下卧运营地铁隧道基坑开挖方案优选

罗 星

(中铁一局集团有限公司广州分公司，广东 广州 511400)

0 引言

随着城市化进程的快速推进，我国城市空间尤其是地下空间的开发与利用已进入快速发展阶段[1]。不可避免地，城市地下空间的开发会面对新建工程对既有建筑结构的影响问题。近年来，城市地下工程中出现了诸多基坑工程下卧小净距既有地铁隧道区间的情况，为基坑工程的施工带来了很大的挑战。因此，如何优化基坑施工方案来控制基坑和既有隧道的变形以保障新建工程施工和既有建筑结构的安全，已成为此类基坑工程安全施工的难题之一。

基坑开挖施工对下卧隧道的影响主要有理论解析法、现场监测法和数值方法[1,2]。理论研究方面多对实际工程进行极大的简化，其计算结果往往与实测数据相差较大[1-5]。由于其直观易行的优点，现场监测手段基本上覆盖了所有地下工程的施工过程[6-9]，但现场监测数据具有滞后性，不能很好的指导施工。而作为现场监测方法不可或缺的有益补充，数值模拟被广泛的用于该类问题的研究，并取得了较大的进展[10-14]。

深圳前海交易广场项目基坑工程设1层～3层地下室，位于正在运营的地铁1号线鲤鱼门站—前海湾站区间上方，2层地下室距隧道顶部仅为3.11 m。为保障基坑的施工安全以及施工过程既有地铁的运营安全，本文采用Midas GTS有限元软件动态模拟施工风险最大位置处的基坑开挖过程，分析基坑开挖对区间隧道结构的影响，以期为基坑开挖方案的合理制定提供技术支撑。

1 工程概况

前海交易广场项目基坑及地下室结构工程位于前海自贸区桂湾片区，项目占地面积为7.9万m2，设1层～3层地下室，基坑开挖深度约9 m～17 m。地铁1号线鲤鱼门站—前海湾站区间从基坑下方穿过，前海交易广场项目基坑及地下室结构工程平面位置关系如图1所示。基坑西侧为在建地铁5号线南延线桂湾站，距离基坑开挖边线最近约12.8 m；地铁1号线鲤—前区间从基坑下通过，基坑开挖后，地铁两侧单排桩距离左、右线隧道仅为4.6 m，2层地下室距离隧道顶部仅为3.11 m，1层地下室距离隧道顶部为6.66 m～8.96 m。

理论研究选择施工风险最大位置进行分析，即地铁区间隧道附近。基坑围护桩为直径1 400 mm@1.8 m，桩顶冠梁b×h=1 000 mm×1 400 mm，桩间拉梁为1 000 mm×1 000 mm@5 m，区间隧道上部基坑底板厚1.5 m。基坑围护桩距离区间隧道侧面最近约4.5 m，基坑底板距离区间隧道上部最近约3.15 m。围护桩外侧开挖预留反压土，邻近2层、3层地下室采用逆作法施工。

工程项目位于填海区，场地原始地貌为滨海滩涂地地貌，经堆载预压法软基处理形成现在的陆域，场地内地层自上而下有：①填土(石)、④砂质粘性土、⑤1全风化花岗岩、⑤2强风化花岗岩、⑤3中风化花岗岩、⑤4微风化花岗岩。

2 施工方案及有限元模型

2.1 施工方案

地铁区间隧道上部土体考虑两种施工开挖方案：方案一中区间隧道上部部分土体分块开挖，地面6.75 m(标高0.25 m～7.0 m)的土体整体分层开挖，标高0.25以下土体分块开挖，具体施工工艺流程为：地铁区间隧道上部土体考虑两种施工开挖方案：方案一施工工艺流程为：a围护桩、结构柱施作；b土方开挖,先两侧后中间；c土方开挖至B1层地下室底板；d预留反压土；e反压土区域结构逆作；f隧道上部分块开挖；g隧道上部结构板完成。方案二采取区间隧道上部土体竖井分块开挖的方式进行，从地面位置采用竖井分块开挖，具体施工工艺流程为：a围护桩、结构柱施作；b土方开挖,先两侧；c两侧土方开挖至B1层地下室底板；d预留反压土；e反压土区域结构逆作；f隧道上部竖井分块开挖；g隧道上部结构板完成。

2.2 有限元模型

采用Midas GTS有限元软件动态模拟施工风险最大位置处的基坑开挖过程，结合工程地质、邻近地铁区间隧道情况和基坑开挖方案，建立基坑及地铁区间隧道的整体有限元模型，分析基坑开挖对区间隧道结构的影响规律，为基坑开挖方案的合理制定提供技术支撑，同时保障施工安全。

有限元模型计算域选择3倍～5倍基坑深度，模型尺寸为160 m×98 m×27 m(宽×高×长)，土体围岩和区间隧道上部板采用体单元，其他结构梁、板均采用梁单元模拟。模型上表面为自由边界，底部为固接，各侧面均施加法向位移约束，围护桩(入岩)和地下室结构柱底部(有桩)均设置为固接，有限元模型如图2所示。有限元模型中土层及其力学参数如表1所示。

表1 土层参数

土层厚度/m重度kN/m3弹性模量EMPa泊松比μ粘聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)填土(石)16.6519.0100.31512砂质粘性土10.618.5230.32820全风化花岗岩7.819.5600.283527强风化花岗岩12.821.01300.274530微风化花岗岩59.426.04 0000.23160

3结果分析

图3，图4分别为方案一和方案二施工完成后区间隧道和围护桩变形，为便于分析，图5给出了方案一和方案二每个施工阶段区间隧道最大变形计算结果。图3b)和图4b)表明，施工方案一中围护结构最大变形值为7.22 mm，施工方案二中围护结构最大变形值为12.58 mm。

由图3，图5a)可知，采用施工方案一时，基坑开挖过程中区间隧道以竖向变形为主，最大竖向变形约为20.29 mm，最大水平变形为3.44 mm。施工阶段c为土方开挖至B1层地下室底板时刻(标高0.25 m～7.0 m)，此时变形已占总变形的59%，从施工阶段e之后，即区间隧道上部(标高0.25以下)土体的分块开挖阶段，区间隧道变形继续开始增大。

由图4，图5b)可知，采用施工方案二时，基坑开挖过程中区间隧道最大竖向变形为9.65 mm，最大水平变形为4.16 mm。施工阶段e之前(即区间上部基坑外侧的土体已开挖完，地下室结构也已完成)区间隧道变形不大，约为2 mm，占总变形的20.7%。施工阶段e之后，即采用竖井方法开挖区间隧道上部所有土体，区间隧道变形开始增大，变形值随着竖井开挖过程呈线性变化，最大值达到9.65 mm。

4 结语

采用施工方案二“竖井分块开挖方案”可有效控制基坑开挖过程中下卧区间隧道的变形，但同时围护结构的变形会有所增大。因此，施工方案二“竖井分块开挖方案”应重点控制隧道上方竖井开挖过程。

方案二“竖井分块开挖方案”的中间新增桩离区间隧道很近，应重点控制围护桩施工对区间隧道的影响，防止围护桩施工造成区间隧道的变形而影响后续施工。每个竖井中土体开挖完成后应及时施作1.5 m厚混凝土板，同时可考虑增大基底混凝土板厚度、增强混凝土板与围护桩连接等措施进一步有效控制施工对区间隧道的影响。

参考文献:

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