基坑施工对正下方既有地铁隧道的影响分析

刘金燕

摘要：随着城市地铁线网密度的增加，线路的交叉变的日益频繁。本文以南京地铁机场线南京南站为例，分析了基坑开挖对正下方既有地铁隧道的影响，并根据分析结果提出了相应的保护措施，以期作为其他工程的参考。

关键词：地铁隧道；基坑开挖；有限元

1.工程概况

机场线南京南站通过通道与地铁1号线、3号线换乘，车站位于站北路北侧，沿站北路设置，为四柱五跨地下两层（局部三层）站。车站全长252.4m，标准段基坑宽度47.5m，标准段基坑深约14.3～15.6m，车站采用盖挖逆作法施工。车站南侧主要为地铁1号线、3号线地铁南京南站，1、3号线南京南站与机场线南京南站垂直，1号线地铁隧道位于机场线南京南站的正下方。要保护的1号线地铁隧道同机场线车站的空间关系如下图所示。

图1 1号线区间和车站的位置关系图

2.地質条件

场地土层自上而下依次为：

1-1，杂填土层，松散，杂色、灰黄色，灰褐色，稍湿，结构松散，组要由粉质粘土混较多的砖、石等建筑垃圾组成，成份复杂，层厚约2.2米；

1-2，素填土层，松散，灰黄～灰色，稍湿～湿，软～可塑状粉质粘土组成，局部可见植物根茎，夹有少量碎石。层厚0.5～4.5米；

2-1b2-3，粉质粘土，可塑，灰黄色、灰绿色，饱和，可塑，局部软塑，中压缩性，无摇振反应，切面较光滑，干强度中等，韧性中等偏低，局部粉粒含量较高。层厚0.5～4.5米；

3-1b1-2，粉质粘土，可塑～硬塑，黄褐色、灰黄色，饱和，可-硬塑，中压缩性，无摇振反应，切面较光滑，干强度中等，韧性中等。夹有少量铁锰结核，含次生粘土团块。层厚0.8～9.1米。

K1g-2，强风化泥质粉砂岩，砂土状，棕红色、紫红色，风化强烈，岩石结构完全破坏，岩芯呈砂土状，手捏易碎，水冲即散。层厚1.3～5.3米；

K1g-3，中风化泥质粉砂岩，完整块状，棕红色、紫红色，中等风化，裂隙较发育，岩芯呈短柱～中柱状，遇水易软化。未钻穿。

土层的物理力学参数如下表所示：

土层物理力学参数表

层号 重度 建议强度指标 泊松

比 基床系数 侧压力系数 渗透系数 单抽抗压强度

γ Cc Φc 水平 垂直 KO kh kV MPa

kN/m3 kPa 度 MPa/m MPa/m x10-6cm/s

①-2b2-3 18.5 10 12 200 150

②-1b2-3 19.4 30 14.0 0.32 21.0 19.0 0.44 5.0 3.0

③-1b1-2 19.9 50.0 15.0 0.29 47.6 44.3 0.40 1.58 0.98

K1g-2 21.0 40.0 35.0 0.20 75.0 80.0 0.3 10 5

K1g-3 24.0 500 46.0 0.15 400 0.25 2.97

3.地铁保护控制标准

目前国内可以参照的隧道结构变形控制标准有《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》和深圳市地铁公司颁布的《城市轨道交通安全保护区施工管理办法（暂行）》。根据上述规定，地铁隧道结构的变形控制标准如下：

1）地铁的区间隧道结构的竖向和水平最大位移均不得超过20mm；

2）隧道变形曲线的曲率半径不小于15000m；

3）相对曲率不大于1/2500；

4.车站基坑开挖对1号线隧道的影响分析

本文建立三维模型分析基坑开挖对1号线隧道的影响。土体采用库伦-摩尔模型，参数按照实际参数取值，围护桩按照刚度等效原则简化成连续墙；第一道支撑和第二道支撑为车站的顶板及中板，连续墙、板撑及隧道结构均采用弹性壳单元来模拟，土体采用实体单元。

计算过程主要分为四个步骤：

（1）进行地应力平衡，使其在初始地应力下初始位移为零。

（2）模拟第一道支撑以上土体开挖。

（3）模拟第一道支撑与第二道支撑之间土体开挖。

（4）模拟第二道支撑与基底土体开挖。

计算模型及结果如下所示：

根据计算结果，围护结构的最大水平位移为2.91mm，1号线区间的上浮量为1.35mm，区间纵向位移0.55mm。车站基坑的开挖对1号线区间

是有影响的，但是影响不大，尚在可以接受的范围之内。但是由于地下工程学科的不成熟性，在参考计算结果的同时尚应在施工方面采取适当的措施：

（1）加强对一号线区间的监测工作：监测是施工效果的直接反映，是地铁盾构施工中对重要建筑物进行保护的重要手段。及时发现工程中存在的问题，为采取有效的防范措施提供基础信息，指导施工安全顺利进行。监测内容包括：①垂直沉降；②水平位移；③轨道左右两侧高。预警值各变形允许最大值的90%。

（2）采取合适的开挖方式：不得进行放炮开挖，要对称开挖，尽量采用小型开挖机械。及时排走基坑内的明水，防止地下水浸泡开挖面。

（3）尽快封闭底板：基坑开挖到坑底标高后尽快施工底板，做到早封闭，减小基坑坑底的暴露时间。

（4）分段开挖，分段封闭：车站的宽度将近50米，在开挖时严禁大锅底开挖，分段开挖，每段开挖完成后要及时施做底板，及时封闭。

现该车站已施工完成并投入使用，根据监测结构1号线区间的最大上移量约为2.2mm，自始至终正常运营。

5.结束语：

本文通过建立三维有限元模型，分析了基坑开挖对其正下方既有隧道的影响。同时结合车站的施工情况，得出了以下结论：

（1）在隧道正上方开挖基坑会对隧道产生影响，会引起隧道的上移，，需将隧道上移量控制在允许的范围之内。

（2）考虑到地下工程的学科特性，在参考计算结果的同时，尚应在施工中采取合理的措施，这点尤其重要。

参考文献：

[1]麦家儿 基坑施工对邻近地铁车站和区间隧道的影响分析 城市轨道交通研究[J]，2012（6）100～104；

[2]刘建航、侯学渊 基坑工程手册[M] 北京 中国建筑工业出版社 1997；