土体加固与基坑开挖耦合作用下邻近地铁隧道变形特性研究

Study on Tunnel and Soil Deformation Induced by Soil Reinforcement Construction and Adjacent Foundation Pit Excavation

摘要

以上海某紧邻地铁的深基坑项目为背景，建立有限元模型，研究土体加固施工与基坑开挖对邻近隧道及其周边土体变形的影响。依托实际施工顺序，模拟分析了加固土施工与空间位置关系对位移的作用机制，并结合现场监测数据，验证模型计算结果的可靠性。研究结果表明，加固土可有效降低基坑开挖引起的远场扰动，但其施工本身会对周边土体产生挤压，引起土体水平位移变化及隧道上浮；若加固土施工与基坑开挖同时进行，位于二者之间的土体位移会明显增加，增加施工风险。研究表明，应合理地规划土体加固和开挖作业顺序，优化施工计划以控制施工扰动，为提高工程整体安全提供建议。

Abstract

Taking a deep foundation pit project adjacent to a metro in Shanghai as a background， a finite element model was established to investigate the effects of soil reinforcement and foundation pit excavation on the deformation of adjacent tunnels and surrounding soils. Based on the actual construction sequence， the study simulated and analyzed the displacement mechanisms arising from the interaction between reinforcement works and spatial positions， and validated the reliability of the numerical results with field monitoring data. The findings indicate that reinforced soil can effectively reduce far-field disturbances induced by pit excavation； however， the reinforcement process itself exerts lateral pressure on the surrounding soil， causing horizontal displacements and tunnel uplift. Moreover， if soil reinforcement and pit excavation are carried out simultaneously， the displacement of the soil located between the two processes will increase significantly， thereby raising construction risks. The study suggests that a rational arrangement of soil reinforcement and excavation sequences should be adopted to optimize the construction plan， control construction-induced disturbances， and enhance safety.

Graphical abstract

关键词

加固土施工 / 紧邻隧道开挖 / 有限元模拟 / 土体位移 / 隧道上浮

Key words

soil reinforcement construction / adjacent tunnel excavation / finite element simulation / soil displacement / tunnel uplift

0 引 言

随着我国城市化进程的不断加快，城市空间资源日趋紧张，地下空间的开发利用逐渐成为城市建设的重要方向。城市基础设施建设导致紧邻既有地铁隧道的基坑工程数量持续增长，不可避免地与既有轨道交通在时空层面发生交互。鉴于此，为保障隧道结构安全，此类工程中常对隧道周边土体采用软土地基加固技术^［1］，旨在减小邻近深基坑开挖引起的土体变形，有效降低施工扰动。

加固土由于自身具有较高的抗剪强度及侧向约束能力^［2］，被广泛用于实际工程中。Maher等^［3］通过不同混凝土掺量的深层搅拌桩研究发现，当水泥掺量达到7%时水泥土的强度就已经得到显著增强。Shen等^［4］基于现场取样与试验，系统评估了深层搅拌桩对加固土强度的影响。Tanseng等^［5］结合三维数值模型与现场监测数据，探讨了一种水泥土墙对周边建筑与土体位移的控制作用。针对邻近基坑开挖引起的隧道及周边土体变形问题，Liu等^［6］采用HSS模型，系统评估了坑外地基加固强度、深度、宽度等参数对隧道位移的控制效果。Zhang等^［7］以南京地铁11号线与3号线交叉工程为例，提出了一种灌浆加固的方法，并分析了隧道和地表的位移、应力变化。贾坚^［8］通过建立三维数值分析模型，研究了坑内加固时场地条件、加固方法、施工参数等对加固土强度的影响，发现地基加固可以显著减小土体的塑性发展。蒋锋平^［9］对地铁结构上方及邻近地铁结构的水泥搅拌桩施工引起的地铁结构变形进行了理论研究，得到了相应的计算公式。魏纲等^［10］采用数值模拟方法比对了不同加固方式对地下综合管廊的保护效果。付艳斌等^［11］采用数值分析方法结合实测资料，发现隧道周围搅拌桩施工顺序对隧道变形影响较大。Huang等^［12］建立有限元模型模拟基坑开挖，并与实测值进行对比，以验证计算结果的正确性。Xiao等^［13］基于实际项目建立了有限元模型，分析了复合桩基与注浆措施对土体位移的控制效果。Wang等^［14］研究了基坑开挖对土体力学性质的退化作用，并分析了不同土体加固方法对隧道保护的效果。王如路等^［15］与祝宜龙等^［16］的研究均表明地基加固施工与基坑开挖均会引起隧道上浮与地表隆起，施加荷载可以有效缓解该现象。秦会来等^［17］基于HSS土体本构模型，模拟获得了基坑施工过程对地层变形影响及围护结构响应规律。王会锋^［18］针对上海轨道交通的研究表明采用MJS工法桩进行加固，有效地减小了基坑施工对周边环境的影响。

然而，目前尚缺乏针对地基加固与基坑开挖同步施工条件下隧道变形机制的系统研究，二者在空间与时间上耦合作用的机制尚不明确，不利于施工安全。

本文以上海某紧邻地铁隧道的深基坑工程为研究背景，建立有限元分析模型，探讨加固土体对邻近隧道变形的影响，并结合现场监测数据分析加固施工与基坑开挖的耦合作用机制，旨在为类似工程中的基坑设计与施工顺序优化提供设计依据与参考。

1 工程概况

1.1　工程背景

上海某紧邻地铁隧道的深基坑工程项目，总用地超5万m²，分9个基坑进行施工，本研究涉及基坑编号为C1-1、C2、C3、C3-1和C4共5个，基坑现场布置如图1所示。

项目施工区域涵盖地铁15号线车站、附属结构及区间隧道结构，15号线区间隧道顶覆土厚度约17 m，车站为地下三层，埋深约23.35 m。

1.2　工程地质条件

施工区域地基土均属第四纪沉积物，主要由黏性土、粉性土及粉砂组成。其中施工涉及的土层包括②层（灰黄黏土夹粉土）、③层（灰色淤泥质粉质黏土）、④层（灰色淤泥质黏土）、⑤层（灰色粉质黏土）、⑥层（暗绿～草黄色粉质黏土），土层参数见表1。

1.3　 C4区加固方案

基坑C4开挖深度为8 m，采用坑内满堂加固。基坑底部中心采用MJS工法，桩径2.4 m，间距1.8 m，水泥掺量为40%，28d无侧限抗压强度标准值不小于1.2 MPa；两侧采用三轴水泥搅拌桩加固，桩径850 mm，间距600 mm，水泥掺量为25%，28 d无侧限抗压强度标准值不小于0.8 MPa。三轴水泥搅拌桩加固深度为24 m；MJS加固区域深度约为15 m，其中加固土体底部距离地铁15号线隧道顶部约1.5 m，隧道沿线两侧及中间布置了土体水平位移监测点，用以观测场地变形。基坑C4加固剖面简图如图2所示。

为缓解工期压力，当基坑C4完成三轴加固进行MJS加固施工时，基坑C1-1与基坑C2分别展开对应的开挖作业。为了监测周边土体变形，在地铁上、下行线两侧及中间6处布置土体测斜仪，如图1所示。

2 有限元模型建立

2.1　建模尺寸

为深入研究相邻基坑开挖与加固土施工对周围土体及既有隧道结构的影响，针对土体水平监测点所处的截面1与截面2，如图1所示，分别建立二维有限元分析模型进行计算分析。

为减小边界效应对计算结果的干扰，模型尺寸设置均为长304.5 m，深100 m。隧道上下行线间距为9.9 m，直径均为7 m，距离MJS加固区底部1.5 m，隧道壁厚0.4 m，材料选用混凝土。其中，基坑C2与C1-1在截面1中的长度分别为109 m与20 m；在截面2中C2长97 m，C1-1长30 m。截面1所对应的有限元模型如图3所示。

模型左右两侧施加水平位移约束，底部施加水平与竖向双向约束，针对基坑C2与C1-1中的格构柱与立柱桩单独设置转动约束。

2.2　材料属性

已有研究表明，基坑开挖过程中周边土体的变形通常处于小应变范围，而常用的弹塑性本构模型难以准确描述该阶段土体的力学响应特性。因此，本研究采用小应变土体硬化（HSS）模型。HSS模型相关参数的选取主要参考文献［19］以及上海工程建设规范《基坑工程技术标准》（DG/TJ 08-61—2018）^［20］的研究成果，具体取值方法见表2。对于加固土相关参数的选取，结合既有研究结果^［21-23］、室内试验与检测报告，对三轴加固土和MJS加固土分别取未加固前土体初始参数的1.5倍和2.5倍；地下连续墙、桩基础与支护选用梁单元，混凝土与钢材选用材料类型为各向同性-弹性，弹性模量分别为30 GPa与210 GPa。

2.3　初始工况与模拟步骤

通过对现场施工进度与设计方案的综合分析，最终确定两个有限元分析模型的初始工况设定与模拟步骤内容。

2.3.1　初始状态

截面1：基坑C1-1已完成首道支护与第一次土方开挖（挖深5.5 m）；基坑C4两侧三轴加固及下行线隧道上方MJS加固已完成，加固土作业由东向西施工，如图4（a）所示。

截面2：基坑C1-1初始工况与截面1相同；基坑C4两侧三轴加固及上行线隧道上方MJS加固已完成，加固土作业由西向东施工，如图4（b）所示。

2.3.2　施工顺序

图5为不同截面的实际施工顺序示意图，通过提取不同阶段中加固土作业对应的施工位置与范围，确定各截面的施工模拟步内容，具体计算分析步见表3与表4。针对加固作业土体单元单独运行“材料属性替换”指令，实现土体性质转换，该指令可以将原有土性替换成预设加固土参数，同时在对应作业区间施加15kN的竖向荷载，模拟加固土施工作业行为对周边土体产生的挤压作用；依次激活对应土单元的分析指令，实现对加固土逐步施工过程的动态反映。

3 结果对比与分析

3.1　截面1

3.1.1　场地土体位移

图6—图8为基坑C4不同位置处，土体水平位移的实测数据与有限元计算结果的对比情况，二者较为一致。测点CXK-1、CXK-2和CXK-3分别布设于地铁15号线隧道的右侧、中部与左侧，如图4（a）所示。选取两个施工节点进行分析：工况1为基坑C1-1开挖完成，工况2则对应基坑C2第二层土体开挖与MJS加固施工完成。其中，测点CXK-3在施工中损坏。

在工况1下，土体位移主要受基坑C1-1开挖影响。从图中数据可见，测点CXK-1 至CXK-3的最大水平位移依次增大，表明土体距离施工区域越近，受扰动影响越显著；同时，随深度增加，土体水平位移明显减小。

对于工况2，场地土体整体受基坑C2开挖影响而向西侧偏移，不同测点表现出不同的位移响应。CXK-1远离加固施工区域，位移主要受开挖影响，整体朝基坑方向移动；CXK-2位于加固施工区附近，加固施工产生的挤压作用与基坑开挖引起的位移方向一致，叠加效应使其位移最大；而CXK-3所处位置此时已经完成加固土作业，且距基坑开挖区较远，进一步降低了施工扰动影响，因此其位移变化最小。

3.1.2　隧道竖向位移

由图9（a）可得，基坑C1-1开挖对隧道整体上浮影响较小，此时隧道竖向位移值不足1 mm，表明邻近基坑施工对既有隧道扰动有限；当隧道上方进行加固土施工时，隧道上浮明显，上浮量最大超过3 mm。这表明土体加固是控制隧道上浮的主要原因。这是由于加固材料中掺入了水泥，使土体整体容重相较原状土有所降低，相当于对隧道上方进行卸载处理，从而引发隧道结构的上浮。各阶段隧道上行线与下行线的上浮实测值及有限元计算结果详见表5。

3.2　截面2

3.2.1　场地土体位移

图10—图12展示了截面2有限元计算所得土体水平位移结果与实测数据的对比情况。其中，测点CXK-4、CXK-5与CXK-6的具体位置如图4（b）所示。工况1与工况2的定义与前文相同。

在工况1下，测点CXK-4位于土体加固区域附近，受加固施工挤压效应影响，周边土体整体向两侧发生位移；同时由于该测点距离基坑C1-1较远，开挖扰动较弱，加固施工成为主导因素，因此其上部土体表现出明显的向西移动趋势。而测点CXK-5与CXK-6远离加固施工区，主要受基坑C1-1开挖影响，二者土体均向东侧移动。

在工况2下，基坑C2的开挖让C4场地整体向西移动，但加固施工区土体位移稍有不同。测点CXK-5所在位置靠近加固土施工区域，受加固施工影响显著，因此土体持续向东侧移动；测点CXK-4与CXK-6均远离加固作业区，受加固施工影响较小，其位移变化主要由基坑C2开挖引起，故两处土体均向西侧产生变化。不同的是，由于CXK-4位于距离基坑C2较近的位置，受开挖扰动较强，土体西向位移幅度相对较大；而已施工完成的加固土可以显著降低基坑C2开挖对CXK-6处土体的影响，因此其水平位移变化幅度整体小于其余测点。

3.2.2　隧道竖向位移

在不同施工节点下隧道竖向位移有限元计算结果如图13所示。表6汇总了各阶段隧道上浮实测值与计算值，二者数值大小较为接近。

3.3　与未加固场地对比

为进一步分析加固土体施工与基坑开挖对场地的影响，选取截面2在未进行土体加固作业的条件下，对邻近基坑开挖引起的场地位移进行了对比分析。图14—图16分别统计了仅在基坑开挖条件下，不同施工节点处土体的位移计算结果，并与加固土施工工况进行了对比。

在工况1下，随着测点与基坑C1-1的距离增加，土体的水平位移显著减小。由于未实施土体加固，测点CXK-4土体整体表现为向基坑开挖方向移动。由图15（a）与图16（a）可见，CXK-5处是否进行加固施工，对CXK-4和CXK-6两点的土体位移影响较小，表明加固土施工虽对局部土体变形影响显著，但对场地整体位移影响小，基坑C1-1开挖仍是驱动基坑C4土体侧移的主要因素。

在工况2中，基坑C2的开挖使场地土体整体偏向西侧移动，一定程度上抵消了基坑C1-1开挖造成的向东变形，加固施工的土体位移变化量总体小于未加固工况。但需注意，由于土体所处位置差异，加固土施工与基坑开挖二者耦合作用对不同区域的土体作用存在显著差异。例如，CXK-4在基坑C2开挖前已经受到了加固作业的影响，土体向西移动，之后又叠加基坑C2开挖影响，最终导致土体位移大于未加固工况下的位移值；基坑C2开挖使得场地整体向西移动，但CXK-5西侧部分土体已经完成了加固作业，这有效削弱了基坑C2开挖产生的施工扰动，加之CXK-5处土体进行加固作业，最终导致相较于未加固工况，加固工况的土体位移变化更为明显。图16（b）则充分体现了加固土可以有效降低周边施工对土体产生的影响：较工况1，加固方案下的CXK-6土体位移变化量明显小于未加固方案。针对单一开挖工况，当加固施工区与开挖区位于土体同侧时（如CXK-5、CXK-6），土体位移变化量会明显减少；反之，当土体处于二者之间时（如CXK-4），土体侧向位移变化量则可能被进一步放大。

表7汇总了截面2不同场地条件下隧道竖向位移计算值，其中未加固施工下隧道上浮量均小于加固施工工况。这表明基坑C1-1与C2的开挖对于隧道上浮的影响较小，加固土是实际影响隧道竖向位移的关键因素。

4 结 论

结合有限元模拟结果与现场实测数据对比分析，得出以下主要结论：

（1） 加固施工会对周围土体产生侧向挤压作用，在紧邻加固施工区，因土体加固施工产生的位移影响较为显著，在施工过程中应予以高度重视，避免由于加固施工导致位移过大。

（2） 加固土在控制场地扰动方面具有积极作用，可有效降低基坑开挖等施工过程对周边土体产生的影响；然而，由于加固区域整体容重降低，会造成下方隧道一定程度的上浮。

（3） 在基坑开挖与加固土施工同步进行的情况下，土体所处位置对其变形响应具有决定性作用，当土体位于加固施工区与开挖区之间时，二者对土体扰动影响叠加，会增大土体侧向变化量；而当加固施工区与开挖区位于土体同一侧时，加固作业可在一定程度上缓解基坑开挖所产生的土体位移。

基于以上研究成果，应系统考虑土体加固与基坑开挖的耦合效应，合理制定施工顺序与进度计划，以降低加固土施工对基坑开挖及周边环境产生的影响。

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基金资助

浙江省地矿建设有限公司资助课题(kh0023020241097)