基坑开挖对下伏既有地铁隧道稳定性影响分析

李腾飞

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000）

随着城市基础设施建设的推进，新建工程难以避免对周边既有建（构）筑物造成影响[1～4]；尤其对于运营中的既有地铁隧道，由于安全等级高，沉降变形控制标准严，若基坑开挖过程中产生较大的附加变形及作用力，将严重影响地铁运营安全。在基坑开挖过程中，如何控制上覆地层开挖造成的卸荷作用对下方运营地铁造成的影响，是目前地下工程领域亟待解决的关键问题[5～8]。

本文以长沙市桐梓坡路—鸭子铺通道工程（湘雅路过江通道段）为例，结合数值模拟软件，对基坑开挖所采取的加固措施与既有地铁区间相互作用进行评估分析，供类似工程参考。

1 工程概况

桐梓坡路—鸭子铺通道工程（湘雅路过江通道段）为城市主干道，设计速度50 km/h，线路先后下穿湘江大道、黄兴路、蔡锷路，全长约4.18 km，见图1。

图1 隧道总体平面位置

东岸明挖段与地铁6号线文昌阁站共建的西侧为明挖隧道与地铁1号线、6号线区间相交节点。明挖隧道位于地铁1号线上方并与1号线正交，隧道底与1号线隧道拱顶之间最小垂直距离为2.8 m；地铁6号线位于地铁1号线下方并与1号线正交，隧道拱顶与1号线隧道底之间的最小垂直距离为2.4 m。明挖隧道与地铁6号线相平行。为确保隧道基坑开挖不会对运营中的地铁隧道结构安全造成影响，设计采用袖阀管对地层进行加固处理，同时控制开挖量并设置抗拔桩。见图2。

图2 隧道节点处理措施方案断面

2 数值模拟

2.1 模型的建立

建立三维有限差分模型，横向（地铁1号线开挖方向）取5倍以上基坑开挖深度，总计100 m；纵向（通道与地铁6号线延伸方向）从6号线左右线的中线向两侧各取3倍以上洞径，总计70 m；竖直方向由坑底至下截面取3倍以上开挖深度，总计50 m，模型尺寸为100 m×70 m×50 m。见图3。

图3 数值模拟计算模型

模型共分13个实体网格组，分别为杂填土地层，粉质黏土地层，粉质黏土地层，粉质黏土地层，中风化板岩地层，地铁1号线左、右线开挖区，长沙地铁6号线左、右线开挖区，明挖基坑上层，明挖基坑下层，明挖隧道结构，袖阀管注浆加固区，实体网格均为六面体单元形式；结构单元6个，分别为地铁1号线左、右洞衬砌，地铁6号线左、右洞衬砌，放坡开挖上、下层支护。

各地层及袖阀管注浆加固区采用摩尔-库伦本构模型；新建隧道结构采用弹性本构模型；地铁隧道衬砌、放坡开挖支护均为各项同性的壳单元。见表1。

表1 数值计算地层及结构物理力学参数

2.2 计算结果

2.2.1 基坑开挖卸载稳定性分析

1）地铁1号线衬砌内力。既有隧道结构内力会受到卸载作用的影响发生应力重分布。衬砌结构的最大轴力为655 kN，发生在线路两端隧道两侧边墙处；最大正弯矩为78.7 kN·m，发生在线路两端隧道拱顶处；最大负弯矩为88.5 kN·m，发生在线路两端隧道边墙处。见图4。

图4 挖卸载下地铁1号线隧道衬砌内力

2）地铁1号线衬砌安全性。根据基坑开挖卸载作用下地铁1号线隧道衬砌内力，计算出隧道衬砌的安全系数［9］，明挖隧道基坑放坡开挖后，既有地铁1号线隧道左线衬砌结构的最小抗压安全系数为13.43，最小抗弯安全系数为5.11；隧道右线衬砌结构的最小抗压安全系数为13.55，最小抗弯安全系数为4.84。左右线安全系数皆满足“抗拉安全系数＞2.4，抗压安全系数＞2.0”的要求［9］且有一定的安全余量。

3）地铁1号线衬砌位移。既有隧道结构的位移场会受卸载作用影响发生应力重分布。在基坑开挖卸载影响范围内，衬砌结构出现上浮现象，最大竖向位移3.13 mm，发生在基坑中线正下方隧道拱顶处；最大水平位移1.11 mm，发生在基坑中线正下方隧道两侧边墙处。竖向位移与水平位移皆＜10 mm，满足控制标准［10］。见图5。

图5 开挖卸载下地铁1号线隧道衬砌位移

4）新建明挖隧道基坑稳定性。基坑上跨既有地铁隧道时，其坑底周围应力场与位移场的分布会受到既有隧道影响。基坑底发生隆起变形，最大隆起量10.59 mm；基坑周边地表最大隆起量3.6 mm，最大沉降量为0.21 mm；放坡坡脚发生水平位移，最大值为2.43 mm。基坑底回弹、地表竖向位移、坡脚水平位移等变形较小，均满足基坑及支护结构的监测预警值要求［11］。见图6。

图6 开挖卸载下新建基坑位移

2.2.2 基坑回填加载稳定性分析

1）地铁1号线衬砌内力。既有隧道结构的内力会受到加载作用的影响而发生重分布。衬砌结构最大轴力690 kN，发生在线路两端隧道两侧边墙处；最大正弯矩83.7 kN·m，发生在线路两端隧道拱顶处；最大负弯矩94.1 kN·m，发生在线路两端隧道边墙处。见图7。

图7 加载回填下地铁1号线隧道衬砌内力

2）地铁1号线衬砌安全性。根据基坑回填加载作用下的地铁1号线隧道衬砌内力，计算出隧道衬砌的安全系数［9］，基坑回填后，既有地铁1号线隧道左线衬砌结构最小抗压安全系数为12.76，最小抗弯安全系数为4.29；隧道右线衬砌结构最小抗压安全系数为12.83，最小抗弯安全系数为4.07。左右线安全系数均满足“抗拉安全系数＞2.4，抗压安全系数＞2.0”的要求［9］且有一定的安全余量。

3）地铁1号线衬砌位移。既有隧道结构的位移场会受加载作用影响发生应力重分布。在基坑加载回填作用下，衬砌结构最大竖向位移为2.46 mm，发生在基坑中线正下方的隧道拱顶处；最大水平位移为0.83 mm，发生在基坑中线正下方的隧道两侧边墙处。竖向位移与水平位移皆＜10 mm，满足控制标准［10］。见图8。

图8 加载回填下地铁1号线隧道衬砌位移

4）新建明挖隧道基坑稳定性。基坑上跨既有地铁隧道时，基坑底周围应力场与位移场分布会受到既有隧道影响。基坑周围地表沉降最大值为9.93 mm，发生在新建隧道顶板右侧；地表水平位移最大值为2.64 mm，发生在新建隧道顶板右侧。新建隧道上方地表竖向、水平位移较小，均满足基坑及支护结构的监测预警值要求［11］。见图9。

图9 回填加载下基坑地表位移

3 结论

1）对于既有地铁1号线隧道，在开挖卸载作用下，衬砌结构安全系数满足相关规范所规定的控制要求；开挖卸载影响范围内，既有隧道结构会出现一定程度上浮，但衬砌结构的变形远小于预警值，地铁隧道衬砌结构仍具有较高的安全性。

2）对于既有地铁1号线隧道，在回填加载作用下，衬砌结构安全系数满足相关规范所规定的控制要求；回填加载作用会导致基坑下方的隧道结构出现竖向沉降，但衬砌结构的变形远小于预警值，地铁隧道衬砌结构仍具有较高的安全性。

3）对于新建明挖隧道基坑，开挖卸载会导致基坑坑底出现回弹现象，放坡坡脚会发生水平位移，坑底的竖向隆起与水平位移皆小于基坑变形的监测预警值；基坑周围地表的隆起与沉降较小，满足相关规范所规定的控制要求，新建明挖隧道基坑具有较好的稳定性。

4）对于新建明挖隧道基坑，回填加载后，基坑周围地表的新建竖向及水平位移皆满足相关规范所规定的控制要求，新建明挖隧道基坑具有较好的稳定性。