邻近基坑卸荷情况下地铁隧道变形规律及加固措施

王立新 施王帅胤 徐硕硕 范飞飞 唐琨杰

1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043；2.西安理工大学土木建筑工程学院，西安710048；3.长安大学公路学院，西安710064

随着城市地铁快速发展，基坑开挖对近接地下结构的影响成为国内外地下工程界研究的热门课题。邵华等［1］对运营中的地铁隧道邻近基坑进行监测，在考虑各种风险因素的基础上对隧道变形和病害进行分析，给出隧道变形的关键控制措施。陈郁等［2-3］通过对基坑开挖过程中既有地铁隧道的监测，研究了既有地铁隧道的隆起规律，并基于隧道纵向变形规律采取相应的加固措施，降低基坑开挖对既有隧道的扰动。张立明等［4］通过对基坑开挖阶段地铁隧道的监测数据进行分析，得出了深基坑采用分期开挖可以有效降低邻近地铁隧道变形的结论。纪茜尧等［5］通过室内模型试验，分析了埋入式隔离桩对地铁隧道变形和周围土压力的影响，得出了埋入式的隔离桩基可以有效减小隧道的竖向和水平位移。Burford［6］以基坑工程对邻近地铁隧道的影响为背景，通过对地铁隧道的长期监测得出施工过程中既有地铁隧道的变形很小并保持隆起的状态。

现阶段采取的保护措施多是被动措施，一定程度上能够有效控制隧道结构的变形，但经济效益小、风险大，而合理的后期规划能有效地避免施工后可能出现的安全问题。

本文以西安一地铁隧道附近基坑工程为依托，采用有限元分析的方法对黄土地层基坑卸荷开挖工程进行动态模拟，研究不同加固工况下既有地铁隧道结构位移变形规律，明确现场施工时的监测要点，并对控制措施的加固效果进行评价，为该地区类似工程建设提供参考。

1 工程概况

根据规划，拟在西安一地铁区段附近进行地铁车站基坑开挖。该区段地铁隧道埋深在8.8～17.6 m。拟开挖基坑尺寸为76 m（长）×29 m（宽）×11.5 m（深）。开挖基坑与既有地铁隧道之间水平净距在4.1～23.1 m，地铁隧道内径为5.4 m，管片厚度为0.3 m。

该研究区域地势较平坦，地面高程为411.63～412.96 m。根据现场勘探调查和工程地质资料，基坑工程区域纵断面地层共有人工素填土、黄土状土、古土壤、粉质黏土、黏土层五层，级配不良，含水量饱和，均呈可塑状态。其中人工素填土主要由建筑垃圾、黏性土和零星的生活垃圾构成，成分杂乱，疏密不均，土体松软，结构较松散。

为明确隧道变形控制措施的效果，在该地铁区段的隧道施工阶段，于隧道上方设置环向超前管幕，纵向长100 m，直径800 mm，环向间距850 mm。采用预应力锚索提高隧道的稳定性，抑制隧道隆起。每根预应力锚索锚固段长8 m，自由段长4 m，总长12 m，孔径150 mm；钢绞线3φ15.2；锁定力200 kN。抗浮锚索与管片相连。拟开挖基坑与地铁隧道的位置关系如图1所示。

图1 拟开挖基坑与地铁隧道位置示意

2 有限元模型

2.1 模型建立

根据圣维南原理，基于MIDAS GTS有限元软件，模型取150 m（长）×110 m（宽）×50 m（深）。模型土体采用3D实体单元模拟，管片和基坑围护结构简化为2D板单元模拟，基坑内支撑均采用1D梁单元，环向管幕采用植入式梁单元，抗浮锚索采用植入式桁架进行模拟。计算模型及加固结构如图2所示。

图2 计算模型及加固结构示意

整体模型施加自重与约束，环向管幕须在竖直方向进行转动约束。模型土体采用修正摩尔库伦本构模型，能反映黄土的内在特性。根据工程地质资料，各土层物理力学参数见表1。围护结构材料参数见表2。基坑支护结构、隧道结构和加固结构性能参数参考相关规范和工程经验［7］。

表1 土层物理力学参数

表2 结构材料力学参数

2.2 基坑近接既有隧道施工过程模拟

数值模型计算过程不考虑隧道的开挖对地层及周围环境的影响。根据基坑工程施工工序，并综合考虑对既有隧道结构的影响，计算时将施工阶段分为两个阶段进行模拟：第一阶段建立地应力场并构建区间隧道结构；第二阶段开挖基坑并及时支护。因此，在基坑施工前将第一阶段的位移清零，初始应力场仅仅考虑自重应力。在基坑卸荷时将基坑卸荷区域分为4个小区域，每个区域尺寸为19 m×29 m，按照Ⅰ—Ⅲ—Ⅱ—Ⅳ的顺序依次开挖基坑（参见图2）。开挖前首先施作基坑围护结构，然后进行土体的开挖；开挖时竖向分层，每次开挖3 m；每步开挖完成后及时施作内支撑，直至开挖至基坑底部，浇筑底板。

具体模拟步骤：①生成初始地应力并将位移清零；②激活隧道管片和加固措施，将位移清零；③施作围护结构；④基坑Ⅰ格构柱施工；⑤基坑Ⅰ开挖至3 m，施作第一道围檩和临时支撑；⑥基坑Ⅰ开挖至6 m，施作第二道围檩和临时支撑；⑦基坑Ⅰ开挖至9 m，施作第三道围檩和临时支撑；⑧基坑Ⅰ开挖至基坑底部，施作底板；⑨基坑Ⅲ、II、IV开挖（重复步骤④—⑧）；⑩基坑开挖完成，分析计算结果。

为检验主动加固措施的控制能力，建立四种加固措施工况：①未加固；②仅环向管幕加固；③仅抗浮锚索加固；④环向管幕和抗浮锚索综合加固。需要说明的是，未加固是指仅采用常规的基坑支护措施，即采用围护结构、内支撑支护和分层跳槽开挖方法。

3 计算结果及分析

3.1 既有隧道竖向位移

整个施工过程中，左线隧道最大竖向位移均发生在侧墙和拱顶。右线隧道距基坑较远，在施工过程中右线隧道变形一直表现为隆起变形且变化平缓，在基坑Ⅲ开挖结束后，整体呈现稳定的状态。因此选取左线隧道为研究对象。

左线隧道拱顶和侧墙处的竖向位移变化曲线见图3。

图3 左线隧道竖向位移变化曲线

由图3可知：左线隧道的侧墙和拱顶竖向位移变化趋势基本一致，在基坑Ⅰ开挖完成后，沉降最大值出现在邻近基坑Ⅲ、Ⅳ中间的隧道拱顶处，隧道纵向呈现中间沉降两边隆起的现象，沉降最大值为3.86 mm；随着基坑Ⅲ的开挖，隧道整体受到基坑Ⅲ开挖卸荷的影响而呈现上浮趋势；由于围护结构施工导致周围土体和左线隧道发生沉降，但当基坑Ⅲ开挖完成后，大范围卸荷引起的隧道隆起和围护结构施工引起的隧道沉降相互抵消，导致左线隧道拱顶处沉降最大值接近0；当基坑Ⅱ内土体卸荷完成后，隧道继续上抬，整体呈隆起状态，最大值为8.58 mm；随着基坑Ⅰ、Ⅲ先后完成开挖，最大的隆起变形区间出现在基坑Ⅰ、Ⅱ邻侧的隧道结构处；当基坑Ⅳ开挖完成后，左线隧道变形呈正态分布，中间隆起较大，两边较小，隆起最大值为9.68 mm。

由于基坑卸荷过程中隧道最大变形位于左线隧道中心左侧墙处，判断此处为基坑开挖过程中隧道的最不利位置。该点在整个施工过程中的竖向位移见图4。可知，整个施工过程中隧道结构出现的最大竖向位移始终小于变形控制指标最大值（10 mm）［8］，说明超前环向管幕、抗浮锚索等措施对提高既有隧道结构的稳定性和安全性有显著效果。

图4 基坑施工中左线隧道左侧墙竖向位移

需要注意的是，围护结构施工会导致隧道结构产生沉降变形，在支护结构施工过程中须加强监测，避免因支护结构施工而引起隧道结构发生较大沉降。在基坑Ⅰ开挖过程中，竖向位移变化较快，在第二层土体卸荷完成后，沉降值从7.11 mm突变至1.82 mm，隧道结构位移变化速率过大易导致安全事故发生，须采取措施限制隧道结构的位移变化速率并加强对隧道变形的实时监测，确保地铁运营的安全稳定。

3.2 围护结构竖向位移

基坑开挖完成后围护结构竖向位移分布见图5。可知：基坑Ⅰ开挖完成后，围护结构整体表现为沉降变形，沉降最大值为12.55 mm；由于基坑Ⅰ内土体卸荷的原因，基坑Ⅰ围护结构发生隆起，隆起最大值为3.67 mm；基坑Ⅲ开挖完成后，整体仍表现为沉降变形，沉降最大的位置从基坑Ⅲ、Ⅳ交界处移至基坑Ⅳ边墙，沉降最大值为7.12 mm，隆起最大值为4.64 mm；基坑Ⅱ开挖完成后，整体结构的隆起变形占70%以上，隆起最大值为9.61 mm，沉降最大值为6.18 mm；基坑Ⅳ开挖完成后，围护结构整体都发生了隆起，隆起最大值出现在围护结构中心处，为10.35 mm。图中所示百分数为该区段位移在图中所在的比例。

图5 围护结构竖向位移变化云图

基坑底部中点处的竖向位移变化曲线见图6。可知：围护结构施作后，基坑底部发生沉降变形，沉降最大值为9.62 mm；基坑Ⅰ开挖卸荷阶段，基坑Ⅰ底部中点位移变化速率较快，位移增量为24.92 mm；基坑Ⅲ开挖卸荷阶段，基坑Ⅲ底部中点隆起位移增加至15.49 mm，变化量为22.77 mm；基坑Ⅱ开挖卸荷阶段，基坑Ⅱ底部中点位移增量为21.86 mm，底板Ⅱ隆起21.93 mm；基坑Ⅳ开挖卸荷阶段，基坑Ⅳ底部中点变形增量为22.80 mm，底板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的最终隆起位移分别为22.42、23.74、24.18、21.25 mm。

图6 基坑施工中其底部竖向位移变化

由于底板的竖向位移变化速率和位移均较大，可采用堆载回压的方法，在底板浇筑完成并具有一定强度后及时堆载，抑制坑底土体的隆起变形。同时，在施工过程中须加强对基坑底部的监测，防止结构变形过大而影响结构使用性能。

3.3 既有隧道抗浮锚索轴力

基坑开挖结束抗浮锚索最终的轴力分布见图7。可知，抗浮锚索所受最大轴力为108.08 kN，满足抗浮锚索的安全储备，抗浮锚索在安全状态下起到控制隧道结构变形的作用。图中所示百分数为该区段轴力在图中所在的比例。

图7 既有隧道抗浮锚索轴力分布云图

4 控制措施加固效果对比分析

对比四种工况下隧道的竖向和水平位移变化规律，研究不同加固措施对既有隧道变形的控制效果。

4.1 既有隧道竖向位移控制效果

基坑开挖完成后不同控制措施下既有隧道竖向位移变化曲线见图8。可知：采用抗浮锚索和环向管幕综合加固措施后，隧道结构竖向位移最小，最大值为9.68 mm，小于变形控制指标最大值（10 mm）［8］，加固效果明显，满足隧道变形控制标准；仅采用环向管幕控制措施、仅采用抗浮锚索控制措施、未采用加固措施时隧道竖向位移最大值分别为12.18、11.02、13.23 mm，比采用综合加固措施分别增加了2.50、1.34、3.55 mm，仅采用环向管幕加固效果不明显，仅采用抗浮锚索加固效果较好，这三种工况均有部分结构竖向位移超过10 mm，不满足安全控制要求。

图8 既有隧道左线侧墙隧道竖向位移变化曲线

4.2 既有隧道水平位移控制效果

沿隧道纵向在左右线隧道侧墙选取四条测线，研究控制措施对隧道水平位移的影响。基坑开挖完成后不同控制措施下隧道水平位移最大值变化曲线见图9。可知：①相同控制措施下，隧道水平位移从大到小依次为左线左侧墙、右线左侧墙、右线右侧墙、左线右侧墙，最终水平位移在-2.22～1.55 mm。②各控制措施下，左线左右侧墙位移差与右线左右侧墙位移差相差不大，最大差值均小于3.80 mm，说明隧道左右线最终横向收敛最大值小于3.80 mm。③各控制措施下，隧道水平位移和变化速率均较小，其中采用综合控制措施后，水平位移最大值仅1.92 mm，远小于隧道结构水平位移安全控制标准值10 mm，满足安全储备要求。④不同控制措施下隧道的水平位移最大值接近，仅采用抗浮锚索和仅采用环向管幕加固措施对于限制管片水平位移的作用效果并不明显；控制措施对于左线的加固效果优于右线。

图9 不同加固措施隧道水平位移最大值变化曲线

5 结论

1）基坑全部卸荷完成后，相比于远基坑隧道，近基坑隧道出现较大位移变化；隧道竖向变形远远大于水平变形，施工过程中应重点监测管片竖向变形；基坑开挖过程中，左线隧道沿纵向竖向位移经历了从中间沉降两边隆起到中间隆起大两边隆起小的过程。

2）基坑卸荷过程中，围护结构的隆起最大值为10.35 mm，沉降最大值为12.55 mm。由于底板的竖向位移变化速率和位移均较大，须加强监测并采用控制措施限制坑底土体的回弹变形。

3）仅采用环向管幕或仅采用抗浮锚索对于控制隧道水平变形没有明显的效果，对于控制隧道竖向变形有较好的效果。仅采用抗浮锚索的效果优于仅采用环向管幕；采用综合加固措施可以满足隧道变形控制标准，作用效果显著。