上跨地铁区间环隧匝道施工稳定性控制研究

张建军，陈 浩，韩会云，陈迪杨

(1.西咸新区丝路经济带能源金融贸易区管理办公室,陕西 西安 710000；2.华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210004；3.山东轨道交通勘察设计院有限公司,山东 济南 250101；4.山东大学 山东 济南 250061)

0 引言

随着我国城市地下空间的开发利用日渐发展，现有工程的施工不可避免的会对周边结构等产生影响。越来越多的基坑工程施工影响到周边地铁隧道、路基、既有公路的稳定性[1-3]，二者之间的相互影响问题愈加突出，已成为城市建设中急需解决的重要问题之一[4-5]。已有地铁隧道安全性会受到临近基坑施工的影响，这是由于基坑开挖引发周围土体、岩体等应力卸荷，进而引起应力重分布，导致基坑与地铁结构周边位移场和应力场发生变化，甚至造成地铁隧道结构产生附加应力，影响临近地铁隧道的安全[6]。因此，非常有必要分析基坑开挖对既有地铁隧道的影响[7]。

针对此问题，不少专家学者已开展了大量研究[8-9]，王利军[10]和席鹏[11]等基于FLAC3D软件建立分析模型，研究了超大深基坑开挖对临近地铁隧道变形影响，得到了地表沉降、地下连续墙结构变形和地铁隧道整体变形规律等。张玉伟等[12]基于数值模拟分析了基坑降水、非对称基坑开挖和桩基荷载施加等过程的地铁隧道空间位移特征及结构受力特征。胡海英等[13]通过数值模拟和隧道实测手段综合分析了基坑开挖对地铁隧道的影响。常曼等[14]采用数值方法分析了不同基坑与地铁隧道距离、开挖深度等因素对地铁隧道结构的稳定性影响，同时考虑基坑开挖和降水情况，分析了不同地下水位下渗流对地铁隧道结构的影响。

在基坑工程施工对邻近地铁影响控制方面，阮顺良等[15]从力学原理出发，分别从基坑设计和施工两个方面开展了基坑施工队临近地铁影响控制措施的研究，并结合数值模拟验证了控制措施的有效性。刘树亚和欧阳蓉[16]提出了基坑施工引起临近地铁变形的风险控制技术以及有安全冗余的地铁结构变形控制标准，将危害等级进行划分并区别管理。黄兆纬等[17-18]基于土-结构相互作用模型开展数值模拟分析，提出了土体加固、分块开挖等技术措施对地铁隧道变形进行控制。

本研究通过对西咸新区能源金贸区起步区2期路网1期市政工程地下环隧A匝道基坑自身支护结构进行安全分析，得出基坑支护结构的强度、变形及施工引起的周边地层变形是否满足控制标准的要求，评价基坑支护体系的安全性。采用 MIDAS/GTS NX建立基坑-地铁隧道三维模型，对整个施工过程中地铁结构的变形和受力的变化过程进行研究，得出基坑施工全过程中地铁结构的最不利变形值和受力，并根据控制标准定量判断其安全性。

1 工程概况

1.1 地下环隧A匝道工程概况

西咸新区能源金贸区起步区2期路网1期市政工程地下环隧工程位于西咸新区丝路经济带能源金融贸易区2期8/9单元，主要包括地下环隧工程和综合管廊工程。

A匝道为单向单车道，外侧设2 m应急车道，结构净宽为7 m，结构净高约4.3～5.5 m。地下环隧A匝道上跨地铁区间段的里程为AK0+520～AK0+591.5。地下环隧A匝道上跨地铁能～能区间盾构隧道，分别为G-G剖面敞口段和E2-E2剖面暗埋段。

1.2 邻近地铁结构概况

西安地铁16号线1期工程能源中心站-能源三路站区间下穿区域为金融一路、陕建地块及沣泾大道，为左右并行的单洞隧道，左右线间距13.0～17.2 m，单洞宽度为6.0 m，埋深约9.1～14.54 m。

能源中心站-能源三路站区间分为明挖段及盾构段。明挖段区间采用单层4跨箱形混凝土框架结构，盾构井段采用3层3跨箱形混凝土框架结构。明挖段小里程接能源中心站，大里程接盾构区间。

2 对既有地铁结构影响评估

按照环隧设计方案，沣泾大道北侧进出口在能源一路以北的沣泾大道西侧与地铁16号线区间存在交叉。地下环隧A匝道上跨能-能区间，A匝道结构底距离左线区间隧道顶净距约6.8 m，A匝道结构底距离右线区间隧道顶净距约5.5 m。A匝道围护结构底距离左线区间隧道顶净距约3.7 m，A匝道围护结构底距离右线区间隧道顶净距约3.0 m。根据规范的相关条文，对本工程基坑及管线对既有地铁结构影响等级进行划分。地下环隧A匝道上跨能-能区间，A匝道结构底距离左线区间隧道顶净距约6.8 m，A匝道结构底距离右线区间隧道顶净距约5.5 m。A匝道围护结构底距离左线区间隧道顶净距约3.7 m，A匝道围护结构底距离右线区间隧道顶净距约3.0 m。各类管线迁改施工时，距离地铁区间隧道顶最近的是DN400污水管，该埋深5.95 m，距离隧道顶约为8.9 m。

依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202—2013)相关条文现将西咸新区能源金贸区起步区1期路网1期市政工程地下环隧A匝道、迁改管的影响划分如表1所示。

表1 地下环隧A匝道及周围管线施工对邻近地铁结构的影响划分

2.1 工程类比预评估研究

通过调研和参考类似工程项目，对比分析初步判断西咸新区能源金贸区起步区2期路网1期市政工程地下环隧A匝道项目对地铁结构的影响程度是否可控，并提出安全合理的评估标准。

本研究与类似工程外部条件对比如表2所示。

表2 基坑工程类比分析

地下环隧A匝道基坑工程开挖深度最大约8.3 m，属于深基坑，按1级基坑设计指标进行设计验算，工程所在场址地质条件均匀，未见特殊不良地质情况。A道基坑采用灌注桩+钢支撑，围护桩采用φ800@1 300的钻孔灌注桩，沿基坑竖向设置2道φ609的钢管内支撑，施工时采取分层、分块开挖，严格控制地表位移，防止变形过大影响地铁结构安全。本基坑对地铁结构的安全影响可控。

2.2 施工过程中区间隧道抗浮计算

根据《西安地铁16号线1期工程(沣东小镇-能源三路)详细勘察阶段能源中心站-能源三路站区间岩土工程勘察报告》，本研究影响区域内抗浮水位取定为377.5 m，基本在地下4 m。在抗浮水位下，区间隧道上方土体均为浸水状态(不考虑加固带来的有利因素)，土体浮重度取加权平均值，即γs=8.9 kN/m，钢筋混凝土重度γc=25.0 kN/m，水重度γw=10.0 kN/m；盾构区间隧道上最小覆土厚度hs=5.71 m；盾构隧道外包面积A=30.17 m2；盾构断面面积a=6.42 m2；盾构隧道外径宽B=6.2 m。

盾构隧道抗浮验算(纵向1 m)：

主体结构自重G主=γc·a·1.0=25.0×6.42×1.0=160.5 kN。

结构上覆土重G土=hs·γs·B1·1.0=5.71×8.9×6.2×1.0=315.08 kN。

结构所受浮力F浮=γw·A·1.0=10.0×30.17×1.0=301.7 kN。

则抗浮验算安全系数K=(G主+G土)/F浮=(160.5+315.08)/301.7=1.58。

即不考虑加固的有利因素，基坑开挖过程中，下卧地铁隧道抗浮验算满足规范要求。

3 地下环隧A匝道基坑开挖影响数值模拟分析

3.1 模型建立与参数设置

采用MIDAS/GTS NX软件建立环隧匝道开挖施工对既有地铁盾构隧道影响数值分析模型，如图1所示。模型在X轴、Y轴、Z轴向的尺寸分别为90,90 和35 m，模型地层由上至下分别为素填土层、黄土状土层、细砂层、中砂层及粉质黏土层，环隧匝道与地铁盾构隧道相对位置关系如图1、图2所示。

图1 三维有限元模型(单位：m)

图2 环隧匝道与地铁盾构隧道相对位置示意图

模拟是遵循以下假设：

(1)地层、结构等均按照各向同性计算。

(2)岩土体本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，结构体均采用线弹性本构模型，如图3、图4所示。

图3 线弹性本构模型

图4 Mohr-Coulomb弹塑性本构模型

(3)施工期间土体按不排水条件考虑，不考虑渗流和固结的影响。

(4)迭代计算方法采用Newton-Raphson法。

(5)收敛标准采用力和位移双重收敛标准。

根据地勘报告确定模拟中岩土体和结构的参数，如表3所示。

表3 数值模拟参数

3.2 环隧匝道开挖施工过程模拟

地层加固并施作匝道维护桩及挡墙，分层分段开挖匝道，每段开挖15 m，并做放坡，每挖一段并施作横支撑，开挖下一段时进行上一段的匝道衬砌施工及回填，直至开挖到设计里程，确定匝道施工完成时地铁盾构隧道最终变形。图5为模拟施工关键步骤模型。

图5 施工过程模拟模型

3.3 结果分析

(1)地层变形分析

图6为环形匝道分阶段开挖地层变形云图，图7为环隧匝道施工完成时地层变形位移云图。由云图可知，在环隧匝道开挖施工过程，由于开挖卸荷，引起匝道底部一定范围内地层产生回弹变形，主要表现为基底土体上浮。图8为基坑开挖6.5 m支护结构变形结果，可以看出，基底处的变形、弯矩、剪力值较大。

图6 环隧匝道分阶段开挖地层位移云图(单位：m)

图7 环隧匝道施工完成时地层变形云图(单位：m)

图8 基坑支护变形曲线

(2)盾构隧道竖向位移分析

由图9可知，当环隧匝道开挖施工至设计里程时盾构左线最大上浮约2.3 mm，右线最大上浮约2.2 mm。通过对环隧匝道开挖施工全过程模拟分析，得出开完施工期间造成的盾构隧道变形均满足控制标准要求。

图9 环隧匝道施工完成时地铁盾构隧道竖向变形云图(单位：m)

4 基坑开挖对下方地铁衬砌结构影响分析

基坑开挖后，导致区间隧道顶部部分土体卸载，衬砌结构内力产生变化，应用 Midas GTS NX 有限元分析软件，模拟施工的过程，分析隧道结构的内力变化。在分析过程中，采用“荷载-结构模型”，选用了两种不同计算工况。

4.1 计算模型和方法

利用“荷载-结构模型”进行管片结构受力分析，采用修正惯用法进行计算，如图10所示。通过引入圆环刚度折减系数和管片弯矩调整系数来模拟管片多接缝造成的管片刚度降低和管片错缝拼装的影响，参数的取值通常依据管片结构试验和地层条件综合确定。考虑管片接头影响，进行刚度折减后按均质圆环进行计算；计算结果考虑管片环间错缝拼装效应的影响进行内力调整。结合前人研究[19-20]以及盾构隧道的设计经验，刚度折减η=0.8，弯矩増大系数ξ=0.3。通过地层弹簧来模拟地层抗力，考虑水土压力时采用水土分算。使用软件计算衬砌管片的内力，根据《混凝土结构设计规范》进行配筋承载力及裂缝宽度的验算。

图10 盾构隧道荷载-结构模型

隧道外半径R1=3.10 m；隧道中心半径R2=2.925 m；隧道内半径R3=2.75 m；管片宽度B=1.5 m；管片厚度h=0.35 m；分块数目=6块。封顶块管片(F)圆心角为15°，标准块管片3块(分别为B1，B2，B3)圆心角均为72°。邻接块管片左右各1块(分别为L1，L2)圆心角均为68.5°，纵向接头为10处，按36°等角度布置。管片衬砌环布置见图11。

图11 衬砌圆环构造(单位：mm)

4.2 计算断面与工况

计算断面选择的原则是“最不利原则”，即选用与位置关系最不利的断面进行计算，同时选择相邻地质钻孔中较差的钻孔进行计算分析。拟计算工况如表4所示。

表4 计算工况

4.3 盾构结构受力分析

管片采用错缝拼装的平板型管片，计算模型采用梁-弹簧解析法模型，管片间采用旋转弹簧模拟管片的径向接头，如图12所示。

图12 管片弹性支撑计算简图

由于较高的水位会增大圆形管片的轴力，计算时偏于保守的采用常水位进行设计。为确保设计安全，本次设计采用水土合算与水土分算两种方法进行设计，采用最不利内力进行设计，模拟结果如图13、图14所示。

图13 工况一(地铁结构原设计正常工况)管片受力情况

图14 工况二(基坑开挖后，地铁内力计算)管片受力情况

通过对两种计算方法的对比，工况1即未开挖前计算结果偏于安全，故计算时偏于安全的采用工况1的计算结果进行管片配筋计算。

(1)拱顶配筋

已知：M基=66.9×1.1=73.6 kN·m，N=1 060×1.1=1 166 kN，B=1 000 mm(管片宽1 500 mm)，H=350 mm，C50混凝土。

矩形截面偏心受压承载力验算：

h0=H-40-10-0.5 d=291 mm；x=44<2as=118 mm；配筋计算得：As=888 mm2。

故As=3 318 mm2(8φ20+4φ16)(盾构段配筋)/1.5=2 212 mm2

故无需验算裂缝。

(2)拱腰配筋

已知：M基=74.3×1.1=81.7 kN·m，N=1 237×1.1=1 361 kN，B=1 000 mm(管片宽1 500 mm)，H=350 mm，C50混凝土。

矩形截面偏心受压承载力验算：

h0=H-50-10-0.5 d=281 mm；x=50<2as=138 mm；计算得As=976 mm2。

故As=3 318 mm2(8φ20+4φ16)(盾构段配筋)/1.5=2 212 mm2

故无需验算裂缝。

(3)抗剪计算

V基=154×1.1=169 kN，C50混凝土，B=1 000 mm，H=350 mm；

h0=H-50-10-0.5 d=281 mm。

计算得：fc=23.1 N/mm2，ft=1.89 N/mm2。

构造配筋，(8φ20+4φ16)可满足要求。由计算得盾构段配筋，在基坑开挖后满足要求。

4.4 地铁保护措施建议

为保证西咸新区能源金贸区起步区2期路网1期市政工程地下环隧A匝道施工期间，西安地铁16号线能源中线站-能源三路站区间的结构安全，提出施工部署及建议如下：

(1)基坑施工须严格遵循分层、分块、分区的原则，保证地下工程的连续施工；开挖至基底后应及时施工地下结构，避免基坑长时间暴露。

(2)基坑施工应采用动态设计，信息化施工，当基坑周边环境及地层条件与设计不符时应及时修改设计。

5 结论

通过对比国内类似工程实例，结合数值模拟分析，研究了市政工程地下环隧匝道基坑施工对下方地铁隧道结构的影响。通过有限元分析软件建立基坑开挖地层-结构模型、荷载-结构模型，对基坑施工过程进行动态模拟分析，并下方地铁结构的变形、受力变化特征进行研究。得出了以下结论：

(1)在环隧匝道开挖施工过程，由于开挖卸荷，引起匝道底部一定范围内地层产生回弹变形，主要表现为基底土体上浮，因此需对盾构隧道进行上浮变形监测与控制分析。

(2)地下环隧A匝道下部采取加固措施后，基底处边墙受力及变形较大；基坑施工引起地铁区间拱顶土体上浮较大，盾构左线最大上浮约2.3 mm，右线最大上浮约2.2 mm；地铁结构整体变形较小，满足相关规范要求。

(3)对基坑开挖过程中地表的沉降变形进行分析可知，基坑开挖过程中，随着基坑开挖深度的增加，地面沉降不断增加，最大沉降值为9 mm，满足基坑支护结构变形控制标准的要求，且基坑支护方案切实可行。

(4)基于基坑施工全过程中地铁结构的最不利变形和受力分析，发现了基坑施工过程中地铁结构的最大变形量、附加受力规律，结合控制标准，可为结构设计安全性评估提供依据。