明挖基坑开挖步长对下方已建地铁隧道影响分析

韩雪峰， 周泽林， 刘继强， 陈寿根

(1. 中铁建设投资集团有限公司, 广东深圳 518000; 2. 交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031; 3. 西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031 )



明挖基坑开挖步长对下方已建地铁隧道影响分析

韩雪峰1， 周泽林2,3， 刘继强1， 陈寿根2,3

(1. 中铁建设投资集团有限公司, 广东深圳 518000; 2. 交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031; 3. 西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031 )

【摘要】针对重叠隧道中上部公路隧道施工对下卧地铁隧道影响的几个关键影响因素，文章采用数值模拟方法探讨了下穿隧道施工中不同开挖步长、不同净距、不同埋深条件下进行基坑开挖时，土体位移、下部盾构隧道变形和管片结构受力特征。得出了基坑开挖步长越大、隧道之间净距越小、下穿隧道顶板埋深越大，则土层和盾构管片上浮变形量越大等重要结论，对类似工程的设计和施工具有重要的指导作用。

【关键词】隧道工程;近接施工;明挖基坑;净距效应;盾构施工

1相关研究资料简介

已建地下建构筑物常给后建工程带来诸多难题。例如，当已建地下建构筑物上方基坑开挖卸荷，将引起基坑上浮和地下建构筑物的变形，对使用功能和安全性造成潜在危害。而地铁对隧道的变形要求极其严格，根据我国建筑地基基础设计规范[1]规定，绝对最大位移不能超过20 mm，隧道回弹变形不超过15 mm，隧道变形曲率半径必须大于15 000 m，相对变形必须小于1/2 500。如何准确预测和控制隧道上浮变形，合理选择控制地下建筑物变形的施工工艺，保证地下建构筑物的正常使用，成为工程界迫在眉睫的一个难题。

针对基坑开挖对紧接地铁隧道结构的影响，国内外不少学者进行了相关的研究工作，并取得了一些成果。刘国彬[2]以上海广场基坑工程下的已建隧道的保护为工程背景，结合软土基坑上浮变形的残余应力法和软土的卸荷模量对地基加固抗浮技术进行了研究，发现适当的地基和降水能有效地减小基坑下方既有隧道的上浮变形。李志高[3]对上海东方路立交工程大面积深基坑开挖期间对近接隧道的上浮变形控制技术进行了研究，结果表明应严格控制由于上方基坑开挖卸载引起的地铁隧道的位移量，才能保证下方地铁二号线的正常运营。他从施工工艺的角度分析了开挖卸载对下方隧道的影响，提出了减小隧道位移的施工措施。杨挺[4]结合南京火车站站前广场龙蟠路隧道(南侧)西段上跨已建成的地铁1号线双线盾构隧道时的基坑施工，采用排桩与桩板支护法有效解决了基坑开挖过程中盾构隧道上浮控制难题。并就箱形隧道基坑下已建地铁盾构隧道上浮位移的控制分析、排桩与桩板支护设计及施工方法、施工中的位移监控量测作了较详细地分析论述。周丁恒，蔡永昌[5]依托上海地铁7号线基坑开挖对地铁区间的上浮影响进行了数值模拟分析，对不同级别和不同施工步加固处理下的隧道上浮进行了研究，认为加固区最佳弹性模量为30 MPa。周丁恒[6]对堆载法抗浮技术进行了研究，得出最佳堆载时机为基坑拆除第一道支撑时对坑底施加堆载，此时地铁区间隧道整体上浮最小，同时得出了最佳堆载加荷量为160 kN/m2。吉茂杰[7]采用现场实测研究了基坑施工对邻近隧道的影响，得出了小变形条件下隧道变形和周围土体位移基本一致的结论。

由于城市深大基坑工程的边界条件及所涉及的岩土介质的复杂性，难以得出解析解。数值模拟方法不仅能充分考虑土体的本构模型，还能有效模拟复杂的基坑开挖工况和结构条件，成为研究该类问题的有力工具。本文依托深圳市地铁11号线南山站～前海湾站既有区间隧道上方的重叠隧道施工，采用有限差分软件FLAC3D分析了明挖基坑开挖步长对下方已建地铁隧道影响。

2工程概况

深圳地铁11号线起于福田站，终至碧头站，是深圳市城市核心区与西部滨海地区的组团快线，兼机场快线和广深城际轨道线路双重任务的功能。本研究所依托的工程是已建深圳地铁11号线南山站～前海湾站区间双线地铁隧道与上方桂庙路改造工程公路隧道施工。上方公路隧道和下方地铁隧道在空间位置上呈上下重叠关系，重叠长度约2.2 km，最小净距仅6.1 m。考虑到地铁11号线2016年的通车要求，两重叠隧道施工顺序为先施工下方地铁隧道，后施工上方公路隧道。双孔地铁隧道采用盾构法施工，埋深介于16～31 m之间，线路间距为9.6～13.0 m，管片内径为6.0 m，管片厚350 mm。采用德国海瑞克公司生产的复合式土压平衡盾构机掘进。后施工的桂庙路公路隧道断面为大跨度矩形框架结构，结构宽38.2 m，高10.5 m，采用明挖法施工。

3计算模型的建立

根据上下隧道的断面尺寸和空间位置关系建立三维数值计算模型。双孔隧道设计线路中心间距为11 m。重叠段双孔隧道位于公路隧道的正下方和侧下方，考虑上方基坑开挖对盾构隧道上浮的最不利情况，计算模型中的双孔地铁隧道布置于公路隧道的正下方。为了满足边界条件要求，以竖向对称轴为中心，自地表往下，计算模型取高90 m、宽180 m、长270 m(隧道走向)，共计87 997个单元和82 660个节点。计算模型和网格划分见图1所示。

图1　计算模型和网格划分

工程区隧道穿越的主要地层自上而下依次为：人工填土层(包括素填土、填石、填砂等)、粗砂层(局部含淤泥、淤泥质黏土)和砾质黏性土层(局部含砂层)。地铁隧道下伏基岩层为全～强风化混合花岗岩层。上下隧道之间净距为6.0 m(1D)，上方公路隧道顶板埋深为4.0 m。计算选取地质剖面图上典型断面，土层厚度分布和土体力学参数见表1所示。图2为计算模型中的地层分层。

表1　土层厚度分布和土体力学参数

图2　计算模型中的地层分层

基坑开挖后采用3道横向支撑。第1道为支撑在冠梁上的钢筋混泥土横撑，沿线纵向布置间距为6.0 m。第2、3道支撑为φ609钢管支撑，沿线纵向布置间距为3.0 m。支撑之间设置纵向联系梁。本次模拟计算中，采用FLAC3D自带的结构单元“BEAM”梁单元来模拟基坑的3道横向支撑。由于设计纵向联系梁的作用只是提高横向支撑受力稳定性，实际纵向联系梁的受力很小，为简化计算忽略其作用不予考虑。

基坑开挖前先施作围护结构，开挖按分层分区域对称进行，每个分层区域高差为2.0 m，开挖之后立即施作横向支撑、竖向格构立柱、立柱桩，并施作隧道主体框架结构。图3为隧道上部基坑开挖和支撑体系施加示意图。

图3　基坑开挖与支撑过程模拟示意

4基坑纵向开挖步长影响分析

为了分析上方公路隧道基坑不同纵向开挖步长对地层变形和结构受力的影响，分别模拟了5种工况下(表2)的地层位移分布特征和地铁隧道结构受力。

表2　基坑开挖不同纵向分布长度计算工况

图4为基坑开挖后的土层最大竖向位移Umax和最大位移Wmax随开挖步长的变化曲线。从图中可看出，随着基坑纵向开挖步长s的增大，竖向最大位移Umax也不断增大。当s=6.0 m(约1D)时，Umax=2.885 cm 。当s=15.0 m(约2.5D)时，Umax=5.605 cm，增幅达到194.2 %。开挖步长s较小时，土体最大位移值Wmax大于土体最大竖向位移值Umax，随着开挖步长的增大，当s=15 m时，两者几乎相等，说明地层内部土体位移主要以竖向位移为主，且表现为地层上浮。土体位移Umax和Wmax随着s变化基本呈线性分布，位移增大梯度分别为每1 m 0.302 cm和0.284 cm。

图4　土体位移随开挖步长变化曲线

为确保基坑安全和避免盾构隧道上浮量过大，要求施工中及时封闭隧道主体框架结构，并回填至地面。基坑开挖对附近已封闭主体框架隧道上方的回填地面变形造成影响。图5为已经封闭回填公路隧道上方地表隆起位移沿轴线的分布曲线，其中当前开挖掌子面在隧道轴线Y=60 m处。从图中可以看出，距离基坑开挖部位越近，隧道上方地表隆起位移值越大。基坑纵向开挖步s越大，地表隆起量越大。当s=6.0 m时，地表最大隆起位移为0.81 cm，表明基坑开挖对隧道已封闭框架上方地表隆起的影响几乎为0；当s=15.0 m时，隧道已封闭，框架上方出现明显地表隆起位移现象，最大隆起值达到2.43 cm，表明此时的地层隆起位移对地表环境的影响已不容忽略，施工中应当采取相应的上浮控制措施。

图5　公路隧道上方地表隆起位移变化曲线

5结论

本研究采用数值模拟方法，对明挖基坑开挖步长对下方已建地铁隧道影响进行了探讨，分析了基坑开挖对土体位移、下部盾构隧道变形和管片结构受力特征的影响。得出如下结论：(1)基坑开挖步长越大，土层和盾构管片上浮变形量越大。管片上浮量峰值出现在基坑分层开挖的最低台阶处下方；(2)基坑开挖造成的土体扰动对盾构管片造成附加应力，表现为拱顶处管片由压力变成拉力且拱底处管片压力增大。计算结果表明，基坑开挖步长越大，管片的附加应力越大。基于以上结论，建议管片设计中应当根据实际情况适当增大拱顶局部受拉配筋和拱底局部受压配筋。

参考文献

[1]GB/T 50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].

[2]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(2):202-207.

[3]杨挺,王心联,许琼鹤,等. 箱形隧道基坑下已建地铁盾构隧道上浮位移的控制分析与设计[J]. 岩土力学,2005(S1):187-192.

[4]李志高,曾远,刘浩,等. 基坑开挖引起下方地铁隧道位移的控制措施[J]. 铁道建筑技术,2005(5):33-36，75.

[5]周丁恒,陈长江,曹力桥,等. 堆载控制基坑开挖引起的地铁区间隧道上浮研究[J]. 现代隧道技术,2008(S1):211-215.

[6]周丁恒,蔡永昌,陈长江,等. 基坑坑底加固对下卧地铁区间隧道上浮影响的研究[J]. 岩土工程学报,2008(S1):95-99.

[7]吉茂杰,刘国彬. 开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法[J]. 同济大学学报: 自然科学版,2001(5):531-535.

[作者简介]韩雪峰(1980～)，男，硕士，高级工程师，从事地铁设计和施工管理工作。

【中图分类号】455.45

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-09-15