两相邻深井的变形特性与挖掘策略优化：来自现场监测和数值模拟的见解

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Deformation characteristics and excavation strategy optimization of two adjacent deep shafts: Insights from field monitoring and numerical simulation

　　张晓|张学辉
上海城市建设市政工程有限公司，中国上海市普陀区交通路1565号

**摘要**
近年来，在密集的城市环境中出现了同时开挖两个或多个相邻竖井的复杂工程，这对岩土工程师提出了更高的技术挑战。由于缺乏相关的案例记录和现场测量数据，双竖井开挖的变形特性仍不够清楚。本研究因此调查了最佳的错开开挖策略，并通过一个详细的案例研究进一步展示了地面扰动特征。一个全面的现场监测计划记录了整个双竖井开挖过程及随后内部结构施工期间的挡土墙位移、地面沉降和邻近建筑物的响应情况。此外，还开发了一个三维有限元模型来模拟不同开挖顺序下的地面和结构行为，并将计算结果与监测数据进行了对比验证。研究结果表明：（1）通常采用的“深井先于浅井”的开挖顺序并不总是最优的，数值结果显示“浅井先于深井”的顺序可以减少整体变形，而同时开挖则会产生最大的响应；（2）在软土中同时错开开挖两个相邻竖井在技术上是可行的，并且可以显著缩短施工工期，同时将两个竖井及周围地面的变形控制在允许的范围内；（3）大部分变形发生在两个竖井开挖至基础底板完成的过程中。虽然浅井开挖的时间安排对整体变形的影响有限，但它显著影响了竖井间的区域及其周边的变形，因此在方案选择时需要优先考虑这一因素。这些结果为需要在施工工期和环境扰动之间取得平衡的相邻竖井开挖提供了实践指导。

**1. 引言**
随着城市的快速发展，利用地下空间已成为缓解空间短缺问题和提高土地使用效率的关键（Wang等人，2024a，2024b；Liu等人，2024；Xu等人，2019；Wang等人，2024a，2024b）。地下空间的开发通常需要建造竖井。随着地下利用的加剧，密集的城市区域可能会出现多个相邻竖井的同时开挖。与单个竖井开挖相比，多个相邻竖井的施工在扰动控制方面更具挑战性，因此受到城市地下建设行业的关注。

大多数以往的研究都集中在单个竖井或基坑开挖的变形问题上。例如，Peck等人（1969）提出了减轻开挖相关风险和变形的策略。随着数值模拟技术的发展，Clough和Duncan（1971）等人开发了有限元方法（FEM）来模拟基坑开挖并预测变形结果。21世纪初，Dole?alová（2001）和Sharma等人（2001）等学者进一步推进了这一研究方向。近期，Chowdhury等人（2013）、Lu等人（2023）、Goh等人（2017）、Abdi和Ou（2022）等研究集中在开挖对相邻结构和环境的影响、风险评估、结构支撑系统的失效机制以及支撑力评估等方面。Chen等人（2016）、Zhang等人（2018a，2018b）、Ou等人（2020）、Liu等人（2024）、Peng等人（2024）和Wu等人（2024）研究了埋设管道、相邻隧道和建筑物对附近基坑开挖的响应，以及支撑（隔板）墙和桩的响应。Bovolenta和Brencich（2021）研究了深开挖和可变形挡土结构对相邻砌体建筑的影响。Zhang等人（2018a，2018b）、Li等人（2025）和Zeng等人（2025）研究了排水引起的土壤变形对相邻现有建筑、盾构隧道和开挖前挡土墙的影响。Shen等人（2023）开发了一种基于云模型的方法来评估开挖系统风险，使用多源数据和两阶段权重确定来评估风险。总体而言，这些研究主要关注了单个基坑开挖活动引起的扰动。

近年来，在密集的城市环境中出现了同时开挖两个或多个相邻竖井的复杂工程，这对岩土工程师提出了更高的技术挑战（Shi等人，2015；Xiao等人，2024）。例如，Zeng等人（2018）展示了上海双基坑开挖过程中观察到的侧壁位移和地面沉降情况，并讨论了变形模式；Tan等人（2023）研究了上海软土中四个紧密间隔的大型开挖之间的相互作用，量化了其对墙体变形和地表沉降的影响；Ju等人（2025）使用三维数值模型评估了基坑群不同开挖顺序对相邻地铁站变形的影响。对于岩土工程界来说，多个相邻竖井或基坑开挖相关的技术挑战主要集中在两个方面：（1）为了缩短施工工期，是否可以同时（重叠）错开开挖相邻竖井；（2）当相邻竖井同时开挖时，挡土结构的变形行为和地面扰动情况。然而，关于多个相邻竖井扰动特性的研究仍然很少，具有详细监测数据的案例也非常有限。因此，深入研究重叠开挖情景并结合案例分析具有重要意义。

为了填补现有知识的空白，本研究探讨了两个相邻竖井错开开挖策略的可行性，并旨在确定一个最佳的决策方案。本研究的核心创新点在于：（1）首次系统地研究两个相邻竖井的错开开挖策略，这是现有岩土研究中较少涉及的工程挑战；（2）进行三维数值模拟，全面比较多种错开开挖顺序的影响，从而克服了以往仅关注单一场景分析的局限性；（3）利用实际深开挖项目（涉及在城市区域建造两个相邻深竖井）的现场监测数据验证数值结果，明确相互影响规律和变形特征；（4）通过确定最适合控制变形和确保安全的开挖顺序，为工程实践提供实用的决策支持。

**2. 背景工程项目**
2.1. 项目信息
这两个相邻竖井位于中国上海的一个初期雨水调节和储存项目中。这两个竖井的整体现场条件如图1所示。较深的竖井是初期雨水泵站（IRPS）竖井，开挖深度为26.88米；较浅的竖井是进水门竖井（IGS），开挖深度为22.67米。两个竖井之间的距离仅为6.6米（见图1）。这两个竖井周围的环境非常敏感，对施工扰动的要求非常严格。在相邻竖井约10米处有两个大型混凝土雨水储存池（RSP 1和RSP 2，见图1），每个储水池都建在预制桩的基础上。RSP 1的桩长24.6米，间距2.6米×2.8米；RSP 2的桩长18.2米，间距2.9米×2.9米。在竖井开挖之前，建造了两排30米深的隔离桩以减少地面变形。IGS竖井南侧有几栋地表建筑物，最近的建筑物距离约15.4米，在整个开挖过程中也需要加以关注。

**2.2. 现场地质条件**
该项目位于上海典型的软土区域，揭露的土层包括第四纪全新世和上更新世海岸平原沉积物，包括平原填土（层代码①）、粉质粘土（层代码②）、泥质粘土（层代码③1）、泥质粘土（层代码④1）、粘土（层代码⑤1）、粉质粘土（层代码⑥1）、砂质淤泥（层代码⑦1）、粉质粘土（层代码⑧1）、细砂淤泥（层代码⑧2-1）、粉质粘土与砂质淤泥互层（层代码⑧2-2）以及砂质淤泥与粉质粘土互层（层代码⑧2-3）。各土层的岩土工程性质详见第3.2节。地下含水层较为丰富，稳定的地下水位平均深度约为地表以下1米。具有承压含水层的土层（⑦1、⑧2-1和⑧2-3）的地下水位稳定，深度为地表以下3米。

**2.3. 支撑设计和内部永久结构**
竖井的支撑结构包括挡土墙和内部支柱。两个竖井均采用厚度为1.2米、深度为51米的隔板墙（DW）作为挡土墙。在两个竖井的底部，分别建造了灌注桩和高压喷射灌浆桩，作为抗浮措施和底层加固（见图2）。IRPS和IGS都计划采用自上而下的顺层开挖方式进行施工。

**2.4. 计划施工程序**
在每个开挖步骤开始之前，需将竖井排水至最低开挖标高，以排除地下水和承压地下水，确保开挖区域干燥且安全，便于安装和施工支柱及基础底板。IRPS和IGS的竖井开挖及内部永久结构的施工细节见附录中的表A2。为确保安全，初步方案规定先开挖IRPS，待IRPS的内部永久结构完全完成后再进行IGS的开挖。

**2.5. 现场监测方案**
现场监测方案包括隔板墙（DW）的变形、地面沉降以及附近现有结构的监测。为了监测IRPS和IGS中地下墙（DWs）的侧向位移，共安装了14个预埋式倾斜仪管，每个管长51米（见图4），其中IRPS安装了8个管（LD1-1至LD1-8），IGS安装了6个管（LD2-1至LD2-6）。在建造支撑结构之前，会在附近的建筑物和地面上设置沉降监测点（分别用“SS”加上相应编号表示建筑物，用“GSS”加上相应编号表示地面），并在IRPS开挖开始前将它们的读数重置为零。如图4所示，每个竖井坑的边缘共设置了7排沉降监测点。

3. 三维数值建模和施工方案决策
根据最初的施工方案，IGS坑的挖掘计划仅在IRPS内部永久结构完全完成后才开始。这种“依次进行”的施工方案较为保守，因为与同时挖掘相比，可以更好地确保安全。然而，与IGS坑在IRPS内部永久结构未完全完成前就开始挖掘的情况相比，这种施工方法也需要更长的时间。此外，COVID-19大流行也导致了项目实施的延迟，因此需要加快施工进度并缩短预期的施工时间。具体来说，最具有挑战性的（或最大胆的）方案是IRPS和IGS同时开始挖掘，以实现最快的施工时间表；而最保守的方案是IGS仅在IRPS所有内部结构完成后才开始挖掘，这会导致最长的施工时间表；相比之下，另一种折中的方案是IGS在IRPS内部永久结构基本完成后开始挖掘，例如在底板浇筑之后。研究一个既能减少施工时间又能控制环境扰动的最佳施工方案是有意义的。

为了研究不同交错挖掘方案引起的变形模式并确定最优方案，使用Midas GTS NX软件开发了一个精细的三维数值模型。该模型模拟了两种交错挖掘情景下的土壤和结构变形：类型1涉及在深IRPS挖掘之前先挖掘浅IGS，采用“浅层优先”的方法，包含2种情景；而类型2则是指在深IRPS挖掘之前先挖掘浅IGS，遵循“深层优先”的原则，包含13种情景，详见表1和表2。该项目中相邻竖井坑的计划尺寸和相对位置表明，挖掘将表现出显著的三维空间特征。因此，选择三维数值模拟可以更准确地揭示挖掘造成的扰动。

3.1. 数值模型描述
为了消除边界效应，同时考虑计算负荷和效率因素，该三维模型的尺寸为长210米、宽200米、深62米，如图5(a)所示。模型底部边界设置在IRPS和IGS坑底大约3H的位置，其中H代表挖掘深度。模型内的计划竖井坑面积为41.8米×58.5米。RSP 1和RSP 2的外轮廓在模型中被定义为特征线，以观察其在挖掘过程中的变形行为。在这个模型中，忽略了RSP 1和RSP 2下方的恒载和桩基。

3.2. 输入模型参数
为了更好地适应软土的特性并反映有限物理-力学参数下的变形模式，对每个土层应用了修正莫尔-库仑（MMC）模型，而对每个结构构件应用了线性弹性模型。对于土层，MMC模型包括三个主要输入参数：膨胀计切线模量Eoedref、50%剪切模量E50ref和卸载/重新加载模量Eurref。参考《挖掘工程技术规范》（DG/TJ 08–61-2018）和相关文献（Wang等人，2012年；Wang等人，2013年；Gu等人，2021年），本数值研究中使用的土层模量如下确定：对于黏性土，选择标准为Eoedref=0.9×Es0.1-0.2，E50ref=1.2×Eoedref，Eurref=7×Eoedref；对于砂土，Eoedref=Es0.1-0.2，E50ref=Eoedref，Eurref=4×Eoedref。详细的模量值列在表3中。此外，MMC模型还包括其他参数，如有效应力参数、破坏比和膨胀角，详细信息见表4。

为了提高计算效率，IRPS中的格构柱在模型中被省略了，从而导致结果较为保守。

为了模拟坑开挖过程以及坑内的永久结构，图5展示了数值模型的全局视图、开挖细节、坑内的永久结构以及用于地面沉降分析的模型网格节点。图5(d)中定义了五个模型网格节点MP A、MP B、MP C、MP D和MP E，其中三个（MP A、MP B和MP C）对应于现场的地面沉降监测点。具体来说，MP A对应于监测点GSS1-3，MP B对应于GSS3-2，MP C对应于GSS3-3；其余两个节点（MP D和MP E）是用于额外结果分析的额外提取的模型网格节点。此外，还定义了四个模型网格节点P1、P2（即MP A）、P3和P4，以显示两个坑之间地面的沉降情况，如图5(e)所示。

为了更好地模拟不同交错挖掘方案引起的变形模式并确定最佳方案，使用Midas GTS NX软件开发了一个精细的三维数值模型。该模型模拟了两种交错挖掘情景下的土壤和结构变形：类型1是在深IRPS挖掘之前先挖掘浅IGS，采用“浅层优先”的方法，包含2种情景；类型2是在深IRPS挖掘之前先挖掘浅IGS，遵循“深层优先”的原则，包含13种情景，详见表1和表2。如表5所示，三个位置LD1-4、LD2-5和MP A的SD/MV值超过了20%，表明它们的变形对挖掘计划的敏感性较高，而所有其他位置的SD/MV值均低于20%。值得注意的是，这三个SD/MV值超过20%的位置都位于两个坑洞之间或其附近区域。

表5. 数值模拟结果的统计数据。
- 点位 - 最大值（mm） - 最小值（mm） - MV（mm） - SD（mm） - SD/MV
- LD1-2 - 87.3 - 46.2 - 77.4 - 12.5 - 16.18%
- LD1-4 - 72.8 - 12.5 - 59.16 - 19.16 - 32.39%
- LD1-6 - 86.7 - 45.28 - 76.78 - 12.66 - 16.49%
- LD1-8 - 112.5 - 56.85 - 99.94 - 17.64 - 17.65%
- LD2-2 - 94.3 - 51.92 - 83.70 - 13.88 - 16.58%
- LD2-5 - 49.48 - 16.79 - 37.97 - 8.95 - 23.56%
- SS - 95 - 33.4 - 42.4 - 50.6 - 3.23 - 6.37%
- SS1 - 66 - 44.3 - 43.96 - 59.68 - 6.29 - 10.54%
- SS2 - 66 - 66.6 - 45.38 - 61.58 - 6.52 - 10.58%
- SS4 - 63.2 - 42.88 - 58.30 - 6.23 - 10.68%
- SS4 - 47.97 - 36.74 - 46.05 - 3.66 - 7.95%
- MP A - 50.25 - 18.36 - 35.39 - 8.35 - 23.60%
- MP B - 54.82 - 45.23 - 52.28 - 3.10 - 5.93%
- MP C - 80.29 - 51.45 - 73.75 - 9.22 - 12.51%
- MP D - 52.00 - 37.72 - 47.67 - 4.08 - 8.57%
- MP E - 89.23 - 50.53 - 80.76 - 12.12 - 15.01%

总体而言，靠近两个坑洞之间的位置显示出更高的SD/MV值，因此具有更大的敏感性。然而，也有一些显著的例外。例如，SS49虽然位于这些坑洞之间，但其SD/MV值仅为7.95%，低于SS19、SS20和SS48的10%以上。这表明，某个位置的SD/MV比率所反映的敏感性不仅取决于其距离坑洞之间的区域，还取决于局部边界条件，例如该点是否位于挖掘角落或中间墙体区域，在这些地方，空间约束的差异会显著影响变形响应。

两个坑洞之间的区域对挖掘方案的敏感性较高，因此更加值得关注。双坑的中央轴向截面是一个能够有效反映双坑挖掘影响的典型截面，相应的地面沉降也是具有代表性的（图5(e)中的P1、P2（即MP A）、P3和P4）。从图8可以看出，在两个坑洞之间的区域形成了一个典型的沉降凹槽。在列出的方案中，方案02造成的沉降最小，而方案03造成的沉降最大，其他方案的沉降介于这两个极端之间。

在决策最佳挖掘方案时，应综合考虑竖井坑的结构完整性和环境扰动。根据数值模拟结果，可以得出以下观察：
(1) 如图7(a)所示，在首先挖掘IGS的方案中，DWs的最大侧向位移较小。对于LD1-2，当首先进行浅层IGS挖掘时，平均位移约为47毫米；而当首先进行深层IRPS挖掘时，平均位移为80毫米。此外，在方案01和02中（IGS挖掘在IRPS之前开始），DWs的位置是相同的；而在方案03到15中（IRPS挖掘在IGS之前开始），位移显示出更明显的变化。
(2) 图7(b)显示了最大结构沉降的类似趋势，即当首先进行浅层IGS挖掘时，沉降水平较小。例如，在SS48，当首先进行浅层IGS挖掘时，平均值为42.88毫米；而当首先进行深层IRPS挖掘时，平均值为60.68毫米。同样，在方案01和02中，沉降是相同的；而在方案03到15中，沉降显示出更明显的变化。图7(c)中也观察到了类似的最大地面沉降模式。

基于上述模拟分析，本项目中的最佳时间错开挖掘方案被确定为方案02，即在完成WS2-06后立即开始IRPS挖掘，这对应于从第6个支柱到基础板的挖掘以及IGS中基础板的建设。尽管数值模拟表明方案02导致的变形响应最小，但实际上并未采用这一方案。由于IRPS竖井内的设备和装修安装属于项目的关键路径，因此选择首先挖掘IRPS坑洞以缩短总施工时间。因此，考虑到时间约束，方案07显示出最小的整体变形，因此被采纳为最佳施工计划，即将在完成WS1-04后立即开始IGS挖掘，这对应于从第4个支柱到第5个支柱的挖掘以及IRPS中第5个支柱的建设。

4. 相邻坑洞挖掘的现场监测结果
尽管方案07被确定为最佳的时间错开挖掘方案，但由于COVID-19大流行的影响，无法按照方案07进行IGS坑洞的挖掘。实际上，IGS坑洞的挖掘不得不推迟，直到IRPS坑洞的内部结构（包括中间板）完成，这对应于表1中的方案11。附录中的表A3、表A4和表A5提供了两个相邻坑洞的施工程序，而图A1展示了施工顺序。

4.1. DWs的侧向位移
4.1.1. IRPS竖井坑洞的DWs
讨论了IRPS中DWs的观测侧向位移。监测点可以分为两组：一组位于IRPS每个边缘的中间位置，详细信息见图9；另一组不位于中间位置，见图10。不幸的是，在施工过程中，部分倾斜仪管的底部部分被堵塞，因此数据不可用。为了便于理解，使用红色线条绘制了完成IRPS基础板（WS1-06）阶段的位移曲线。

4.1.2. IGS竖井坑洞的DWs
图13说明了IGS中DWs的观测侧向位移。为了便于理解，使用红色线条绘制了完成IGS基础板（WS2-06）阶段的位移曲线。监测结果显示出典型的空间变化特征，最大侧向位移出现在坑洞的长边，而在短边处的位移值较低。值得注意的是，在LD1-3和LD1-4处观察到异常情况，LD1-3的最大侧向位移为85.31毫米，接近LD1-4的84.16毫米，这可能是由于DW的局部缺陷所致。在所有监测点中，LD1-8和LD1-7的最大侧向位移最大，分别为103.72毫米和95.04毫米。这两个点都位于IRPS的北部，远离IGS。相反，LD1-4和LD1-1的最大侧向位移最小，分别为84.16毫米和82.18毫米。对于位于IRPS西部和东部的LD1-2和LD1-6，最大侧向位移具有高度对称性，差异小于5毫米。

从时间分布来看，所有监测点的侧向位移值在挖掘过程中随时间增加。值得注意的是，侧向位移主要发生在基础板施工之前。例如，在基础板施工或WS1-06阶段，例如LD1-08处的最大侧向位移已经达到91.40毫米。到了WS1-16阶段的最终监测时，LD1-08处的最大侧向位移值为103.72毫米，这表明在基础板完成后，侧向位移的增加变得不明显。

为了更好地理解IRPS中DWs的行为，图11展示了最大侧向位移随施工时间的演变历史。从WS1-01阶段到WS1-07阶段（标志着IRPS中第6个支柱的拆除），观测到的最大侧向位移与施工时间之间存在高度线性相关。在WS1-07阶段之后，增长趋势突然停止。在所有绘制的监测点中，超过80%的总位移（IRPS中DWs的最终观测阶段）发生在WS1-06阶段（基础板完成阶段）之前；而在WS1-07阶段（第6个支柱拆除）之前，发生了90%的位移。因此，大部分地面扰动发生在挖掘过程中，而内部结构的施工对地面的影响相对较小。

此外，如图12中的位移图所示，最大侧向位移的特征深度随着挖掘的进行而向下移动。在挖掘过程中，特征深度（最大侧向位移）与挖掘深度的比率通常会减小，特别是在标记为③1和④1的泥泞土层中，这种减小更为明显。之后，当挖掘深度超过15米时，该比率稳定在0.8到1.1之间。上述现象的原因主要归结为两个方面：首先，IRPS的第一个支柱限制了DWs的顶部分位移；其次是坑洞内的浅层软泥土层和未处理的被动土层对墙体提供了水平约束；第三，较深的相对坚硬的非泥土层以及坑底的水泥-土处理对墙体向内的移动提供了更大的约束。

4.2. IGS竖井坑洞的DWs
图13展示了IGS中DWs的观测侧向位移。为了便于理解，使用红色线条绘制了完成IGS基础板（WS2-06）阶段的位移曲线。监测结果显示出典型的空间变化特征，最大侧向位移出现在坑洞的长边，而在短边处的值较低。在这些监测点中，LD2-2处的最大侧向位移最大，为75.29毫米。对于位于坑洞短边的LD2-3和LD2-6，侧向位移曲线具有良好对称性，差异小于2毫米。值得注意的是，两个长边（LD2-4和LD2-5，靠近IRPS坑洞）的位移明显不对称，这可能是由于之前挖掘的IRPS坑洞的影响，其中预先建造的DWs，尤其是IRPS坑洞的南部DWs，起到了挡土结构的作用，减轻了地面变形；此外，（较早挖掘的）IRPS坑洞的施工已经引发了朝向IRPS坑洞的初始变形模式，这种预触发位移补偿了IGS坑洞挖掘期间北部边缘的后续变形。因此，DWs变形的空间变化与双坑挖掘的相互影响密切相关，这将在第5.1节中进一步讨论。

从时间特性来看，侧向位移主要发生在基础板完成之前，之后侧向位移的增加显著减少。例如，在基础板施工（WS2-06阶段），例如LD2-2处的最大侧向位移已经达到65.75毫米，占最终WS2-14阶段观测到的总位移75.29毫米的约87.33%；LD2-5的类似比例为86.72%。对于短边，LD2-3的比例为67.49%，LD2-6的比例为73.92%。为了更好地理解IGS中DWs位移的时间演变，图14展示了施工阶段与最大侧向位移之间的关系。可以看出，从WS2-01阶段到WS2-06阶段（标志着IGS中板的浇筑），最大侧向位移与施工时间之间存在高度线性相关。在WS2-07阶段之后，增长趋势逐渐停止，位移达到收敛。

此外，在IGS坑洞中，最大侧向位移的特征深度也随着挖掘的进行而向下移动，特征深度与挖掘深度的比率通常会减小，如图12所示。然而，特征深度的演变规律与IRPS中的观察结果有所不同。当挖掘深度增加时，该比率并没有逐渐趋于1.0，而是在0.7到1.2的范围内变化。在IGS北部区域的LD2-4和LD2-5处观察到了最大的位移比，而在位于短边的LD2-03和LD2-06处观察到了最小的位移比。这些差异可能是多方面的，但主要可以归因于之前的IRPS坑洞建设对周围环境的空间影响、地质条件以及内部支撑结构的类型。下载：下载高分辨率图片（210KB）下载：下载全尺寸图片图15. IGS中的观测到的侧向位移。4.2. 周围结构的沉降图16展示了周围地表结构的沉降情况。在RSP 1中，靠近IRPS坑洞东边的SS20-1和SS20受到挖掘的影响最为显著。从WS1-04开始，随着第五根支撑结构的施工和挖掘深度达到19.65米，SS20-1和SS20出现了明显的沉降。此外，在RSP 2中，靠近IRPS西边的SS48和SS48-1也受到了较明显的挖掘影响。从WS1-04开始（即第五根支撑结构的施工），SS48和SS48-1也出现了沉降。下载：下载高分辨率图片（1021KB）下载：下载全尺寸图片图16. 挖掘和浇筑过程中周围结构的沉降情况。对于位于场地南部的建筑物，距离IGS仅15.4米的SS31和SS32，由于挖掘作用而产生了更明显的沉降。从WS1-13开始，SS31、SS32、SS33和SS34都出现了明显的沉降，并持续到WS2-03。在此期间，从第三根支撑结构到第四根支撑结构的挖掘工作完成，IGS坑洞内的挖掘深度达到了13.57米。从图16中可以看出，南部建筑物的沉降开始时间明显晚于RSP 1和RSP 2中的建筑物。表6显示了各建筑物到最近竖井坑的距离、对应于沉降发生的作业步骤以及最近竖井坑的挖掘深度。可以看出，有隔离桩和没有隔离桩时D/H的值存在显著差异。受隔离桩影响的RSP 1和RSP 2中的D/H值约为0.5，而Building-2中的D/H值超过了1.0。此外，尽管相应的挖掘深度相对较小，但Building-2中测量的最大沉降并不小于RSP 1和RSP 2中的沉降，这清楚地证明了隔离桩的显著隔震效果。表6. 周围结构的沉降比较。结构清晰距离D（m）对应作业步骤挖掘深度H（m）D/H有无隔离桩RSP 1（SS20-1）10.4WS1-0419.650.529是RSP 2（SS48-1）9.5WS1-0419.650.483是Building-2（SS31）15.4WS2-0313.571.135否4.3. 地表沉降图17展示了挖掘过程中观测到的地表沉降情况。所有的监测点从GSS1-1到GSS7-5都在图4中有详细说明。在IGS挖掘之前，GSS1-1到GSS1-5的读数被调整为零参考值。从空间上看，最大的地表沉降发生在位于坑洞北侧的GSS3-3，在IRPS的挖掘和结构施工过程中的WS2-06阶段达到了72.08毫米（见图17(a)）。同时，最小地表沉降发生在位于坑洞南侧的GSS1-1，在同一阶段约为32.30毫米。西侧的地表沉降介于这两个位置之间。地表沉降的差异可以归因于相应部分的支撑结构配置。IGS坑洞南侧的DWs以及东西两侧的隔离桩有助于减少附近地表的沉降。下载：下载高分辨率图片（774KB）下载：下载全尺寸图片图17. 施工过程中的地表沉降情况。对于IGS的挖掘和结构施工，GSS5-1和GSS6-1的监测结果似乎不可靠（见图17(b)）。实际上，IGS的南侧和东侧通常用作重型车辆通行道路和起重机作业区域，因此监测点GSS5-1和GSS6-1受到了显著干扰。在监测点GSS5-2、GSS5-3、GSS6-3和GSS6-5，除了起重机作业和重型运输的干扰外，也发生了明显的地表沉降。监测结果显示出明显的空间差异：IGS南侧的地表沉降最大，达到GSS5-3的36.79毫米，而东侧的最小，达到GSS6-3的8.82毫米。从时间上看，在IRPS的挖掘和结构施工过程中，从WS1-07阶段开始（即基底板混凝土浇筑后第六根支撑结构的拆除），地表沉降明显增加。之后，IRPS内部结构的施工进一步引发了沉降趋势的下降，因为沉降曲线的斜率在WS1-07阶段之后显著减小。值得注意的是，从WS1-07到WS2-11期间，唯一的施工活动是IRPS内部结构的建设，拆除每一根支撑结构（如从WS1-06到WS1-07，以及从WS1-08到WS1-09）会导致显著的局部沉降事件，曲线图上有所显示。在IGS的挖掘和结构施工过程中，监测结果显示出相似的特征，但也存在一些差异。最显著的地表沉降增加发生在WS2-00到WS2-07之间，排除了某些异常数据点。值得注意的是，从WS2-07到WS2-12期间，唯一的施工活动是IGS内部结构的建设，拆除每一根支撑结构（如从WS2-06到WS2-07，以及从WS2-08到WS2-09）也会导致显著的局部沉降事件，曲线图上有所显示。相比之下，在内部结构施工期间，曲线几乎呈水平状态，表明对地表沉降的影响较小。需要注意的是，IRPS和IGS坑洞之间的距离非常小，主要用于工作区和车辆通行，现场无法根据数值模拟中提取的网格点（图5中的P1到P4，垂直于坑洞边缘）来布置沉降监测点。作为一种替代方案，一组地表沉降监测点沿着坑洞边缘的方向布置，即图17(a)中的GSS1-1到GSS1-5。图18展示了这些点在整个施工过程中监测到的地表沉降变化情况。从图18可以看出，在GSS1-1到GSS1-5的剖面上，IRPS坑洞的挖掘引起了相对均匀的沉降。然而，当IGS坑洞的挖掘开始时，特别是在WS2-03阶段之后（从第三根支撑结构到第四根支撑结构的挖掘以及第四根支撑结构的施工），出现了明显的沉降低谷，中间点的最大沉降达到了44毫米。这表明后续的IGS坑洞挖掘在该监测剖面上引起了不均匀的地表沉降。值得注意的是，在IGS基底板施工完成后（WS2-07），施工干扰的影响减小了，因为沉降低谷没有显著变化。这与第4.1节中确定的DWs的侧向位移变化模式和周围结构的沉降变形一致。下载：下载高分辨率图片（332KB）下载：下载全尺寸图片图18. 挖掘过程中GSS1-1到GSS1-5的地表沉降观测值。5. 对比、验证和讨论现场监测结果进一步与数值模拟结果进行了比较，以验证数值模型的准确性。最终的建设方案对应于第3节中最佳决策方案中的情景11，其中WS1-09和WS1-10（IRPS坑洞）以及WS2-01（IGS坑洞）的作业步骤同时开始。情景11中的详细模拟步骤从SS11-01到SS11-20在附录A5中有详细说明。5.1. 监测结果与模拟结果的比较如前所述，SS11-08（IRPS基底板的完成）、SS11-15（IGS基底板的完成）和SS11-20（全面施工的完成）是最具代表性的模拟步骤。根据之前的现场监测分析，IRPS周围监测点的位移较大，特别是在北侧，其中LD1-8、GSS3-1到GSS3-5所在的位置。基于此，对比了IRPS坑洞周围的监测数据和模拟结果。5.1.1. DWs的侧向位移图19详细展示了模拟结果和监测结果之间的比较。总体来说，数值模拟结果显示的变形模式与监测结果一致，如表7中所详细说明。在IRPS中，模拟和监测的最大侧向位移之间的相对偏差在LD1-2、LD1-4和LD1-6的情景SS11-08中在5%以内，在LD1-8的情景SS11-15中也在5%以内。对于大多数其他监测点，偏差保持在20%以内。相比之下，IGS坑洞中的偏差更为明显：例如，在情景SS9-15中，LD2-2和LD2-5的相对偏差分别为29.95%和53.90%，表明模拟和现场测量之间存在显著差异。这些差异的原因可以归结为两个方面：首先，数值模拟没有考虑时间依赖性效应引起的土壤蠕变；其次，IGS中的钢支撑结构采用了无腋板的设计，因此它们的实际刚度显著低于数值模型的刚度。尽管存在差异，数值模拟结果与现场监测数据之间的整体一致性被认为是令人满意的。这些发现从而支持了数值模拟结果在评估各种施工场景中的环境干扰和决策方面的有效性。下载：下载高分辨率图片（959KB）下载：下载全尺寸图片图19. DW侧向位移的模拟和监测结果比较。表7. 最大侧向位移的模拟和监测结果（单位：毫米）。位置SS11-08SS11-15模拟监测偏差率*模拟监测偏差率*LD1-276.6074.63?2.64%77.8590.2113.70%LD1-466.2368.953.94%65.6684.1621.98%LD1-676.1177.491.78%77.3090.9915.05%LD1-897.9091.40?7.12%100.87103.722.75%LD2-2///46.0665.7529.95%LD2-5///18.7540.6753.90%* 偏差率 = (监测值 ? 模拟值) / 监测值 × 100%。如第4.1节所讨论的，观察到的最大侧向位移的增加趋势在WS1-06阶段（或SS11-08步骤）之后停止，如图11所示。这一现象在模拟结果中更为明显。例如，在SS11-08和SS11-15之间，LD1-8的最大侧向位移在模拟结果中增加了2.96毫米，而在监测结果中增加了12.32毫米。此外，监测结果通常显示的最大侧向位移深度大于模拟结果。例如，在SS11-08中，LD1-4的特征深度为27.5米，而在模拟结果中为21.63米。这种差异可以归因于数值模型中没有考虑其他复杂因素，例如土壤蠕变和实际挖掘过程中的可变附加荷载。5.1.2. 周围结构和地表的沉降图20展示了模拟结果和监测数据之间的比较。从图20(a)可以看出，监测到的沉降通常小于模拟模型预测的沉降，大多数平均偏差约为21毫米。这些偏差的原因可能是由于RSP 1和RSP 2的桩- shaft基础在数值模型中被简化忽略了，从而低估了基础的刚度。下载：下载高分辨率图片（658KB）下载：下载全尺寸图片图20. 周围结构和地表沉降的模拟结果与监测数据的比较。对于地表沉降，数值模拟结果和监测数据都表明沉降随时间增加。此外，如图20(b)所示，数值模拟和监测数据集中的数据点的相对大小是一致的。然而，模拟结果通常比监测结果更大。例如，在SS11-06中，模拟点MP B和监测点GSS3-2的监测沉降为26.26毫米，而模拟沉降为36.71毫米，导致10.45毫米的差异。此外，数值模拟结果显示，在SS11-08之后，地表沉降的发展速率显著下降。然而，监测结果并没有遵循这一模式，而是保持了一个逐渐增加的沉降速率。这种差异可以归因于改进的Mohr-Coulomb模型无法充分考虑时间因素，从而导致其无法准确模拟土壤的蠕变行为。尽管存在这些限制，模拟和监测结果在最终施工步骤中仍然显示出良好的一致性，尤其是在受施工干扰较小的监测点，例如MP A和GSS1-3以及MP C和GSS3-3。值得注意的是，在GSS1-3的SS11-14处观察到的突然变化是由于临时施工超载造成的。在MP A和GSS1-3的SS11-13以及MP C和GSS3-3的SS11-14处，模拟结果与监测结果之间的差距分别为-10.18%和-1.33%。总之，数值模拟显示出足够的准确性，可以反馈施工安全控制情况。

5.2. 讨论与局限性
5.2.1. 双轴和单轴坑道施工的变形特性比较
比较单轴和双轴施工的变形特性是有意义的。对于位于软土地基中的矩形或圆形单轴坑道，挖掘引起的挡土墙和地表沉降的变形往往是空间对称的（Wu等，2025年），这一结论得到了现场监测数据和众多实际工程案例的数值模拟结果的支持（Liu等，2025年；Ge等，2024年）。然而，相邻双轴坑道的挖掘通常会表现出不对称的变形模式，特别是在两个坑道之间的区域。通常，在双轴坑道项目中，两个坑道的挡土墙是在同一阶段建造的，就像本案例一样。主要区别体现在以下几个方面：
(1) 后建坑道对前建坑道的影响
在双轴坑道施工中，后建坑道（例如图21中的DW1和DW2）现有的挡土隔板墙通常会起到维持地基稳定的作用，从而限制了前建坑道挡土墙的侧向位移，这种影响在靠近后建坑道的边缘最为显著（见图21中的DW3），而在其他边缘的影响则较小（例如图21中的DW4）。因此，这导致前建坑道出现了空间上的不对称变形模式，如图21所示。数值模拟和现场监测都证实了这一点。如图6所示，模拟结果表明，面对后建IGS坑道的边缘（LD1-4）的最大侧向位移小于远离IGS坑道的边缘（LD1-8）；此外，在图9中，面对后建IGS坑道的边缘（LD1-4）的位移值显著较低（80毫米），而远离IGS坑道的相反边缘（LD1-8）的位移值为104毫米，LD1-3和LD1-7的情况也类似。总之，前建坑道在后建坑道附近的变形得到了有效缓解。

5.2.2. 双轴坑道挖掘的最佳时间错开策略分析
数值模拟表明，对于相邻的双轴挖掘，从浅坑到深坑的顺序在挡土墙的最大侧向位移、最大结构沉降和最大地表沉降方面产生的干扰最小。尽管完全同时挖掘在每个指标上并不产生最高值，但它导致的综合响应最为不利，因此被认为是最不可接受的选择。在工程实践中，更普遍采用的原则是先挖掘深坑再挖掘浅坑。然而，本研究的模拟结果表明，传统的“深坑先于浅坑”的顺序并不一定能最小化环境干扰。相反，“浅坑先于深坑”的顺序可以减少挖掘坑道和周围地面的变形。不幸的是，这个项目在开始时排除了“浅坑先于深坑”的顺序，优化仅限于传统“深坑先于浅坑”方法的变体。在这些方案中，数值模拟和现场监测都证实，在深坑仍在施工时开始挖掘浅坑的技术上是可行的。这种方法显著缩短了施工时间，同时有效控制了环境干扰，确保了工程安全，为涉及相邻双轴坑道且时间紧迫、位于环境敏感区域的挖掘项目提供了宝贵的指导。

6. 结论
本研究考察了采用重叠时间错开挖掘策略的技术可行性，并阐明了两个相邻坑道在敏感城市区域内的相互影响规律和变形特性。以一个初期雨水调节和储存项目为例进行了研究。研究首先使用精细的3D数值模型揭示了变形特性，并确定了一种最小化变形的最佳方法。随后，通过对一个案例项目的现场监测进行了分析，以验证数值模拟的结果。主要结论如下：
(1) 数值模拟结果表明，采用“浅坑先于深坑”的顺序挖掘相邻的双轴坑道产生的变形较小，而同时挖掘两个坑道则会导致所有考虑策略中最大的综合变形。
(2) 数值建模和现场监测都证实，在敏感的城市环境中，相邻双轴坑道的错开挖掘顺序在技术上是可行的。只要结构设计提供了足够的安全系数，这种挖掘策略可以显著缩短总体工期，同时确保坑道及其周围环境的变形保持在规定的范围内。
(3) 相互影响规律可以解释如下：一方面，后建（较晚挖掘的）坑道现有的挡土隔板墙起到了维持地基稳定的作用，有利于缓解前建（较早挖掘的）坑道附近的变形；另一方面，前建坑道的施工在前建坑道的浅层区域引入了初始变形模式，进一步导致了不对称的变形模式。
(4) 大部分的变形发生在挖掘阶段，直到深坑（首先挖掘的）和浅坑（较晚挖掘的）的基础板完成。虽然浅坑（较晚挖掘的）的挖掘时间对整体变形影响不大，但在两个相邻坑道之间的区域及其附近，这种时间选择对变形非常敏感。因此，在方案选择过程中，这些区域需要优先监测和保护。

红色引用作者贡献声明
张晓：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿，可视化，验证，调查，形式分析，数据整理。
张雪辉：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿，监督，方法论，概念化。