市政隧道基坑开挖对既有下卧地铁盾构隧道影响分析

高 强，于文龙

（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

市政隧道基坑开挖对既有下卧地铁盾构隧道影响分析

高 强，于文龙

（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

以西安南门外综合改造工程环城南路市政隧道上跨既有地铁2号线盾构隧道为依托，根据拟定的设计方案，采用FLAC3D有限差分程序对市政隧道基坑开挖对下卧地铁盾构隧道的影响进行数值分析，并对隧道抗浮进行验算。计算分析结果表明：采用跳槽、分段、分层、对称开挖并结合“板凳桩”加固区间隧道的设计方案能有效控制基底土体的隆起和隧道的变形，盾构隧道变形值和抗浮满足相关保护标准和规范的要求，基坑开挖不会影响地铁2号线的正常安全运营。同时，在施工过程中对区间隧道进行了自动化实时监测，监测结果验证了设计方案的合理性和可行性。设计方案对类似工程的设计和施工具有一定的借鉴和指导意义。

基坑；地铁；盾构隧道；上跨；数值模拟；实时监测

0 引言

随着我国城市化的进程加快，地铁和基坑工程大量涌现，而且规模不断加大。鉴于建设时序的原因，必然会存在后续基坑开挖对邻近既有地铁隧道造成影响的问题。基坑开挖对邻近或下卧地铁隧道的影响是一个十分复杂的动态过程［1－3］，针对这方面的研究也越来越引起国内外学者的重视。

文献［4］对下沉隧道工程上跨已运营地铁区间隧道的设计和施工进行了分析研究，提出了对运营线路有针对性地采用地基加固、分段开挖、及时堆载回压等施工方案及措施。

文献［5］采用现场监测和数值计算的方法对箱涵基坑开挖施工对下卧地铁双向盾构隧道的影响进行了分析研究，分析结果表明盾构隧道竖向位移和水平收敛变形均满足《杭州市地铁建设管理暂行办法》的要求。

文献［6－8］通过三维数值模拟分析，对基坑施工全过程进行动态模拟，分析结果为：基坑开挖、回筑过程中已建地铁车站、区间隧道的位移变形均能满足相关规范要求。由此验证了基坑开挖、加固方案的有效性和合理性。

上述文献从基坑开挖变形机制、基坑开挖方法、数值模拟以及现场监控量测等各方面对基坑开挖对邻近（下卧）地铁区间隧道的影响进行了分析研究，研究结果表明：基坑开挖卸荷会引起基底地层的回弹隆起，造成下卧隧道结构产生纵向不均匀变形、横向水平位移、管径收敛等不利现象。如果隧道结构变形超过结构保护标准，轻则引起隧道管片间张开量过大、隧道渗漏水，重则引起管片开裂，继而锈蚀钢筋，导致使用寿命缩短、地铁结构损坏（如道床与管片的脱开）等，危及地铁列车运行安全。

西安南门外综合改造工程中的市政隧道需从已运营的地铁2号线钟楼—永宁门区间隧道上部通过，市政隧道基坑开挖深度超过8 m，两者之间净距仅为2.0 m，净距之小在目前类似工程中较为少见。为最大限度地降低工程风险，减小基坑开挖对下卧2号线盾构隧道的影响，保证基坑开挖施工和既有地铁隧道的安全，本文提出基坑采用分段、跳槽、对称、分层开挖，并辅以板凳桩加固区间隧道的设计施工方案。

为分析市政隧道基坑开挖方案的合理性和可行性，本文参照相关规范和类似工程的研究资料，提出区间隧道的保护标准，并在此基础上对设计、施工方案及地铁区间隧道的抗浮等进行分析和探讨，以期对类似工程的设计和施工起到一定的借鉴和指导作用。

1 工程概况

1.1 市政隧道与地铁区间隧道概况

西安地铁2号线永宁门—钟楼区间隧道采用盾构法施工，区间出永宁门站后线间距逐渐扩大，在绕过南门城墙门洞后平行延伸至钟楼站。隧道内径5 400 mm，外径6 000 mm，管片厚度300 mm，管片环宽1.5 m，区间隧道最小埋深约12 m。

市政隧道沿环城南路东西向布置，在南门外广场下穿长安路，隧道全长约867 m，全部采用放坡明挖法施工，基坑开挖深度约8 m。隧道结构为单箱四室钢筋混凝土框架结构，顶板厚700 mm，底板厚800 mm，边墙厚800 mm，全宽为36.4 m，净高约5 m。双向6车道设置，机动车道中隔墙厚700 mm，机非车道中隔墙厚500 mm，隧道顶覆土厚度约1.3 m。

1.2 市政隧道与地铁区间隧道相对关系

市政隧道在既有2号线盾构区间隧道顶部垂直穿过，影响范围内的市政隧道里程为：K1＋797.0～K2＋033，总长236 m；盾构区间隧道里程为：K14＋438.863～＋475.913，总长37.05 m。市政隧道底板至盾构隧道拱顶净距仅为2.0 m。

市政隧道与盾构区间隧道的关系如图1所示。

图1 市政隧道与盾构区间隧道的关系Fig.1 Relationship between municipal tunnel and shield-bored Metro tunnel

1.3 工程及水文地质概况

本工程场地地貌单元属黄土梁洼，地形较平坦。场地地层自上而下依次为第四系全新统人工填土（Qml4）、上更新统风积（Q2eol3）黄土、残积（Q1el3）古土壤、冲积（Q1al3）粉质黏土及中更新统风积（Q2eol2）黄土、残积（Q2al2）古土壤、冲积（Q2al2）中砂及粉质黏土等。地下水稳定水位深度为6.10～11.50 m，相应高程395.22～404.21 m，属潜水类型，地下水位年变幅2.0 m左右，抗浮水位在地下1 m左右。施工场地属非自重湿陷性黄土场地。工程地质剖面图如图2所示。

图2 地质纵断面图Fig.2 Longitudinal profile of geological conditions

2 保护标准的确定

参照《香港地铁控制保护技术标准》、《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》以及《城市轨道交通隧道结构安全保护技术规范》，对既有地铁2号线区间隧道变形控制采用如下标准值［9－10］：

1）地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20 mm，盾构隧道水平收敛≤20 mm；

2）隧道变形曲线的曲率半径R≥15 000 m，相对变曲≤1/2 500；

3）轨道竖向变形±4 mm；

4）两股轨道之间最大差异沉降值＜4 mm；

5）单轨10 m内差异沉降值＜4 mm。

3 总体设计方案

由于市政隧道基坑底部距离地铁2号线区间隧道距离只有2.0 m左右，为降低基坑开挖对区间隧道的影响，保证施工安全，基坑开挖前先在区间隧道两侧各施作一排隔离桩，钻孔桩长12.8 m，桩顶在设计基坑底下1.3 m处，桩顶设置盖板，与隔离桩形成“板凳桩”。基坑采用盆式跳槽开挖，槽段长度3 m，先间隔9 m开挖标号为1的槽段，开挖至桩顶标高后，施作板凳桩盖板，并对盖板下部地层进行填充注浆加固，浆液采用1∶1水泥浆，注浆压力0.1 MPa，待板凳桩达到设计强度后再按上述顺序开挖施工2，3号槽段。基坑开挖采用放坡、分层开挖，开挖坡度为1∶0.75，两级开挖，坡面采用钢筋网喷射混凝土支护，每层开挖深度不超过2 m。施工过程中采取降水措施，使地下水位位于区间隧道底板以下1 m处。施工方案及跳槽开挖顺序如图3和图4所示。

图3 施工方案图Fig.3 Construction scheme

图4 跳槽开挖顺序图Fig.4 Excavation sequence

4 市政隧道施工对区间隧道的影响分析

4.1 基本假定

鉴于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，并结合具体问题进行适当简化。在本次数值模拟中采用了以下假设：

1）围岩材料为均质、各向同性的连续介质；

2）在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响；

3）管片按均质弹性圆环模拟，考虑管片接缝的刚度折减系数η＝0.8。

4.2 模型建立及参数选取

结合设计开挖方案，本次模拟选取编号依次为1，2，3，2，1的5个槽段，并考虑放坡开挖及边界条件的影响，沿区间隧道轴线方向取48 m长的范围，建立FLAC3D三维有限差分数值模型［11－12］，对基坑跳槽开挖施工过程和基坑对既有地铁区间隧道的影响进行模拟计算。由于模型关于x轴对称，且两区间隧道的净距较大，约为20.5 m左右，可以认为两隧道之间不会有相互作用。为了减小计算规模，提高计算速度，本次计算选取一半模型进行计算分析。本次计算的数值模型如图5所示，模型共由105 472个区和112 299个网格点组成。

图5 数值模型Fig.5 Numerical simulation model

土层、注浆加固材料采用M-C（摩尔－库仑）模型模拟，板凳桩、衬砌管片采用弹性模型模拟。材料的物理力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数表Table 1 Mechanical parameters of different materials

4.3 模拟的基本思路

模型建立完毕后，首先进行初始地应力场模拟，然后进行区间隧道的开挖模拟，得到目前的应力场，接着进行板凳桩的施工，最后进行1号槽段基坑的分层开挖、板凳桩盖板的施工和填充注浆。按此顺序依次进行2号槽段和3号槽段的开挖模拟。根据文献［13－14］，基坑采用对称开挖，对区间隧道的竖向位移影响较大。故本次计算主要对基坑开挖过程中土体和区间隧道的竖向位移进行分析。

4.4 计算结果及分析

3个槽段按设计顺序开挖过程中引起1号槽段中部断面（目标断面）处土体的竖向位移云图如图6所示，区间隧道的竖向位移值如表2所示，其变化时态曲线如图6所示。目标断面处区间隧道隆起值变化时态曲线如图7所示。

从图6、图7和表2可以看出：

1）随着基坑开挖卸荷的作用，基坑底部发生回弹隆起现象，其中基坑中部的隆起值大于基坑边缘，并且随着开挖深度的增加而增大，而基坑底部土体的隆起引起了下卧地铁区间隧道的抬升，隧道抬升呈现出拱顶最大、拱底最小的现象。

2）1号槽段基坑开挖至第8层并完成板凳桩施作和填充注浆后，区间隧道拱顶的隆起值为4.094 mm，拱底隆起值为2.715 mm，占全部隆起值的90%以上。板凳桩盖板施作后，在其下进行填充注浆，会使隆起值有一定的减小。

3）2号和3号槽段基坑均会对1号槽段下部隧道产生影响，但影响较小。这是由于1号槽段基坑开挖造成相邻未开挖土体应力释放造成的。

图6 各段开挖引起目标断面处土体竖向位移云图Fig.6 Contour of vertical displacement of target cross-section caused by excavation

表2 目标断面处区间隧道隆起值Table 2 Uplift of Metro tunnel at target cross-sectionmm

图7 目标断面处区间隧道隆起值变化时态曲线（单位：mm）Fig.7 Time-dependent curves of uplift of Metro tunnel at target cross-section（mm）

5 现场监控量测

为保证地铁2号线的正常、安全运营，施工过程中对区间隧道进行了自动化实时监测［15－16］。按纵向每5 m布置1个断面，在左右线里程K14＋400～＋495各选取编号为1—20的20个监测断面，对区间隧道的竖向和横向进行自动化实时监控，监测频率为每4小时1次。每个断面布置5个测点，对区间隧道的沉降（隆起）和水平收敛进行监测。测点布置示意图如图8所示。

图8 监测断面测点布置图Fig.8 Layout of monitoring points

自2013年4月15日（市政隧道开始挖土前2周）测定初始值并进行正常的自动化监测以来，截至基坑开挖至基底、板凳桩施作及注浆加固完成，区间隧道左右线各断面处的累计隆起值如图9和图10所示。

从图9和图10可以看出，市政隧道基坑开挖引起地铁区间隧道向上的位移，其中隧道的最大隆起值均发生在K14＋465断面处；左线隧道拱顶和拱底隆起值分别为5.6 mm和5.3 mm，右线隧道拱顶和拱底的最大隆起值分别为5.2 mm和4.7 mm；拱顶和拱底的相对变形最大仅为0.5 mm。区间隧道表现为整体隆起，基坑开挖引起盾构隧道的变形值可以满足保护标准的要求。

图9 隧道拱顶隆起值（单位：mm）Fig.9 Uplift of crown of Metro tunnel（mm）

图10 隧道拱底隆起值（单位：mm）Fig.10 Uplift of invert of Metro tunnel（mm）

根据计算，基坑开挖引起隧道纵向变形的最大曲率半径为111 607 m，大于15 000 m保护标准的要求。

通过上述分析，可以看出现场监测数据与数值模拟结果比较接近。但是，考虑到岩土材料的复杂性以及数值模拟与实际施工过程的差异性，现场实测变形值稍大于数值模拟变形值，但两者相差不大，均能满足保护标准的要求。

6 抗浮验算

由于市政隧道基坑开挖过程中挖出的土的重力大于后期市政隧道结构自身重力，因此需要根据市政隧道以及地铁2号线区间隧道的设计情况，并结合勘察报告中提出的抗浮水位，对市政隧道施工完成后的抗浮进行验算，以确保安全。由于基坑开挖全过程均进行了降水处理，故可不对基坑开挖过程中的抗浮进行验算。

本次计算按每延米区间隧道进行抗浮计算，各结构所受浮力计算如下：

盾构管片浮力

总的抗浮力由以下几项组成：

1）盾构管片自重

2）市政隧道自重（除去其自身浮力）

3）上覆土层自重总的抗浮力为G总＝G盾构＋G隧道＋G土＝321.3 kN。抗浮安全系数k＝G总/F浮＝1.14＞1.05。故结构满足抗浮安全要求。

7 结论与讨论

本文对市政隧道基坑开挖方案进行了三维数值模拟，在基坑开挖过程中对区间隧道进行了现场监测，并对区间隧道后期抗浮进行了计算，得出以下结论：

1）基坑开挖会引起周围土体向基坑内部移动、坑底土体和下卧地铁区间隧道向上隆起的现象，且随着开挖深度的增加这一现象越发明显。

2）基坑采用跳槽开挖的方案进行施工时，2号和3号槽段开挖时，均会使1号槽段下部隧道拱顶和拱底隆起值有一定的增大，但隧道隆起主要发生在1号槽段的开挖过程中，后续开挖造成的隆起值很小。

3）基坑采用跳槽、分段、分层、对称开挖并结合板凳桩对盾构隧道进行加固的设计方案起到了控制坑底土体和既有地铁区间隧道隆起的作用。数值模拟和现场监控量测均说明区间隧道的变形值满足保护标准的要求，基坑开挖不会影响地铁的安全运营。

4）通过抗浮计算可知区间隧道抗浮满足安全要求。

南门外市政隧道按照总体设计方案中的施工顺序和辅助措施进行施工，目前已施工完毕，施工未对地铁2号线的正常运营造成影响。需要说明的是，由于岩土材料的复杂性和不连续性，且数值模拟仅考虑了市政隧道基坑开挖卸载对区间隧道的影响，未能准确考虑施工扰动、基坑暴露时间较长、开挖范围扩大至市政隧道以外的地下停车库基坑等对区间隧道的影响，故造成数值模拟结果与现场实测变形值存在一定差异。

（References）：

［1］ 俞缙，许琼鹤，邢崴崴，等.基坑工程下地铁隧道隆起位移数值模拟分析［J］.岩土力学，2007，28（S1）：653－657.（YU Jin，XU Qionghe，XING Weiwei，et al.Numerical analysis of upwarping deformation of existing tunnels under a new tunnel’s excavation［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（S1）：653－657.（in Chinese））

［2］ 陈郁，李永盛.基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的计算方法［J］.地下空间与工程学报，2005，1（1）：91－94.（CHEN Yu，LI Yongsheng.Calculation of the tunnel heaving due to excavation unloading of pit excavation［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1（1）：91－94.（in Chinese））

［3］ 戚科骏，王旭东，蒋刚，等.临近地铁隧道的深基坑开挖分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（2）：5485－5489.（QI Kejun，WANG Xudong，JIANG Gang，et al.Analysis of deep pit excavation adjacent to tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（2）：5485－5489.（in Chinese））

［4］ 郑刚，刘庆晨，邓旭，等.基坑开挖对下卧运营地铁既有箱体影响的实测及分析［J］.岩土力学，2012，33（4）：1109－1116，1140.（ZHENG Gang，LIU Qingchen，DENG Xu，et al.Field measurement and analysis of effect of excavation on existing tunnel boxes of underlying Metro tunnel in operating［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33 （4）：1109－1116，1140.（in Chinese））

［5］ 薛飞，吴赛钢，葛鹏飞，等.基坑开挖对地铁隧道的影响分析［J］.山西建筑，2010，37（1）：112－119.（XUE Fei，WU Saigang，GE Pengfei，et al.Analysis on the impact of foundation excavationonsubwaytunnel［J］.Shanxi Architecture，2010，37（1）：112－119.（in Chinese））

［6］ 李平，杨挺，刘汉龙，等.基坑开挖中既有下穿地铁隧道隆起变形分析［J］.解放军理工大学学报：自然科学版，2011，12（5）：480－485.（LI Ping，YANG Ting，LIU Hanlong，et al.Heave deformation of existing tunnels under new tunnel excavation［J］.Journal of PLA University of Science and Technology：Natural Science Edition，2011，12 （5）：480－485.（in Chinese））

［7］ 王卫东，吴江斌，翁其平.基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟［J］.岩土力学，2004，25（S2）：251－255.（WANG Weidong，WU Jiangbin，WONG Qiping.Numerical modeling of affection of foundation pit excavation on Metro tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25 （S2）：251－255.（in Chinese））

［8］ 强健.深大基坑施工对邻接地铁工程的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2010，6（S1）：1432－1443.（QIANG Jian.Analysis of influence of deep excavation on adjacent subway project［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6（S1）：1432－1443.（in Chinese））

［9］ 汪彬彬.基坑开挖对下方盾构隧道变形的影响［D］.广州：华南理工大学土木与交通学院，2010.（WANG Binbin.Underlying shield tunnel deformation effected by pit excavation［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2010.（in Chinese））

［10］ 汪小兵，贾坚.深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施［J］.城市轨道交通研究，2009，12（5）：52－57.（WANG Xiaobing，JIA Jian.The influence of deep foundation pit excavation on nearby Metro tunnel［J］.Urban Mass Transit，2009，12（5）：52－57.（in Chinese））

［11］ 李围.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［12］ 陈敏华，陈增新，张长生.FLAC在基坑开挖分析中的应用［J］.岩土工程学报，2006，28（S）：1437－1440.（CHEN Minhua，CHEN Zengxin，ZHANG Changsheng.Application of FLAC in analysis of foundation excavation ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28 （S）：1437－1440.（in Chinese））

［13］ 刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（2）：202－207.（LIU Guobin，HUANG Yuanxiong，HOU Xueyuan.The prediction and control of rebound deformation of the existed tunnels right under excavation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（2）：202－207.（in Chinese））

［14］ 张强.开挖卸荷下既有地铁隧道的竖向变形及其控制研究［D］.北京：北京交通大学，2012.（ZHANG Qiang.Influence andcontrolonverticaldeformationofan underlying tunnel due to excavation-induced unloading ［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2012.（in Chinese））

［15］ 刘庭金.基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（S2）：3393－3400.（LIU Tingjin.Study on shield tunnel deformation due to foundation pit construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（S2）：3393－3400.（in Chinese））

［16］ 肖同刚.基坑开挖施工监控对临近地铁隧道影响分析［J］.地下空间与工程学报，2011，7（5）：1013－1017.（Analysis on effect of deep-pit excavation and monitoring on neighboring Metro tunnel in soft ground［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7 （5）：1013－1017.（in Chinese））

Analysis on Influence of Excavation of Foundation Pit of Municipal Tunnel on Existing Underlying Shield-bored Metro Tunnel

GAO Qiang，YU Wenlong
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

In this article，the influence of the excavation of the foundation pit of Huanchengnanlu municipal tunnel on the existing underlying shield-bored tunnel on No.2 line of Xi’an Metro is numerically simulated by means of FLAC3D finite differential software，and the anti-uplifting of the existing Metro tunnel is calculated.The calculation and analysis result shows that：1）The uplifting of the soil mass at the bottom of the foundation pit and the deformation of the existing Metro tunnel can be brought under effective control by using alternative，section-by-section，layer-by-layer and symmetrical excavation of the foundation pit and by consolidating the existing Metro tunnel by means of bench-shaped piles.2）The deformation and uplifting of the existing Metro tunnel is within the limits of related standards，and the safe operation of No.2 line of Xi’an Metro can be guaranteed.Furthermore，automatic real-time monitoring is made for the existing Metro tunnel during the construction of the municipal tunnel and the monitoring result proves that the design of the construction of the municipal tunnel is reasonable and feasible.

foundation pit；Metro；shield-bored tunnel；overcrossing；numerical simulation；real-time monitoring

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.004

U 45

A

1672－741X（2014）04－0311－07

2013－12－26；

2014－02－28

高强（1985—），河北石家庄人，2012年毕业于长安大学，桥梁与隧道工程专业，硕士，助理工程师，从事隧道及地下工程方面的设计工作。