δym=4.08mm。
B区基坑开挖产生的沉降：
d/B=24.1/7.1=3.39，对应隧道位置处的地表沉降δv= 0.03×δvm=0.10mm，CST=0.91，则δym=0.09mm；即基坑开挖引起的上行线隧道累计竖向沉降为4.17mm。
b、8号线下行线盾构隧道
基坑开挖对地铁8号线下行线区间盾构隧道的影响分析采用凹槽型沉降曲线预测。
A区基坑开挖产生的沉降：
d/B=30.8/22.1=1.39，对应隧道位置处的地表沉降δv= 0.466×δvm=16.13mm，取CST=0.69，则δym=11.13mm。
B区基坑开挖产生的沉降：
d/B=8.2/7.1=1.15，对应隧道位置处的地表沉降δv=0.61×δvm=9.48mm，取CST=0.69，则δym=6.54mm；即基坑开挖引起的下行线隧道累计竖向沉降为17.67mm。
3.3 车站主体结构沉降估算
基坑开挖对地铁8号线某站B出入口的影响分析采用凹槽型沉降曲线预测。
A区基坑开挖产生的沉降：
d/B=41.7/24.5=1.70，对应隧道位置处的地表沉降
δv=0.28×δvm=9.69mm，取CST=0.69，则δym=6.68mm。
B区基坑开挖产生的沉降：
d/B=5/7.1=0.70，对应隧道位置处的地表沉降δv= 0.88×δvm=13.68mm，取CST=1，则δym=13.68mm；即基坑开挖引起的B出入口累计竖向沉降为20.36mm。
4 结论
本文开展了对于基坑开挖引起邻近既有隧道影响的机理研究分析，并且利用经验公式计算了基坑开挖对于坑外土体的竖向位移，隧道区间的竖向位移以及受影响车站的竖向位移的预估数值量，为项目风险的提前预控提供了一个良好的参数依据，也进一步明确了基坑开挖对于既有隧道的影响规律与影响程度。
（1）由经验分析可知，本项目基坑施工引起的地铁B出入口水平位移约为11.94mm；盾构隧道、车站距离基坑相对较远，基坑开挖引起的水平位移超出经验影响区范围。基坑施工引起地铁8号线上行线隧道累计竖向沉降约为4.17mm，下行线隧道累计竖向沉降约为17.67mm，车站主体结构累计竖向沉降约为4.96mm，B出入口累计竖向沉降约为20.36mm。
（2）经验分析无法区别考虑土体的力学性质、围护刚度、施工工艺等的差异对地层位移的影响，而实际工程显示这些因素对地层位移影响较大。因此，经验估算方法有一定局限性，准确性有待进一步验证。
（3）盾构隧道结构周边土层的位移并不能直接代表隧道结构的变位。隧道结构的变位还与结构自身的刚度、结构与地层的相互作用有关，这些因素需要在数值计算中进一步细化考虑。
由于经验公式的局限性，后续还将开展基于二维及三维数值模拟为依据的风险评估工作，全方位把控狭长型基坑开挖对于既有隧道的影响，为同类型工程提供一套完成的风险评估方式方法。
参考文献
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[4] 黄栩，黄宏伟，张冬梅．开挖卸荷引起下卧已建盾构隧道的纵向变形研究[J]．岩土工程学报，2012，34（7）：1241-1249．
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