管道沟槽开挖对地铁隧道影响的分析

王科科

（上海市政工程设计研究总院集团浙江市政设计院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

根据杭州市地铁规划，至2022年将建设完成1号线三期、2号线三期、3号线一期、4号线二期、5号线二期、6号线二期、7号线、8号线一期、9号线一期、10号线一期共十条线路，总长196.1 km。届时，杭州市轨道交通地下路网密布。地铁给城市生活带来便利的同时也对市政工程的建设产生了一定的影响。市政工程施工临近地铁隧道时使原有土层的受力平衡被破坏，导致地基应力的重分布。对原有的地铁隧道产生了额外的附加力与变形。根据《杭州市城市地铁隧道运营管理办法》，地下车站与隧道结构外边线外侧50 m内为城市地铁隧道控制保护区范围，在保护区范围内从事基坑（槽）开挖、顶进、爆破、桩基础施工、灌浆、喷锚、勘察、钻探、打桩、降低地下水位等可能影响城市地铁隧道运营及设施安全的作业时，应当制定专项施工方案，在征得运营单位同意并依法办理有关行政许可手续后方可进行施工。施工引起的地铁隧道的变形：隆起不得超过10 mm，水平位移不得超过5 mm

本文根据杭州市某新建道路工程为案例，针对管道沟槽大开挖施工过程中对地铁隧道造成的影响进行分析，从而对临近地铁隧道的开挖施工提出建议和措施[1-4]。

1 工程概况

本次新建道路下卧地铁1号线。既有地铁隧道为双线单圆盾构隧道，本工程范围内隧道埋深约10 m，隧道外径6.2 m，地铁盾构隧道左右线走向平行，双洞净间距5.8 m。新建管道主线与地铁隧道平行，部分段斜交。平行段管道沟槽底与地铁盾构隧道垂直净距6.7～8.0 m，管道沟槽开挖深度2.5～3.6 m；斜交段管道沟槽与地铁盾构隧道交角约20°，管道沟槽开挖深度3.6～5.0 m，沟槽底与地铁盾构隧道垂直净距约5.3 m，管道沟槽开挖时采用轻型井点降水，降水深度在沟槽底以下0.5 m，见图1。

图1 设计管线与地铁盾构隧道平面位置图

2 工程地质条件

根据地勘资料显示本工程范围内的土层分布主要有：①层厚1.80～2.40 m，填土；②层厚5.6～7.60 m，砂质粉土；③层厚 2.80～4.20 m，砂质粉土；④层厚 2.60～3.20 m，粉砂；⑤层厚13.00～13.50 m，淤泥质粉质黏土；⑥层厚12.30～13.20 m，淤泥质粉质黏土；⑦层厚为1.00～1.50 m，粉质黏土；⑧厚度10.1 m，圆砾⑨层厚2.20 m，全风化安山玢岩⑩层厚2.20 m，强风化安山玢岩。

3 沟槽开挖时地铁隧道保护方案

为了最大限度的减小开挖对临近地铁隧道的影响，在工程的设计、施工各个环节必须严格控制。本工程沟槽开挖深度约2.5～5.0 m，但距离地铁隧道较近，最小净距仅5.3 m。由于距离较近，开挖引起的土体扰动易对地铁隧道产生直接影响，施工时总结以往的设计经验结合工程场地地质条件。沟槽开挖时两侧边坡采用土钉墙支护方式，坡度设为1:0.5，减小开挖面范围，加固沟槽两侧土体，使开挖引起土体应力变化尽量最小。

4 开挖施工对地铁隧道影响的计算分析

4.1 数值计算模型介绍

本次计算采用MIDAS有限元软件进行数值计算，选取管道沟槽与地铁隧道平行段面、斜交段建立数值模型，模拟管道沟槽开挖施工过程，分析施工对下卧既有地铁隧道的影响。

本次模型建立将平行段和斜交段分别从二维、三维两个模型来分别计算分析。建立模型时，考虑隧道洞径及沟槽开挖深度的3～5倍。二维计算时，平行段模型可简化为平面应变问题。土体采用四边形平面应变单元模拟，地铁盾构管片采用梁单元模拟；三维计算时，土体采用四面体实体单元模拟，地铁盾构管片采用板单元模拟。模型边界采用MIDAS中地面支承边界，程序自动添加土体各方向约束。

4.2 计算参数

各计算参数取值见表1、表2。

4.3 模型计算分析

（1）平行段管道开挖沟槽与地铁隧道外边线平面距离6.1 m，垂直距离7.35 m，地铁隧道双洞净间距5.8 m，地铁埋深10.95 m。沟槽开挖深度3.6 m，采用坡度1:0.5放坡开挖。施工顺序：初始自重应力平衡→管道沟槽开挖，见表3。

（2）斜交段管道开挖沟槽与地铁隧道外边线垂直距离5.35 m，斜交角度20°，地铁隧道双洞净间距5.8 m，地铁埋深9.5 m。沟槽开挖深度4.15 m，采用1：0.5坡度放坡+土钉墙支护开挖。管道开挖顺序：初始自重应力平衡→斜交段两端土体开挖，铺设管道→斜交段两端土体回填→中间段土体开挖，铺设管道→中间段土体回填，见表4。

表1 模型中岩土土层参数取值

表2 模型中结构参数取值

表3 平行段沟槽开挖对地铁隧道位移变形

4.4 计算结论分析

通过以上计算，结果汇总见表5。

从表5中可以看出，经过计算分析，本工程范围管道沟槽开挖施工时引起地铁隧道盾构最大隆起值为9.926 mm＜10 mm，最大沉降值为9.794 mm＜10 mm，最大水平收敛值为4.756 mm＜5 mm，满足相关规范和设计要求。

基坑开挖对地基土层产生扰动，周围土体水平应力卸载不可避免产生地表沉降，卸载距离地铁隧道越近隧道的变形越大，随着开挖深度的加深变形也越大。竖向变形9.926 mm大于水平变形4.756 mm。

斜交段两端开挖时的变形较中间段开挖时的变形大，施工时可结合这一特点合理安排施工的时序与监测节点的布置。

表4 斜交段沟槽开挖对地铁隧道位移变形

表5 地铁盾构隧道最大变形值统计

5 沟槽大开挖时对地铁隧道保护措施建议

在地下轨道交通密布的城市里，市政工程施工时对既有地铁线路的保护提出了诸多难题。在满足设计计算要求的同时，可结合现场地质及周边环境的实际情况，采取有效安全的施工措施来实现对已有地铁隧道的保护：

（1）在不得不用基坑支护的前提下，建议采用土钉支护来代替钢板桩。钢板桩打设深度远大于基坑深度，且拔桩时易对土体产生二次扰动。

（2）若存在废弃管道时，不建议采用挖除回填的方式处理，可对废弃管道及检查井采用吹砂灌浆处理，保留原构筑物。

（3）近地铁段道路施工尽量采用轻型压路机压实路基。

6 结语

本文就市政工程中最常见的管道沟槽开挖为案例，用MIDAS有限元软件来计算模拟杭州市某条新建道路上大开挖施工对已建地铁隧道的影响。

（1）在地铁隧道安全保护区范围内大开挖必然会引起土体应力变化，从而对周边土体产生沉降和位移，进而影响已建地铁隧道的安全性。经上述计算管道沟槽开挖采用土钉支护方案可行，对地铁隧道产生的位移较小，保证了地铁隧道的安全。

（2）利用有限元计算软件模拟方法分析得出，管道沟槽开挖对已建地铁隧道有影响，变形主要体现在竖向位移，即以沉降为主，水平位移变化较小。地表沉降、隧道水平位移随沟槽开挖深度的加深逐渐变大。

（3）管道与地铁盾构隧道斜交时，建议先开挖斜交段两端的土体，验收合格后及时回填，再开挖斜交段中间部分的土体。

（4）沟槽开挖应针对本地区土层的特性应用“时空效应”理论，并严格遵循“抽条、对称”开挖，“随挖随捣垫层”的原则，使土方开挖过程中能可靠而合理地利用土体自身在沟槽开挖过程中控制土体位移的潜力。

[1]JTG/TD70-2010,公路隧道设计细则[S].

[2]JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程[S].

[3]裴行凯,倪小东.深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析与对策[J].水利与建筑工程学报,2013（6）:45-48.

[4]杭州市人民政府令第289号,杭州市城市轨道交通运营管理办法[S].