软土深基坑施工变形规律及对城轨隧道的影响数值分析

1?选择软土深基坑施工建设项目

1.1?工程概况

为分析软土深基坑施工变形以及对既有城轨隧道的影响情况，以苏州市轨道交通8号线松涛街站在建工程为研究对象进行分析。该建设项目位于十字交叉口，该地铁车站位于地下3层，设计有3个出入口，分别为2号、3号和4号出入口。车站总长度为166?m，标准段宽度为23.1?m，站台宽度为14?m。该车站主要采用3层3跨框架结构。此次工程需要通过既有隧道，因此，为确保主体结构的安全性和既有结构的稳定性，车站设定的有效站台中心里程处底板埋深为26.3?m，两侧端头井埋深为27.6?m，端头井底标高为–24.380?m。

此外，车站本身还采用地下连续墙和内支撑结构进行支护。车站主要采用明挖法进行施工，对工程的具体地质条件和水文条件进行分析。

1.2?地质情况

在对地铁工程基坑开挖前，需要对其不同地层的地质条件进行分析，以此确定不同土层的状态以及工程特性。以地铁工程的实际地质勘察结果为分析前提，通过该工程的地质剖面图进行分析，划分地铁建设工程的地质类型。不同地质类型对应的状态以及特性见表1。

表1?地铁建设项目地质情况

   

（1）潜水埋藏：存在于浅部的1–1杂填土、3–1粘性土层之中，富水性受控于岩性，初见水位和稳定水位具有一致性。

（2）微承压水埋藏：存在于4–2粉土夹粉砂中，经过地形和地貌的影响，初见水位和稳定水位可能并不完全一致。

（3）承压水埋藏：存在于7–2粉土夹粉砂中，具有较好的封闭条件，其赋水性为中等。

在此基础上，综合地铁工程项目的施工内容以及地质情况和水文条件，确定此次工程的施工工艺。

2?确定软土深基坑施工工艺

软土深基坑施工工艺是工程建设中的重要环节，如果处理不当，容易引发工程事故，威胁人员安全，因此确定软土深基坑施工工艺，可为工程建设提供重要的理论支持和实践指导，提高工程质量，保障施工安全，推动科技进步，指导工程实践，并保障能源供应的安全和稳定。

2.1?划分软土深基坑开挖位置分区

根据周边的建筑物以及管线布置条件，分析和规划工程的平面布置图，在上报复核无误后，以地铁站的实际长度和端头宽度作为标准，此次基坑长度为166?m，标准段宽度为23.1?m，开挖深度为26.3?m，端头井宽为27.8?m，开挖深度为27.6?m。基于此，在划分纵向分区前，需要确定土方开挖的断面情况。在土方开挖阶段需要分别对端头井和标准段进行确定，通过人工清底处理后，按照工程设计要求增加预应 力。在给定两个大的分区后，对其纵向埋深的开挖情况进行确定，即确定基坑开挖纵向分区情况。此次工程的不同区域均以分层开挖的形式进行，在分区内以纵向开挖进行划分，整体以诱导缝和施工缝位置为划分标准，长度为18~22?m。由于本次采用分层开挖的方式进行施工，需要保证开挖的顺序与设计工况具有一致性，设定地铁工程软土深基坑的分层开挖顺序。

2.2?设定软土深基坑分层开挖顺序

此次工程的建设周期约120个工作日，通过其开挖长度、宽度以及深度的情况，该工程的开挖总量为10.8万m ³ 。整体工程采用分层分段方式进行开挖，并按照由小里程端向大里程端的顺序进行，每次开挖均从中间段土方开始，总计分为8层。分别对具有的开挖情况进行分析，确定每层开挖的标高。

（1）表层土开挖阶段：采用PC?220挖机直接进行大面积开挖至第1道支撑底，开挖标高设计为1.920?m，开挖完毕后可进行第1道支撑施工。

（2）第1层基坑土方开挖阶段：当第1道支撑施工达到设计强度后，在具备开挖条件后进行第1层基坑土方开挖，使用PC?60挖机掏挖。开挖标高需达到–4.580?m，土层厚度为6.5?m，第1次开挖深度为3?m，第2次开挖深度为3.5?m。

（3）第2层基坑土方开挖阶段：第2道支撑架设完毕后进行该阶段开挖，开挖标高至–8.180?m，土层厚度为3.6?m，采用PC?60小挖机进行掏挖。

（4）第3~6层基坑土方开挖阶段：在前期支撑结构施工完毕后，采用小挖机进行掏挖，以保证整体基坑深度到达16?m。在每层基坑开挖至设计标高后，需要及时架设支撑结构，再进行下一层基坑土方 开挖。

（5）第7层基坑土方开挖阶段：该基坑开挖层为第6道支撑架设与基坑底部的最后连接，第6道支撑架设完毕后进行该阶段土方开挖，保证其与第6道支撑之间有0.5?m间隔，与基底有0.3?m土体预留。整体开挖结束后，在基坑内使用小挖机进行清底工作。

在划分软土深基坑的开挖位置以及开挖顺序之后，按照具体的开挖原则，对应工程所处的环境特点，对该基坑的维护和支撑结构进行确定和放置。

2.3?放置软土深基坑围护支撑结构

分层开挖的主要目的是保证开挖和支护的协调管理，并且为严格执行施工标准和原则，需要具有先撑后挖的技术保证。在此基础上，结合地基的水文条件确定此次选择的围护和支护结构。

（1）围护结构。地铁车站外围通过52幅地下连续墙进行封堵，分别为8幅A形墙、42幅B形墙、12幅L形墙、4幅D形墙。各组墙连接采用工字钢接头，墙趾位于7–2粉土夹粉砂中，墙体厚度均为1.0?m。

（2）支撑体系。表层段为混凝土支撑，在标准段施工中，共设置了6道支撑和1道换撑结构。具体来说，第1道和第4道支撑采用钢筋混凝土支撑，而第2道、第3道支撑采用609?mm×16?mm钢支撑，第5道、第6道支撑则采用800?mm×20?mm钢支撑。

由于围护结构直接按照图纸设计进行拼接即可，因此，直接对支撑结构放置情况进行确定。混凝土支撑先采用机械开挖，开挖至垫层底标高以上30?cm后进行中心定位，浇筑C20混凝土垫层并绑扎。

3?获取软土深基坑施工变形规律

综合上述情况，此次工程开挖布置方案为分层开挖形式，且方向为从南至北，在此递进关系下，选择具有代表性的开挖区域进行变形规律分析。由于此次主要是研究软土深基坑的施工变形规律，在变形监测中既要考虑软土层，又要进行对照，分别选择5–1粉质粘土、7–2粉土夹粉砂所处的开挖段。

3.1?支护结构水平变形

在深基坑工程中对支护结构变形的监测是一个必测项目，其是影响深基坑施工安全的重要指标，与支护结构形式、施工方法以及地质情况均存在密切联 系。但深基坑支护结构在不同的施工方法中，会产生不同方式的变形，此次重点研究其在软土地层中分层开挖的变形规律。分别对划定的监测区域进行分析。支护水平变形曲线如图1所示。

   

（a）

   

（b）

图1?支护水平变形曲线

（a）5–1粉质粘土开挖区域；（b）7–2粉土夹粉砂 开挖区域

如图1所示，5–1粉质粘土区域较软土埋藏特性更强，支护结构变形量与开挖深度具有正相关性，开挖深度越深，变形量越大，最大水平位移发生在深11.5?m处，在测点桩顶处所测的最大位移为9.2?mm，在基坑封底后之间变形逐渐收敛，但局部仍存在隆起情况，在封底后的最大位移为14.5?mm。7–2粉土夹粉砂区域的桩体下端基本没有软土埋藏，开挖后的桩体最大水平位移变形为6.4?mm，封底后的最大位移监测值为9.5?mm。因此软土基坑在开挖和封底后均会产生一定的蠕变，不能在完成封底后直接拆除支护结构，需要继续进行严密监测。

3.2?深基坑周边地表沉降

在对深基坑施工变形规律的分析中，对基坑周边的地表沉降监测也是必测项目之一，由于基坑内部土体的开挖，基坑周围支护结构的移动会促使区域内土体的重力重分布，造成基坑外侧地层损伤，从而引发地面的土体沉降。仍以上述区域相对于地表进行检测，每组监测数据分别通过距离基坑边缘垂直距离的测点得出，如图2所示。

   

（a）

   

（b）

图2?地表沉降变化曲线

（a）5–1粉质粘土区域测点沉降；（b）7–2粉土夹粉砂区域测点沉降

如图2所示，此次选择5–1粉质粘土区域和7–2粉土夹粉砂区域具有较大差异，由于5–1粉质粘土区域为软土层，其土质的流变性容易产生较大的变形，沉降量较7–2粉土夹粉砂区域会更大。相对于5–1粉质粘土区域而言，7–2粉土夹粉砂区域在封底后沉降能够得到缓解，沉降变形的收敛会变快，说明软土地层存在时间效应，在封底之后仍会出现一段时间内的持续变形。由此得出，软土深基坑在开挖过程和封底阶段，周边地表的沉降具有一定的滞后性，一般为开挖初期较小，随着开挖量变大、沉降量变化逐渐加快，在一定时间后才能稳定，且安置底板后地面沉降仍会持续，需要对其进行长时间检测。

4?分析深基坑开挖对城轨隧道的影响

将当层法应用于深基坑开挖对既有城轨隧道土体的变形影响。通过多个层级相关联计算和模拟的方 法，可以获取准确的变形数据和分析结果，为工程设计和施工提供重要的参考依据。

4.1?构建影响数值验证函数

地铁深基坑在施工过程中无论是支护结构还是周围土体均会发生变形，当地铁项目在施工中穿越既有城轨隧道时，同样也会对其周围土体造成影响，但具体的影响情况会根据施工方式的不同产生变化。为此，通过上述深基坑施工方式以及变形规律，分析其对城轨隧道的影响数值变化情况，以当层法作为推导理论建立验证函数。

利用当层法建立数值模型，将深基坑开挖和城轨隧道的影响问题分解为多个层级。在每个层级中，根据前一层的计算结果，进行相关的计算和模拟。首先分析振动波在深基坑施工土层和既有隧道周围土层中的传播速度及相对折射率。

在每个层级中，根据前一层的计算结果，利用当层法模拟深基坑的开挖过程。通过振动波在传播 过程中速度与角度的比例关系，假定振动波在土层中以均匀速度进行传播，则能够通过竖直距离确定当层等效厚度。

通过数值模拟，可以获取深基坑开挖过程中不同土体和隧道的变形数据。通过对这些数据的分析和处理，可以评估土体和隧道的稳定性和变形情况，以及城轨隧道的变形和安全性。以振动波作为当层影响数值的验证基础，假定在既有隧道中土层任意监测点的坐标，直接以当层法构建验证函数 。

总之，通过当层法分析深基坑开挖对城轨隧道的影响，当层法将基坑视为一个整体，而不是将每一层土体进行单独分析。这有助于更好地理解土体之间的相互作用和整体稳定性，可以获取准确的变形数据和分析结果，为工程设计和施工提供重要的参考依据。当层法将基坑的开挖过程视为一个动态过程，并考虑开挖过程中土体的应力状态和变形，有助于更好地理解开挖过程中土体的响应，确保城轨隧道的结构安全性和使用性能，以及减少对周边环境和地下水的影响。

4.2?分析城轨隧道土体位移

深基坑分层开挖过程中为下穿状态，开挖卸载时会引起支护结构和深基坑周围土体的变形，继而引发既有隧道的变形。为了更加直观地分析地铁深基坑开挖项目对既有隧道土体的位移影响数值，采用上述推导函数，分别在首个开挖层断面以及最后封底断面进行检验，如图3所示。由图3可知，在地铁深基坑分层开挖过程中，对既有隧道的影响主要以竖向沉降为主，随着挖掘工作的进行，拱顶和拱底的位移逐渐趋于稳定。可以预见，在隧道开挖进程推进过程中，拱顶和拱底的位移变化逐渐减小，并趋于稳定。整体来看，拱顶位移要小于拱底的位移，说明在新建地铁工程项目时软土地基深基坑开挖对既有隧道拱底具有显著影响。

   

（a）

   

（b）

图3?深基坑开挖对既有轨隧道周围土体位移的影响

（a）对拱底的影响；（b）对拱顶的影响

5?结束语

城市轨道项目在城市内的立项越来越多，随着城市化发展进程逐渐深入，地铁深基坑的规模和深度也在不断扩大，就现阶段来讲，地铁工程建设的主要施工方式仍是深基坑开挖修筑，且一般采用分层开挖的方式。以苏州市在建地铁项目为研究对象，对其整个施工周期进行研究和分析，获取了地铁深基坑施工变形规律以及对城轨既有线路的变形影响，具有应用价值。但由于深基坑施工仍存在其他方式，此次研究时间有限，只能选择其中一种进行分析，具有一定的局限性，后续会继续改进，确保地铁项目的施工安全。