明挖箱涵对既有地铁隧道安全影响研究

崔延恒， 马耀仁， 惠弘煜

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308）

随着经济的发展，不可避免地出现既有地铁隧道上部道路需要升级改造的情况，可能涉及到深基坑工程，如新建隧道、桥涵等。在既有地铁结构上部开挖深基坑，极大地改变了地铁结构周围原状土体的应力场，原状土体的强烈扰动导致周围土体发生位移，进而带动地铁结构发生变形及应力变化，轻则影响地铁轨道的平顺度，严重时还会造成地铁结构裂缝、渗漏水甚至影响运营安全。因此，对地铁隧道结构上部的深基坑施工应全过程密切关注。

地铁盾构区间隧道上部进行基坑开挖，目前国内已有较多案例[1～3]，但从研究现状来看，由于地下工程的复杂性、多样性以及上部基坑工程的差异性，难以提出较为精确的理论解析方法。目前，大部分上跨地铁的高风险基坑工程是在实施前采用有限元数值模拟进行预测，根据预测结果预先采取加强、加固措施，实施过程中同步进行信息化监测，根据监测结果对加固措施进行不断修正，最终达到在保证下部地铁隧道安全运营的前提下顺利实施上部基坑工程的目的。

本文结合无锡长江路改造工程的实际情况，综合分析上跨既有地铁隧道箱涵项目的整个建设过程对地铁造成的不利影响，探讨实施过程中存在的问题，为后续类似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

某道路改造项目中存在4座上跨地铁盾构区间隧道的新建箱涵，箱涵平面投影与地铁隧道垂直相交。新建箱涵影响范围内的地铁盾构隧道管片直径6.2 m、壁厚0.35 m，错缝拼装，各部分及相邻管片间采用高强螺栓连接，隧道顶部埋深在12.0～15.7 m，箱涵施工时地铁隧道已施工完成，按既有结构考虑。见表1。

表1 各箱涵结构尺寸及与地铁隧道的相对位置关系m

场地范围内地层相对较均匀，自上而下依次为：①1杂填土、②2粉质黏土、③1黏土、③2粉质黏土、④1粉土、④2粉土加粉砂、⑤1粉质黏土、⑥1黏土。新建箱涵底部位于②2、③2层；地铁区间隧道主要位于④2、⑤1、⑥1层。

在施工图设计阶段，通过对多种方案的对比分析及专家论证，最终选定了基坑分期实施的方案；为进一步减小基坑开挖期间的荷载损失，支护采用直立式围护结构（SMW工法桩+内支撑）。

基坑开挖分期线设置在地铁隧道中心位置正上方，一期施工中部基坑，二期施工两侧基坑。一期基坑开挖时，利用隧道上部二期基坑范围内的土体对隧道进行压载；二期基坑开挖时，在一期基坑施工完成的结构上进行配重，以补偿二期基坑开挖期间地铁隧道上部的荷载损失，达到控制隧道变形的目的。另外，在基坑开挖前，对基底以下5 m范围内的土体进行加固，增强基底和隧道正上方土体的物理力学特性，在隧道上方形成整体性很好的空间厚板体系，减小基坑开挖产生的基坑回弹和隧道隆起。见图1。

图1 A#箱涵基坑布置

2 数值模拟分析

采用MIDAS GTS NX 三维有限元软件对箱涵施工进行全过程动态模拟分析。本构模型选用修正摩尔-库伦模型，围护结构及主体结构采用板单元，支撑采用1D 梁单元，土体采用实体单元，地面超载取20 kPa，考虑基坑宽度的影响，A#、D#箱涵一期结构配重取30 kPa，B#、C#箱涵不配重。见图2-图3和表2。

图2 三维有限元计算模型

图3 A#箱涵下卧地铁隧道纵向变形曲线

表2 箱涵下卧地铁隧道随箱涵施工变形 mm

由图3和表2可知：

1）在隧道上方进行卸载的工况（如基坑开挖），隧道发生隆起变形；在隧道上方进行加载的工况（如SMW 工法桩施工、基底加固、结构回筑、配重等），隧道发生沉降变形；

2）上部基坑开挖时，隧道最大隆起值出现在开挖基坑的中心位置下方，沿隧道纵向往两侧逐渐减小，隆起变化呈正态曲线分布；

3）因一期基坑和二期基坑实施范围相对于下部隧道位置基本对称，故上部基坑实施过程引起下部隧道发生的水平变形均较小；相对于A#、D#箱涵，由于B#、C#箱涵基坑宽度较小，对隧道水平位移的影响也较小；

4）在基坑开挖深度基本一致的情况下，隧道最大变形受上部基坑开挖宽度的影响明显，开挖宽度越大，对隧道影响越明显；

5）在不考虑施工过程影响，仅考虑SMW 工法桩和地基加固土体的总荷载比原状土增加的情况下，隧道发生沉降变形；

6）设计方案中采取的在隧道中心位置上方进行基坑分期、地基加固及在一期结构上进行荷载补偿配重等科学、合理，将基坑实施对隧道的不利影响控制在允许范围内。

3 工程建议措施

深层搅拌桩施工过程会在一定影响范围内产生挤土效应，对邻近地铁隧道结构产生不利影响[4～8]。在软土地区，由于土体的固结效应和软黏土流变性的特点，基坑工程的“时空效应”明显[9～12]；因此，合理利用“时空效应”原理精心组织地铁隧道上部基坑工程施工是保证工程顺利实施的关键措施之一。

根据本工程特点并结合其他类似工程案例的经验，提出以下建议措施。

1）整个施工过程应在地铁保护监测的指导下进行信息化施工。

2）SMW 工法桩施工前应进行试桩，建议施工参数：钻头下沉及提升速度≯0.5 m/min，地基加固水灰比≯1.2，SMW 工法桩水灰比≯1.5。通过检测及监测结果确定合理的施工参数，指导现场施工。

3）SMW 工法桩施工过程中若出现型钢插入困难的情况，应搅拌后重新插入，严禁采用锤击或静压法沉桩。

4）基坑开挖应严格遵循“先撑后挖、分期、分层、分段”的原则进行。

5）为减少坑底暴露时间，应在基坑开挖至基底后8 h内完成垫层混凝土浇筑，24 h内完成底板混凝土浇筑。提前对钢筋放样，开挖前在规定的空间内预演绑扎；垫层及底板浇筑时，建议采用早强混凝土。

6）合理规划起重、吊装及大型施工机械在地铁正上方的行走路径及操作位置，必要时设置路基箱或厚钢板等措施，确保隧道上部受力均匀。

4 信息化监测

对箱涵施工过程中隧道变形进行信息化监测。

1）地基加固及SMW 工法桩施工期间，A#箱涵下卧地铁隧道发生最大约2.9 mm的隆起变形，后随时间回落至1.0 mm；B#箱涵下卧地铁隧道产生最大约2.1 mm 的沉降变形，后随时间回弹至1.0 mm；C#、D#箱涵下卧地铁隧道发生的隆沉变形基本在±1.5 mm 之内，变形量相对较小。主要因为A#、B#箱涵为第一批施工，各项施工参数指标尚在研究中，故出现了较大变形波动，当C#、D#箱涵施工时，各项施工参数已趋于相对合理。

2）地基加固及SMW 工法桩施工期间，B#、C#箱涵下卧地铁隧道有较大的水平位移，最大达到了3.1 mm且同一箱涵位置处左右线地铁隧道竖向位移也存在一定差异。该结果考虑为上部地基加固单一施工顺序产生的挤土效应所致。

3）在卸载（基坑开挖）工况下，箱涵下卧地铁隧道隆起，在加载（基坑回筑及配重）工况下，箱涵下卧地铁隧道沉降，与计算分析趋势基本一致。

4）在卸载工况和加载工况转换完成后，下卧地铁隧道仍将维持上一工况的变化趋势一段时间后才发生转换，存在一定的滞后性，进一步验证了“时空效应”的发生。

5 结论

1）搅拌桩存在一定的挤土效应，但可通过调整、优化施工参数的方式来减小其不利影响；关于对其最优参数的选取仍是下一阶段需要重点研究的方向。

2）软土存在一定的弹塑性，卸载产生隆起，加载产生沉降，隆沉变形在荷载稳定后会发生一定量的回落。

3）软土存在一定的流变性，“时空效应”明显，可利用时空效应原理，对施工期间下卧隧道的变形进行辅助控制。

4）本工程所采用的基坑分期、基底加固及配重等处理措施能有效控制明挖基坑下卧地铁隧道的安全，可为后续类似工程项目提供参考及借鉴。□■