下沉广场开挖对下卧地铁联络线隧道的影响

张　明，李晶晶，赵玉如

(河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191)



下沉广场开挖对下卧地铁联络线隧道的影响

张明，李晶晶，赵玉如

(河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191)

随着地铁等地下设施的完善，地铁或地铁联络线上方大面积深基坑开挖问题出现，评价和预测基坑开挖对其下卧地铁隧道的影响成为亟待解决的问题.针对地铁联络线隧道下穿下沉广场等施工条件，结合下沉广场基坑开挖工程，采用Boussinesq解和Mindlin解计算广场开挖卸载产生的附加应力，用分层总和法计算下卧联络线隧道的回弹位移.计算结果表明，Boussinesq解和Mindlin解的计算结果相差不大，Boussinesq解更安全一些，计算地铁联络线隧道顶部、底部中心线处最大回弹位移分别为13.8 mm和3.5 mm，满足轨道竖向变形要求，联络线隧道轨顶面回弹位移计算值与实测值较为吻合，证实了该计算方法的合理性.

地铁联络线；下沉广场；回弹位移；基坑；Boussinesq解；Mindlin解

随着城市地下工程建设的逐步兴起，地铁等地下设施纷纷建成并投入使用.目前，北京、上海、广州、香港等城市已形成较完善的地铁体系.在地铁周围施工的各类建筑，会对已建地铁或地铁联络线隧道结构受力造成影响，地铁或地铁联络线上方大面积深基坑开挖就是其中之一.基坑开挖导致基坑影响范围内的岩土体应力释放，打破了原有的力学平衡，致使基坑周围的岩土体发生位移，基坑底部土体向上隆起，带动这些土体中的地铁隧道产生回弹位移，影响地铁或地铁联络线隧道的运营安全.国内外关于如何预测和评价基坑开挖引起地铁或地铁联络线隧道变形方面的研究主要包括3个方面：①理论分析.刘纯洁[1]、刘国彬等[2]利用软土基坑隆起变形的残余应力法与软土卸荷模量，研究探讨了基坑工程下已建隧道的上抬变形；陈郁等[3]利用Mindlin弹性半空间应力解，通过弹性地基梁理论得到了基坑开挖引起隧道任意点的位移情况.②数值模拟.高广远等[4]、胡恒等[5]、杨德春等[6]、高盟等[7]采用FLAC软件建立了模拟基坑开挖的数值模型，分析了邻近地铁深基坑开挖引起邻近地铁隧道结构的隆起变形.③原型监测案例分析.孔令荣等[8]、况龙川等[9-10]以原型案例分析为基础，对邻近地铁隧道的基坑开挖引起的隧道变形进行了监测，探讨了基坑开挖对邻近地铁隧道的影响.针对上述问题，结合实际工程，通过计算预测了某下沉广场开挖施工引起的基坑底部与顶部及下卧地铁联络线隧道底部与顶部的回弹变形，分析了下沉广场开挖施工对临近地铁联络线隧道的影响，结果可作为工程设计与施工的依据.

1　工程概况

1.1工程概述

深圳市中心区中心广场及南中轴景观工程位于深圳市福田区中部，北接深圳市民中心，南临会展中心，东临金田路，西接益田路，深南大道横穿场地，项目占地面积约456 000 m2，包括市民广场、水晶岛、南广场、南一区、南二区等5个地块.中心广场是深圳市中心区中轴线公共空间系统重要的组成部分，是中心区从行政文化区到商务区的过渡，位于深圳经济特区的地理中心.南中轴既是中轴线公共空间系统的重要组成部分，又是中心区商务CBD的中心.

该项目场地包括4座人行天桥和2个下沉广场(市民广场、南广场)，地铁4号线和地铁1号线的西北联络线从南广场下沉广场的地下通过.因下沉广场施工开挖(从标高+7.0 m开挖到-2.7 m)造成联络线隧道上覆土层厚度减少，地铁隧道周围的岩土体发生了回弹变形，预估下沉广场开挖可能造成地铁联络线隧道围岩回弹变形，所以评价影响隧道结构安全的问题非常重要.

1.2工程地质与水文地质条件

根据勘察报告，本工程场地原属冲洪积阶地-剥蚀残丘地貌单元.下沉广场开挖后，基坑底以下的土层自上而下分为5层：①第四系中更新统残积层.砾质黏土，由粗粒花岗岩风化残积而成，原岩结构已破坏，稍湿-湿，可塑-硬塑，干强度高，层厚3.0～16.1 m.②燕山期侵入花岗岩.全风化花岗岩，层厚2.0～6.0 m，层顶标高-19.93～-9.8 m.③燕山期侵入花岗岩.强风化花岗岩，层厚3.5～10.0 m，层顶标高-25.43～-12.30 m.④燕山期侵入花岗岩.中风化花岗岩，层厚1.5～3.0 m，层顶标高-35.43～-18.77 m.⑤燕山期侵入花岗岩.微风化花岗岩，层厚1.0～3.5 m，层顶标高-36.93～-21.77 m.

场区内地下水主要赋存于第四系砾砂层，属潜水类型，地下水较丰富，基岩中有少量基岩裂隙水，略具承压性，其混合稳定水位埋深为1.2～2.1 m，标高4.50～5.80 m.

2　计算模型及参数

各土层压缩模量采用舒尔茨-梅经巴赫的经验公式[11]：

Es=4.0+c(N63.5-6), N63.5>15，

(1)

Es=c(N63.5+6), N63.5<15，

(2)

式中：N63.5为标准贯入击数；c为经验系数，不同土类的取值见表1.回弹模量根据经验取3倍的压缩模量，计算厚度取至全风化花岗岩顶层，初步估算该层以下回弹量很小.计算采用的岩土力学参数如表2所示.

表1　不同土类的c值

表2　计算采用的岩土力学参数

计算模型几何尺寸如图1所示.本次计算没有考虑地铁隧道和周围岩土体的相互作用，假设岩土体为各向同性均质体，地基回弹位移计算采用分层总和法，开挖过程中假定场地内地下水降至基坑底面以下，地基内因卸载产生的附加应力采用Boussinesq解和Mindlin解两种计算方法.计算模型和各计算点位置如图2所示.图2中十交叉字点为地铁联络线隧道位移计算点，网格各交点也为位移计算点.对于联络线隧道，其计算范围取至超出下沉广场外边界30 m.根据设计资料，原场地标高为+7.0 m，故最大开挖深度至标高-2.7 m，取开挖深度为9.7 m.

图1　计算模型几何尺寸(单位：m)Fig.1　Geometry size of calculation model(unit：m)

图2　计算模型(单位：m)Fig.2　Calculation model (unit：m)

3　下沉广场开挖引起地铁联络线隧道的回弹位移

3.1基坑底部的回弹位移

采用Boussinesq解和Mindlin解计算基坑底部(标高-2.7 m)回弹位移云图,分别如图3和图4所示.

图3　基坑底部回弹位移云图(Boussinesq解)Fig.3　Rebound displacement cloud graph on the bottom of pit foundation(Boussinesq solution)

图4　基坑底部回弹位移云图(Mindlin解)Fig.4　Rebound displacement cloud graph on the bottom of pit foundation(Mindlin solution)

由图3与图4可见，Boussinesq解计算基坑底部的最大回弹位移超出28 mm，Mindlin解计算基坑底部的最大回弹位移超出24 mm，两种方法的结算结果相差不大.采用Boussinesq解(国家地基基础设计规范浅基础设计采用的方法)偏于安全，如不特别说明，则结果为采用Boussinesq解计算的结果.

3.2联络线隧道顶部与底部的回弹位移

采用Boussinesq解计算联络线隧道顶部(标高-7.5 m)与底部(标高-14.06 m)回弹位移等值线云图，如图5与图6所示.需要说明的是，联络线隧道部分段的底部和顶部标高小于上述两个数值，为计算方便并偏于安全，统一取隧道底部标高为-14.06 m，顶部标高为-7.5 m，统一取此数值对计算结果影响不大.

图5　联络线隧道顶部回弹位移等值线云图Fig.5　Rebound displacement isoline cloud graph on the top of connecting line tunnel

图6　联络线隧道底部回弹位移等值线云图Fig.6　Rebound displacement isoline cloud graph on the bottom of connecting line tunnel

图7和图8为采用Boussinesq解计算联络线隧道顶部和底部中心线处回弹位移曲线.计算结果显示，联络线隧道顶部中心线处岩土体的最大回弹位移为13.8 mm，联络线隧道底部中心线处岩土体的最大回弹位移为3.5 mm，可满足轨道竖向最大变形±4 mm的要求.

图7　联络线隧道顶部中心线回弹位移Fig.7　Rebound displacement of the centre line on the top of connecting line tunnel

图8　联络线隧道底部(轨顶面)中心线回弹位移Fig.8　Rebound displacement of the centre line on the bottom of connecting line tunnel (on the top surface of metro track)

深圳市中心区南中轴景观工程临近的中心城地下室基坑施工时，遇到类似地下室基坑开挖对联络线隧道的影响问题.地下室基坑开挖深度为8.0 m，开挖后联络线隧道上覆土层厚度为3～6 m.为了防止上浮，在覆土层埋深小于4.0 m的地段进行井点降水，施工时对联络线隧道轨顶面沉降(隆起)进行了监测，实测结果显示联络线隧道轨顶面回弹隆起量为3～7 mm.上述计算预测的联络线隧道轨顶面回弹隆起量均在实测范围内，进一步证实了计算方法的适用性.

4　结论

(1)Boussinesq解和Mindlin解计算结果相差不大，Boussinesq解更安全一些.

(2)Boussinesq解计算地铁联络线隧道顶部、底部(轨底)最大回弹位移分别为13.8 mm和3.5 mm，可满足轨道竖向最大变形±4 mm的要求.

(3)对该工程临近地下室基坑施工下卧联络线隧道轨顶面回弹隆起量的监测显示，预测的联络线隧道轨顶面回弹隆起量在实测范围内，进一步证实了该预测方法的合理性.

[1]刘纯洁.地铁车站深基坑位移全过程控制与基坑邻近隧道保护[D].上海：同济大学，2000.

[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,2001,20(2):202-207.

[3]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):91-94.

[4]高广远,高盟,杨成斌,等.基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报,2010,32(3):453-459.

[5]胡恒,朱厚喜,贾立宏.基坑开挖对邻近地铁结构基础的影响分析[J].岩土工程学报,2010,32(增刊1):116-119.

[6]杨德春,刘建国.地铁隧道附近软土深基坑设计与施工关键技术分析[J].建筑结构,2012,42(7):109-114.

[7]高盟,高广运,冯世进,等.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究[J].岩土工程学报,2008,30(6):818-823.

[8]孔令荣,崔永高,隋海波.基坑开挖对邻近地铁变形的影响分析[J].工程勘察,2010(6):15-20.

[9]况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响[J].岩土工程学报,2000,22(3):284-288.

[10]况龙川,李智,殷宗泽.地下工程施工影响地铁隧道的实测分析[J].清华大学学报(自然科学版),2000,40(增刊1): 79-82.

[11]工程地质手册编委会.工程地质手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

Analysis on rebound displacement of adjacent metro tunnels by the excavation for the underpass

ZHANG Ming, LI Jingjing, ZHAO Yuru

(College of Civil Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

With the improvement of underground facilities such as metro, the problems that large area deep foundation pit excavation above the metro and metro connecting line has appeared. It is an urgent problem to be solved for the evaluation and prediction some influences of foundation pit excavation construction on the underlying metro tunnel. Based on the sunken plaza excavation project, the construction condition of down-traversing the sunken plaza for metro connecting line tunnel was considered, and the additional stress caused by the sunken plaza excavation was calculated separately by Boussinesq and Mindlin solution method, and the rebound displacement of metro connecting line tunnel was calculated by the layer-wise summation method. The results are shown as follows: the calculation results for Boussinesq and Mindlin solution method has a tiny discrepancy, and the results for Boussinesq solution method is on the secure side. The maximum rebound displacement of the centre line on the top and bottom of metro connecting line tunnel are respectively 13.8 mm, 3.5 mm by Boussinesq solution method, which meet the requirements of vertical deformation for the urban track .The calculation results of rebound displacement are closely in compliance with the measured results on the top of connecting line tunnel, which confirms the rationality of the calculation methods.

metro connecting line; sunken plaza; rebound displacement; pit foundation; Boussinesq solution; Mindlin solution

2016-03-08

河南省科技发展计划项目(122102310449)

张明(1979-)，男，湖北京山人，副教授，博士，主要从事城市地下空间的开发与安全评估方面的研究.

TU924

A

1674-330X(2016)03-0038-04