上覆土层开挖对地铁隧道的影响分析与研究

王亚南，邓国华，于文龙

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510010；2.西安黄土地下工程技术咨询有限公司， 陕西 西安 710048)

近年来，地铁工程发展迅速，随之而来的是地铁沿线大面积的开发建设和市政配套，这就必然会对地铁结构状态造成影响。国内外有大量的专家和学者对地铁周边新建建(构)筑物对地铁结构的影响进行了大量的分析，尤其是明挖基坑变形规律及对地铁结构的影响分析[1-8]，各大城市相继出台了地铁保护条例，国家也发布了安全保护技术规范[9-11]，目的就在于消除地铁沿线建设对地铁自身的影响。据报道，某城市地铁区间隧道受近距离基坑开挖的影响，出现了较大侧向变形，危及结构安全，造成了严重的后果，采取了抢险措施；某城市地铁结构顶板直接被打穿，危及运营和乘客安全，引起了很大轰动。究其原因，主要是对工程建设对地铁结构的影响把握不清。为此，需严格按照本地区城市轨道交通工程管理条例及相关规范对沿线工程项目建设对地铁的影响进行评估分析。

本文结合具体的工程实例，通过工程类比、现场试验、理论计算及数值模拟[12-13]等几种分析方法研究上覆土层开挖对地铁隧道所造成的影响和分析，同时通过计算分析提出土层开挖减小对地铁结构影响的措施。

1 工程概况

西安地铁四号线大明宫北—余家寨区间起于北二环大明宫立交南侧，终于余家寨村，隧道位于太华路下方，区间场地略有起伏，线路从北二环大明宫立交南侧出站后，沿太华北路敷设，依次穿越大明宫立交下已拆迁人行天桥桩基、北二环大明宫立交桥、大明宫立交北侧人行过街天桥到达大明宫站，施工方法为盾构法。该区间隧道底板标高介于373.376 m～379.486 m之间，隧道埋深约10.00 m～16.24 m，线路最大纵坡为28‰，最小曲线半径R=700 m。区间隧道内径为Φ5 400 mm，管片厚度为300 mm，隧道外径为Φ6 000 mm。管片：C50,P10防水钢筋混凝土，管片环向分6块，F块为纵向插入式。管片之间采用弯螺栓连接，环向每个接缝有2个螺栓，共12个；纵向共设10个螺栓(除了封顶块，其它块各2个)。管片环宽为1.5 m，左右转弯环采用单面楔形，楔形量为38 mm；管片采用错缝拼装。为满足防水构造要求，在管片的环缝、纵缝面设有一道弹性密封垫槽及嵌缝槽；由于管片拼装需要，每块管片中央均设有吊装孔，吊装孔兼二次补强注浆的注浆孔(见图1)。

(a) 剖面图 (b) 整体图

图1盾构管片图

下穿太华路南、北通道，位于地铁四号线大明宫北—余家寨区间正上方。通道均宽11.2 m，高4.8 m,长46 m，分段长度为11.48 m、23.00 m、11.48 m，共分3段，分段之间设2 cm沉降缝。区间隧道从中间23 m段通过，南侧通道结构底板距离区间隧道顶最近为4.98 m。北侧通道结构底板距离区间隧道顶最近为9.69 m。南侧通道距离大明宫北站37.9 m。下穿立交桥匝道和辅道通道距离区间隧道大于60 m。本文选取南侧通道进行研究分析(见图2)。

图2下穿通道与地铁结构平面位置图

2 工程及水文地质概况

大明宫北—余家寨区间，起于北二环与太华路十字以南，终于余家寨村，隧道位于太华路下方，穿过北二环后，隧道向东偏移。区间场地地形略有起伏，地面高程介于393.38 m～396.89 m。本区间地貌单元属渭河二级阶地。

大明宫北—余家寨区间场地无地表水系，但区间西南侧约0.5 km有太液池，太液池总面积约为14.1万m2，池底采用防渗结构，太液池于2010年7月5日注水，水面高程398.80 m，水深约1.50 m。太液池以人工注水补给为主，排泄方式主要为大气蒸发。场地内地下潜水稳定水位埋深18.80 m～20.50 m之间。本区间南端大明宫北车站抗渗水位为389 m。地表分布有厚薄不均的全新统人工填土(Q4ml)；其下为上更新统风积(Q3eol)新黄土及残积(Q3el)古土壤；再下为上更新统冲积(Q3al)粉质黏土、中砂等。具体各土层力学指标见表1。

表1 各土层力学指标表

3 分析结果研究

3.1 工程类比法

(1) 实测案例1。西安南门外综合改造工程中的市政隧道从已运营的地铁2号线钟楼—永宁门区间隧道上部通过，市政隧道基坑开挖深度超过8 m，两者之间净距仅为2.0 m。市政隧道基坑开挖引起地铁区间隧道向上的位移：左线隧道拱顶和拱底隆起值分别为5.6 mm和5.3 mm，右线隧道拱顶和拱底的最大隆起值分别为5.2 mm和4.7 mm；基底最大隆起值为15.3 mm。

(3) 实测案例3。广州天河东路—天河路隧道经过天河路与天河东路的交叉位置，位于地铁3 号线左、右线(上、下行线)的上方，呈垂直走向，三号线处于运营阶段。隧道通道净高为5.0 m，距天河路隧道底标高2.76 m左右，基坑开挖深度为7.3 m。监测结果表明，左线隧道竖向变形最大上浮位移为3.2 mm，最大沉降为-1.5 mm，右线隧道表现为整体上浮，隧道结构最大上浮位移为2.9 mm；基底最大隆起值为9.89 mm。

(4) 计算案例4。项目位于成都市市中心繁华地带，地铁2号线从场地办公楼和商业内局部地段通过，地下室为2层，局部3层。地下2层位于运营地铁之上。地层为砂土，地铁最大上浮2.6 mm。

根据以上工程的类比，结合太华路—北二环立交工程地层特性、基坑深度和平面尺寸，预测下穿太华路南侧地下通道引起隧道上浮变形约为4 mm～6 mm；基底最大隆起值为12.54 mm。

3.2 现场试验法

为能够准确评价基坑回弹变形，本次在现场开展三组K30载荷试验(见图3)。

图3现场测试图(利用现场挖掘机提供反力)

根据西安地区经验，考虑到载荷板尺寸、实验条件与实际基坑的差距，实际回弹量约为载荷板试验测得的5倍～8倍，根据本次测试计算结果，约为6.35 mm～10.16 mm。

3.3 理论计算法

根据《建筑地基基础设计规范》[14](GB 50007—2011)，地基回弹变形量可按下式计算：

(1)

式中：Sc为地基回弹变形量，mm；ψc为回弹量计算经验系数，无地区经验时可取1.0；Pc为基坑底面以上土的自重压力(kPa)地下水位以下应扣除浮力；Eci为土的回弹模量。

经验算，基坑底卸荷回弹量：Sc=18.137 mm

值得注意的是地基基础规范中的推荐回弹变形计算方法，主要适用于深基坑，计算方法也是深基坑经验的总结，浅基坑计算时可能存在较大的误差。

3.4 数值模拟法

采用ANSYS有限元分析软件，建立整体三维模型分析计算整个开挖过程对地铁隧道的影响，有限元计算模型见图4。

选取分析工况如下：

工况1：一次性放坡开挖→一次性浇筑横通道→一次性回填基坑

工况2：分2层放坡开挖→边开挖边浇筑横通道→一次性回填基坑

(1) 工况1计算结果。工况1计算结果见图5。

图4有限元模型网格图

(a) 基坑底部隆起图 (b) 拉应力云图

图5工况1横通道施工期间盾构管片隆起及拉应力变形云图

根据上述计算结果可知，工况1基坑最大隆起为10.1 mm，盾构管片的最大隆起值为3.3 mm，曲率半径为ρ=65 000 m>15 000 m，故区间隧道的曲率满足安全要求，但从隧道结构受力角度来看，隆起最大部位附近的管片拉应力约为2.3 MPa，低于C50素混凝土的轴心抗拉强度3.1 MPa[15]，满足抗裂要求，盾构管片的最大隆起值为5.2 mm。

(2) 工况2计算结果。工况2计算结果见图6。

(a) 基坑底部隆起图 (b) 拉应力云图

图6工况2横通道施工期间盾构管片隆起变形及拉应力云图

根据计算结果可知，工况2边放坡开挖、边浇筑横通道衬砌的施作方法时，基坑最大隆起为7.2 mm，管片的最大隆起值为2.5 mm，曲率半径为ρ=90 000 m>15 000 m，故区间隧道的曲率满足安全要求，且盾构管片的最大拉应力为1.8 MPa，未超过C50混凝土的设计抗拉强度值3.1 MPa，表明采取工况2进行横通道施工时，盾构管片受拉和变形均满足设计要求。

3.5 盾构管片受力计算

采用ANSYS有限元软件，建立结构-荷载模型，对盾构管片内力变化进行分析，并对照既有结构设计情况评估其安全性。盾构管片的受力及配筋计算，采用结构荷载法计算原理进行计算，根据盾构管片所处地层的厚度及盾构管片上方基坑开挖期间存在的两次应力场变化、施工荷载的变化，来进行衬砌内力的计算、配筋和裂缝宽度验算，考虑计算工况如下：

(1) 工况1：原地层条件下盾构管片内力及变形分析。

(2) 工况2：横通道开挖卸载条件下盾构管片内力分析。

(3) 工况3：横通道衬砌施工条件下盾构管片内力分析。

根据荷载计算简图施加荷载，计算完成后得到的内力包络结果如图7—图9所示。

图7 轴力图(单位：kN)

图8 弯矩图(单位：kN·m)

图9法向位移图(单位：mm)

从上述工况的分析结果可知，原始地层下的工况1盾构管片受到的荷载最大，基坑开挖后盾构管片受力相对减小，横通道衬砌施作后，盾构管片受力又有所增大，受到局部偏压影响，隧道衬砌管片的轴力和弯矩均有一定程度的增大，但总体而言，基坑开挖工况2和横通道衬砌施工工况3相对于原工况1而言，衬砌受力均比原工况小，因而原工况下衬砌的配筋及裂缝宽度满足要求时，工况2和工况3自动满足要求。

3.6 抗浮计算

开挖卸荷、通道施作，减小了隧道结构上覆荷载，对施工期间、通道完成后进行地铁隧道抗浮进行验算：Gk/Nw,k≥Kw。

抗浮水位：根据地铁勘察报告：本区间南端大明宫北车站抗浮水位为389 m，北端余家寨抗浮水位为386 m，区间各段抗浮可根据里程内插取值。分别计算得到下穿太华路南侧区间隧道的抗浮水位为391 m。

经计算抗浮安全系数为1.396≥1.050，满足抗浮要求。

4 结 论

本文结合工程实例分析研究了上覆土层开挖对地铁区间隧道的影响和分析，得到的主要结论如下：

(1) 地铁隧道上覆土层因开挖基坑而卸荷后，基底土层将卸荷回弹，从而引起盾构隧道产生上浮变形，土层的开挖方式对变形的影响起着至关重要的作用，应采用分层对称开挖法进行上覆土层的卸载，尽量减小开挖对区间隧道的影响。

(2) 地下工程普遍存在抗浮问题，土层开挖后隧道的抗浮问题需重点关注并进行抗浮计算分析，对于抗浮水位较高覆土较浅，抗浮不能满足要求的应采取必要的工程措施进行处理。

(3) 本文计算和分析土层回弹变形所得到的结果存在出入，主要是由于岩土工程的特殊性所决定的，但是从大的变形趋势来说几种分析方法所得到的结果可以达到相互验证的目的，对于所得出的结果应该是可信的。

(4) 随着越来越多类似工程的开展，将会有更多的实测资料进行对比分析，后续工作可以根据实测资料进行统计分析，以便为以后类似工程提供参考依据。