地鐵隧道上方長距離并行基坑開挖的施工影響及變形控制*

龍宏德劉俊景王定軍 張 建王尉行 徐前衛(wèi)

（1.深圳市地鐵集團有限公司，518026，深圳；2.中鐵二局第五工程有限公司，610091，成都；3.同濟大學交通運輸工程學院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，高級工程師）

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市地下空間開發(fā)規(guī)模的日益增大，出現(xiàn)了越來越多在既有地鐵隧道上方進行基坑開挖的工程案例，基坑與地鐵距離也越來越近。基坑開挖相當于土體卸荷，卸荷對下臥地鐵隧道的影響分為兩個方面：土體卸荷能引起基坑下方地層回彈變形；基坑兩側土體擠壓圍護結構引起下臥地鐵隧道變形，兩者相互作用［1］。因此，如何采取有效措施控制隧道的變形，已經(jīng)成為眾多專家學者研究的熱點課題。文獻［2-12］的研究對于隧道上方基坑開挖的施工影響和變形控制具有很好的指導作用，但是涉及到的基坑與隧道在空間上重疊或相交的范圍相對有限，隨著地鐵網(wǎng)絡的日益完善和建設規(guī)模的不斷擴大，在施工中逐漸會遇到基坑與下臥隧道大規(guī)模、長距離交疊的現(xiàn)象，而目前在這方面較為系統(tǒng)的研究尚不多見。本文結合深圳市桂廟路快速化改造工程，針對超長基坑與下臥地鐵隧道長距離并行交疊這一難題，采用有限元軟件分析了基坑施工對下臥地鐵隧道結構受力和變形的影響，在此基礎上提出了分層、分段、分時開挖及控制開挖長度等措施，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了這些措施安全有效，有效控制了地鐵隧道區(qū)間的豎向變形和水平位移，保證了施工安全。

1 工程概況與難點

1.1 工程背景

深圳市桂廟路快速化改造工程西起規(guī)劃振海路，止于后海濱路，全長約4.9 km，其中與已建的地鐵11號線并行共線的前海段全長580 m，起點樁號K1+040、終點樁號K1+620，全部采用明挖基坑法施工。桂廟路下沉段與地鐵11號線關系如圖1所示，其中地鐵11號線左線在桂廟路下沉式隧道里程K1+200處開始逐步進入開挖基坑正下方。桂廟路下沉段隧道主體結構分為閉合框架和U型槽兩種結構形式，其中K1+040—K1+410段采用閉合框架結構，K1+410—K1+620段采用U型槽結構。

閉合框架段、U型槽段的寬度均為38.2 m，基坑圍護采用懸臂式支護樁+放坡開挖的方式。圍護結構選用φ100 cm@110 cm鉆孔灌注樁+φ600 mm高壓旋噴樁+樁間掛網(wǎng)噴混，樁頂設冠梁，放坡坡率為1∶1.75，坡面采用掛網(wǎng)噴混防護?？觾?nèi)采用大口徑管井進行降水，橫向設置兩排，縱向間距15 m。下臥地鐵11號線盾構隧道的直徑6.6 m、襯砌厚度0.3 m、混凝土強度等級C30。

圖1 桂廟路下沉段與地鐵11號線平面位置關系圖

1.2 主體結構設計

桂廟路下沉段隧道主體結構采用雙孔閉合框架結構。如圖2所示，結構內(nèi)輪廓凈寬17.55 m、凈高7.9 m，結構全寬38.2 m、全高10.5 m。

圖2 桂廟路下沉段閉合框架橫斷面圖

桂廟路主線下沉段起點端開口段采用“U”型槽路塹結構，結構凈寬36 m，如圖3所示。結構主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構、C35防水混凝土（補償收縮）。

圖3 桂廟路下沉段U型槽橫斷面圖

1.3 基礎處理設計

根據(jù)現(xiàn)況地勘資料，本工程在主路樁號K1+040至K1+620段采用旋噴樁加固地層。加固范圍為底板38.2 m寬度內(nèi)，旋噴樁布置在底板以下，設計樁徑600 mm，樁頂高程為結構底高程，樁底高程為地鐵隧道結構以下2 m，樁長從17.76～21.21 m。

1.4 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，前海段場地范圍內(nèi)地質(zhì)條件較為復雜。地層自上而下依次為人工填土；黏土，以可塑狀為主，干強度高，韌性高，局部含砂；粗砂，局部以黏性土為主,飽和,主要呈松散—稍密狀態(tài)，局部中密，級配良好，分選性差；砂質(zhì)黏性土由下伏混合花崗巖風化殘積而成，原巖結構可辨，干強度中等，韌性高。圖4為K1+440斷面處工程地質(zhì)剖面圖。

圖4 K1+440斷面工程地質(zhì)剖面圖

勘察區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，隸屬珠江三角洲入?？谒?。地表水主要為海水、河流及少量池塘水、溝渠水。地下水類型主要有第四系松散層中的上層滯水、孔隙潛水兩種，地下水位埋深在2～8 m左右。

1.5 工程難點

振海路明挖基坑位于地鐵區(qū)間正上方，基坑施工存在距離近、卸載量大等特點，并且在基坑施工的加卸載過程中，地鐵隧道附近土體應力場以及位移場均會發(fā)生相應的變化，可能會導致地鐵隧道局部的、短期的不均勻沉降，甚至導致隧道結構或者接頭部位因變形過大而破壞，進而引發(fā)滲漏水和涌砂、涌泥現(xiàn)象，從而影響地鐵使用壽命和運營安全。加之本工程在地處深圳市前海，現(xiàn)狀地貌為填海造地形成，自然沉降時間短，地層包含大量的生活垃圾、建筑垃圾、流塑狀淤泥及不規(guī)律分布的淤泥包，在這種地質(zhì)條件下，長距離（共線段長440 m）、近距（最近9.1 m）并行上跨既有線的情況幾乎未曾有過，可供借鑒的施工方法不多。

此外，在工程施工過程中，因為工期緊的緣故，需要對K1+410—K1+550的U形槽采取一次性開挖。隨基坑開挖里程的增大，在水平方向上，左線地鐵隧道距離基坑中心線越來越近，由8.1 m減小到3.6 m；在豎直方向上，基坑開挖深度離地鐵隧道埋深逐漸減少，地鐵隧道距基坑底板的距離保持由10 m增大到15 m。因此，為確保地鐵隧道施工期及運營期安全，結合現(xiàn)場實際施工狀況，針對該明挖區(qū)間與地鐵隧道的特定關系，需要對基坑施工對下臥地鐵隧道結構受力和變形的影響進行分析。

2 基坑開挖對下臥地鐵隧道影響分析

2.1 計算模型

U型槽開挖深度較閉合框架小，但地鐵隧道與基坑底部的豎直距離依然較小。根據(jù)現(xiàn)場施工需要，選擇U型槽K1+410—K1+550段進行模擬，建立三維計算模型，如圖5所示。計算模型沿隧道縱向取140 m，沿隧道橫斷面方向取80 m，豎向高度最大為46 m；除底面全部約束外，其余側面均施加法向約束。

圖5 U型槽K1+410—K1+550區(qū)段三維計算模型

基坑主體結構，地鐵隧道襯砌及加固地層采用線彈性模型，地基土采用Mohr-Coulomb模型。鉆孔灌注樁彈性模量25 000 MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2；地鐵隧道襯砌彈性模量30 000 MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2；旋噴樁加固地層彈性模量10 000 MPa，重度22 kN/m3，泊松比 0.25。各土層的物理力學參數(shù)詳見表1。

表1 地層的物理力學參數(shù)

2.2 模擬工況

按原設計要求，K1+410—K1+550段在基坑開挖前首先進行地層加固，然后再放坡開挖；放坡開挖結束后，施作基坑圍護用鉆孔灌注樁；之后進行基坑內(nèi)土方開挖，基坑開挖過程中同時進行底板施工；最后，進行框架結構施工。因此，本次數(shù)值模擬計算主要分為3個階段：①坑頂放坡開挖；②基坑開挖和底板施工；③U型框架結構施工。

K1+410—K1+550段基坑在放坡開挖時，由于現(xiàn)場施工需要，先對坑頂右側進行一次性放坡開挖，縱向開挖長度140 m，然后以每段縱向長度20 m分段開挖左側放坡地層。由于開挖土體的卸載量大，這勢必影響到下臥地鐵隧道的安全。有鑒于此，分別對4種不同的土方放坡開挖施工順序進行模擬：工況1是從中間向兩邊挖；工況2是從兩邊向中間挖；工況3是跳著挖；工況4是從小里程向大里程開挖。根據(jù)計算結果，從中優(yōu)選出合理的基坑放坡施工方案。

在前述已優(yōu)選的基坑放坡方案基礎上，再次優(yōu)化基坑內(nèi)部土方的合理開挖工序，從而減小開挖引起的卸荷效應。根據(jù)設計建議，基坑內(nèi)土方開挖分兩層進行，第一層開挖深度2 m，第二層開挖深度1.5 m，這里分別考慮6種不同的基坑開挖工況：工況5先一次性開挖第一層基坑，然后再一次性開挖第二層基坑，最后施工底板，此工況作為對比組。工況6先在基坑內(nèi)進行第一層土的開挖，即沿小里程到大里程縱向開挖60 m；再進行第二層土的開挖，沿小里程往大里程縱向開挖40 m；然后澆筑底板；并在底板完成后繼續(xù)開挖第一層土，開挖長度40 m，依次循環(huán)。工況7—10中，第一層、第二層基坑每次縱向開挖長度均為20 m，在前一段基坑的第二層土開挖完畢后澆筑底板，再開挖后一段基坑的第一層土，然后再依此循環(huán)。

2.3 結果分析

由圖1地鐵隧道與基坑的平面位置可知，左線隧道位于基坑正下方，其豎向隆起位移受基坑開挖卸荷影響較右線隧道大；K1+410段附近左線隧道離基坑底的豎直距離相對較小，其豎向位移受基坑開挖的影響較大，故后文研究隧道豎向位移時主要研究左線隧道K1+410段。

2.3.1 放坡開挖

K1+410—K1+550段地層加固后，一次性開挖右側放坡地層，地鐵隧道最大豎向位移1.52 mm。開挖左側放坡地層時工況1～工況4左線隧道K1+410段拱頂不同施工步累計豎向位移如圖6所示，放坡開挖順序?qū)λ淼雷畲筘Q向位移值影響不大，隧道最大豎向位移均小于7 mm。工況4是左側放坡地層沿小里程到大里程開挖，比其他工況更利于實際現(xiàn)場施工，所以實際施工中采用了工況4建議的先一次放坡開挖右側地層，再從小里程到大里程開挖左側地層，每次縱向開挖長度20 m。

圖6 不同工況下地鐵隧道拱頂豎向位移

2.3.2 基坑開挖

放坡開挖結束，開始進行鉆孔灌注樁的施工。若按照工況5進行施工，第一層基坑開挖結束后，地鐵隧道最大豎向位移8.46 mm；第二層基坑開挖結束后，地鐵隧道最大豎向位移10.34 mm；而灌筑底板結束后，隧道最大豎向位移則為8.39 mm。

工況6每一施工步對應的地鐵隧道最大豎向位移如圖7所示。由圖7可以看出，地鐵隧道最大豎向位移基本在8.4 mm左右。只有在第2步，即開挖K1+410—K1+450段第二層基坑后，K1+410—K1+435地鐵隧道豎向位移在拱頂達到最大值10.15 mm。工況6相比于工況5，地鐵隧道最大豎向位移較小，但均超過控制值10 mm，故不宜采用。

圖7 工況6各施工步地鐵隧道最大豎向位移

圖8給出了工況7施做底板后地鐵隧道豎向位移和水平位移云圖。由圖8 a）可以看出，最大豎向位移發(fā)生在K1+410段左線隧道拱頂附近，為8.1 mm，小于控制值10 mm；由圖8 b）可以看出，最大水平位移發(fā)生在K1+410段左線隧道拱腰拱底位置，為1.4 mm，小于控制值10 mm。工況7～工況10各施工步驟最大位移發(fā)生位置與圖6有類似的規(guī)律，故對左線地鐵隧道K1+410斷面拱頂進行豎向位移研究，并對左線地鐵隧道K1+410斷面拱頂與拱底的豎向位移差值進行豎向收斂變形研究。數(shù)值模擬的結果發(fā)現(xiàn)，基坑開挖對地鐵隧道水平變形的影響較小，各工況各施工步驟地鐵隧道水平位移均小于2 mm，故后文不進一步研究地鐵隧道水平變形。

圖8 工況7地鐵隧道豎向、水平位移云圖

工況7～工況10左線地鐵隧道K1+410斷面拱頂豎向位移如圖9所示。工況8～工況10中，最先開挖的是K1+410—K1+450段基坑內(nèi)的土層，當開挖第3步即開挖K1+410—K1+430基坑內(nèi)第二層土時，拱頂豎向位移達到整個開挖過程中的最大值9.42 mm；工況7先開挖中間段K1+470—K1+490，然后再往兩邊開挖，第18步開挖K1+410—K1+430基坑內(nèi)第二層土時，拱頂豎向位移達到最大值9.22 mm，如圖10所示。

圖9 不同工況下K1+410斷面地鐵隧道拱頂豎向位移

圖10 工況7第18步地鐵隧道豎向位移云圖

在工況7～工況10中，當基坑內(nèi)第1、2層土開挖時，相當于土體卸荷，故隧道上??；當澆筑底板時，相當于在土體上方施加附加荷載，故隧道上浮值減小。由此可見，工況7～工況10中基坑開挖引起的地鐵隧道豎向位移以上浮為主，在澆筑底板時會有所下降。地鐵隧道最大豎向位移均小于10 mm，這說明地鐵隧道變形在容許范圍內(nèi)。

基坑開挖時，地鐵隧道拱頂和拱底均向上隆起，若拱頂?shù)穆∑鹬荡笥谘龉暗穆∑鹬?，則隧道表現(xiàn)為擴張；若拱頂?shù)穆∑鹬敌∮谘龉暗穆∑鹬担瑒t隧道表現(xiàn)為收斂。工況7～工況10各施工步對應的左線隧道K1+410斷面豎向位移如圖11所示，其中正值表示管徑擴張，負值表示管徑縮小。由圖11可以看出，工況7～工況10各施工步隧道均表現(xiàn)為擴張，即拱頂豎向位移大于拱底豎向位移，且最大值不超過1.35 mm，在安全控制范圍之內(nèi)。

圖11 不同工況下K1+410斷面地鐵隧道拱底豎向位移

不同工況下各施工步隧道剪應變增量如圖12所示。工況7～10各施工步驟最大剪應變增量均小于0.000 22，滿足安全范圍，且工況7各步驟最大剪應變增量總體相對較小。

綜合各工況的計算結果分析，并結合現(xiàn)場實際施工情況，最終選擇工況7作為推薦方案，即從基坑中部向兩邊開挖，每次開挖縱向長度20 m，前一段基坑開挖完畢建好底板后再開挖下一段基坑。

圖12 不同工況下各施工步的地鐵隧道襯砌最大剪應變增量

采用Matlab軟件對工況7施工完畢后的地鐵隧道拱頂處豎向位移值進行4次曲線插值擬合，得到地鐵隧道最大曲率為3.65×10-6m-1，即最小曲率半徑為2.7×105m，大于地鐵隧道設計與施工技術管理中的15 000 m保護要求。

2.3.3 主體結構施工

圖13～14為按照工況7施工結束后，主體結構U型槽側壁的豎向應力云圖和水平應力云圖?？梢钥闯觯黧w結構最大豎向應力為0.18 MPa，發(fā)生在K1+410—K1+450段側墻內(nèi)側中下部靠近底板處；最大水平應力為0.15 MPa，發(fā)生在K1+410—K1+480段右側側墻的底部。

圖13 U型槽主體結構豎向應力云圖

圖14 U型槽主體結構水平應力云圖

3 監(jiān)測結果分析

根據(jù)設計文件，從樁號里程K1+200起，地鐵11號線左線隧道往東率先逐漸進入基坑影響范圍。在實際施工中，在樁號里程K1+180—K1+640間布置地鐵隧道變形監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面共47個，間距10 m。在每個監(jiān)測斷面上，左、右線隧道各布置4個測點，其中1、3號測點位于隧道側壁，2號測點位于拱頂，4號測點位于地鐵軌面上方。圖15為左右線隧道斷面監(jiān)測點布置圖。

圖15 地鐵左右線隧道監(jiān)測點布置圖

本文選取與K1+410—K1+550段基坑開挖范圍相對應的地鐵隧道ZDK16+590—ZDK16+730區(qū)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，驗證建議的施工措施能否保證地鐵隧道豎向位移在控制值10 mm以內(nèi)。由于地鐵左線隧道比右線隧道更靠近基坑中心，受基坑開挖影響更大，故選取左線隧道上有代表性的測點，繪制其在整個施工階段的累積豎向位移折線圖，如圖16所示。由圖16可以看出，地鐵隧道左線大致趨勢為上浮，但當施工基坑底板、側壁等結構時，隧道隆起量會有所降低。在基坑開挖過程中，L24-1測點處（對應基坑K1+410斷面）隧道拱腰發(fā)生最大累積上浮變形為9.2 mm，小于控制值10 mm。

圖16 地鐵左線隧道施工階段累計沉降

現(xiàn)場按照工況7進行施工的時間是2016年3月到6月，選取L24-2測點（即對應基坑K1+410斷面拱頂）這段時間的實測數(shù)據(jù)與工況7數(shù)值模擬值進行對比，得到圖17。施工各階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得到的豎向位移值基本一致，變化趨勢相符。監(jiān)測數(shù)據(jù)值略大于數(shù)值模擬值，因為數(shù)值模擬時各種條件偏理想。

圖17 K1+410段地鐵左線隧道拱頂豎向位移

4 結語

本文依據(jù)深圳市桂廟路快速化改造工程中的下沉段基坑工程實例，利用數(shù)值分析軟件對基坑施工全過程進行了動態(tài)模擬，對比分析了不同土方開挖方案對下臥地鐵隧道的影響，并得出如下結論：

（1）基坑開挖相當于土體卸荷，引起坑底土體回彈和兩側土體擠壓圍護結構?？觾?nèi)土體位移以豎向為主，坑外土體變形呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)。

（2）段內(nèi)地鐵隧道大部分發(fā)生隆起變形，且距離坑底越近，隆起越明顯。左線隧道更靠近開挖基坑的中心線，受基坑卸荷影響更大。

（3）根據(jù)計算結果提出了基坑分段開挖、控制基坑一次縱向開挖長度、前一段基坑開挖完畢后迅速施工底板等施工控制措施。

（4）采取建議的施工方案后，下臥地鐵隧道拱頂豎向位移最大值9.22 mm，小于控制值10 mm，證明了所選方案的合理性。

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