基坑开挖对下卧地铁隧道影响的数值分析与研究

欧阳顺 陈 云 黄雪阳

（1.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060；2.湖南省建筑设计院集团有限公司，湖南 长沙 410114）

0 引言

随着城市地下工程建设的快速发展，城市地铁网络日益扩大，越来越多的新建地下工程项目需建设在已运营地铁上方。为减少新建工程对既有地铁隧道结构造成的不利影响，国内众多学者和工程建设人员对该课题展开了大量的研究。张俊峰针对上海陆家嘴区域东西快速通道穿越下卧运营地铁二号线工程，对基坑坑底、基坑外侧和隧道两侧进行搅拌桩地基加固，并采用SMW工法将基坑分隔为21个小基坑，采用隔离墙、分隔墙的思路来减小基坑隆起变形[1]；海滨等采用人工抽条放坡+板锚支护对天河东路-天河路隧道（上跨广州地铁3号线）基坑进行支护，并采用有限元软件进行数值模拟分析，成功验证该工法能有效控制土体卸荷引起的基坑内土体回弹位移和下方地铁隧道的变形[2]；郭鹏飞等对国内39例上跨隧道基坑工程进行对比分析，拟合得到隧道最大隆起预测模型，并总结出基坑面积、开挖深度、工程地质条件等因素对隧道隆起变形的影响[3]；刘君伟从基坑施工工序角度，合理安排施工顺序，减小基坑开挖对地铁运营的影响[4]。

目前国内对地铁隧道上方基坑开挖的研究越来越多，但对昆明地区地铁上方进行基坑开挖的研究较少。为探讨昆明地区地铁上方进行基坑开挖对下卧地铁隧道结构的影响，在基坑开挖前采用有限元软件对其进行了模拟分析，并将分析结果用于指导工程建设。本文就基坑开挖对下卧地铁隧道影响的数值分析与研究进行总结介绍，为昆明地区其他类似工程提供了一定的借鉴作用。

1 工程概况

1.1 基坑概况

飞虎大道综合管廊工程位于云南省昆明市，该工程在巫家坝片区与已运营的地铁1号线平面位置斜交，且综合管廊在跨越区域内正上方设置投料口。新建管廊基坑深度6.4m，下卧双向地铁轨道埋深19.5m。跨越地铁的管廊基坑开挖长度为83m，开挖宽度为35m；基坑西侧和南侧均存在既有电塔，施工单位施工前需对该两处电塔进行迁移。基坑西侧规划了地铁8号线，需考虑地铁后期盾构实施条件。新建综合管廊基坑与地铁1号线之间的平面位置关系见图1，竖向位置关系见图2。本项目地铁1号线盾构管片外径6m，内径5.5m，环宽1.2m，厚0.35m，采用C50钢筋混凝土。

图1 飞虎大道综合管廊跨越地铁1号线平面图

图2 飞虎大道综合管廊基坑剖面图

1.2 工程地质

场地主要揭露第四系人工填土层（Q4m）l、全新统冲湖积层（Q4al+）l。本基坑工程涉及到的土层自顶向底依次为：①1杂填土：稍湿，松散，以黏性土为主；②1黏土：层状或似层状，湿，可塑~硬塑，中压缩性，夹少量砾石；②2黏土：层状或似层状，很湿，软塑，高压缩性；③1泥炭质黏土：层状或似层状，很湿，软塑，高压缩性；③2黏土：层状或似层状，可塑偏硬塑，中压缩性，局部相变为粉质黏土；④1黏土：层状，可塑为主，中压缩性，局部相变为粉质黏土。土层的力学性能参数见表1。

表1 土层物理力学参数

1.3 地下水

场地地下水类型主要有以下两种：

（1）上层滞水：主要赋存于人工填土层中，人工填土层结构较疏松，含上层滞水，但含水量不大，其动态受季节性控制。上层滞水主要接受大气降水和生活用水的渗入补给。

（2）孔隙承压水：赋存于第四系全新统冲湖积层粉砂层、粉土层中，具承压性。孔隙水主要接受大气降水的渗入补给、上游地下水的侧向补给。本范围（跨越地铁1号线区域）内基坑暂未出现。

根据钻孔终孔24h后观测，场地地下水稳定水位埋深一般为1.00~2.50m；钻孔Gzk34揭露地下水水位埋深为1.0m。

1.4 综合管廊基坑支护形式

该项目管廊基坑（上跨地铁1号线范围）支护安全等级按一级控制，基坑深度为6.4m，采用两级1∶1.5放坡支护形式，第一级支护深度为2.9m，第二级支护深度为3.5m。基坑顶部采用Φ600@400mm搅拌桩进行止水，搅拌桩穿过填土层并进入下一层不少于1m。

2 计算模型与工况

选取模型计算范围时，充分考虑基坑开挖和隧道实施引起的边界效应。参考相关文献，结合工程实践经验，计算模型几何尺寸在X、Y方向分别取100m和40m。模型中土层利用二维平面应变单元模拟，地铁衬砌采用梁单元模拟，挂网喷混利用梁单元模拟。模型中各层土采用均修正M-C(硬化)模型，相关结构则采用弹性本构模型。整体计算模型、显示基坑开挖的计算模型如图3~4所示，模型侧向加水平位移约束，底部加竖向位移约束，顶面为自由面，不加任何约束。

图3 整体计算模型

本次计算含4个工况，即4个计算步，地面标高取±0.00m，计算工况见表2。

图4 显示开挖计算模型

表2 计算工况

3 结构安全控制指标值

该项目位于云南省昆明市，因无当地执行标准，结合《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）[5]、广东省标准《城市轨道交通既有结构保护技术规范》（DBJ/T 15-120-2017）[6]、天津市标准《天津市城市轨道交通结构安全保护技术规程》（DB/T 29-279-2020）[7]、浙江省标准《城市轨道交通结构安全保护技术规程》（DB33/T 1139-2017）[8]，可将本项目地铁1号线结构安全控制指标设定为：隧道结构水平位移和竖向位移的预警值为10mm，控制值为15mm。

4 计算结果及分析

图5为工况4的整体位移云图，定义位移指向坐标正轴为正，反之为负。由图5可知，基坑开挖引起的土层最大水位位移为3.73mm，指向基坑内，由不平衡压力引起；土层最大竖向位移为8.22mm，由于基坑开挖卸载引起的回弹，坑外最大沉降为2.19mm，这是因为侧移引起地层损失诱发所致。

图5 整体位移云图

图6为工况4对应的既有地铁隧道位移云图，定义位移指向坐标正轴为正，反之为负。由图6可知，基坑开挖引起的隧道结构位移主要体现在竖向，由基坑开挖卸载引起，最大竖向位移为3.87mm，小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）规定的变形预警值10mm。

图6 隧道结构位移云图

图7为隧道结构内力云图，由图7可见，基坑开挖完，地铁隧道结构最大轴力为1213.54kN，最大剪力为136.81kN，最大弯矩为202.21kN，总体内力水平较低，从一侧面反映基坑放坡开挖对隧道结构影响较小。

图7 隧道结构内力云图

5 结束语

昆明地区地铁上方要开展基坑开挖工程，本文利用数值分析研究基坑开挖对下卧地铁隧道的影响，结论如下：

（1）跨越地铁隧道上方的基坑开挖，对下方隧道产生了较大的隆起变形，该隆起变形从计算模拟结果来看，满足结构安全控制指标值，且基坑开挖引起的既有地铁隧道结构内力较低，对隧道结构影响较小。

（2）对比国内行业标准、地方标准以及企业内部标准，提出适应于本项目的评估依据，数值分析结果显示，下卧地铁隧道各项变形处于安全、可控范围。

（3）目前，本基坑支护工程已完工，且已按设计图纸要求施工管廊工程并回填基坑；本项目施工过程中，根据业主反馈，基坑及地铁隧道监测数据正常，从一定程度上也验证了本项目的数值分析模拟。