新建地铁车站超近接既有区间隧道影响分析

龚志明

（中铁隧道局集团建设有限公司，广东 佛山 528299）

0 引言

随着城市地下空间的开发利用，越来越多的基坑工程邻近既有的地铁隧道，基坑施工不可避免地将破坏地基中原有平衡的应力和位移场，严重影响既有地铁隧道的运营安全[1-2]。

目前，针对基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，许多学者已进行一些研究。陈思明等对深圳地铁11 号线车站基坑临近上跨既1 号线区间隧道进行三维模拟分析，得到既有隧道结构在基坑施工过程中的受力特征和变形规律[3]。章润红等研究了基坑开挖卸荷作用下，邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响[4]。王志杰等以浦梅铁路新建隧道双侧近接既有偏压浅埋隧道工程为依托，利用数值模拟方法，对不同偏压角度和净距关系下的近接隧道施工影响规律进行针对性地系统研究[5]。

关于地铁车站对超近接并行既有区间隧道影响的研究较少。因此，依托成都地铁18 号线倪家桥站，采用有限元计算方法，研究在不同围护桩桩径、内支撑层数条件下基坑开挖对既有地铁隧道的影响。

1 工程概况及模型建立

1.1 新建车站与既有隧道的位置关系

新建18 号线倪家桥站地铁车站长639.973 m，宽21.3 m，为地下两层的岛式站台车站，地铁车站标准段范围内基坑开挖深度约为16.9 m，新建基坑围护桩桩长20.77 m，入土深度4 m。18 号线西侧为1 号线隧道区间，新建18 号线车站与既有1 号线隧道最近距离2.85 m，车站北端与1 号线隧道相距10 m，隧道埋深约8.7 m，基坑开挖施工有引起1 号线隧道沉降和影响其运营的风险，如图1 所示。

图1 新建车站基坑与既有隧道的相对位置关系

1.2 工程地质

半盖挖段场地范围内，地铁车站基坑上覆杂填土，其下为层厚11 m~13 m 的卵石土，密实，局部地段夹有透镜状砂土；下伏层厚0.70 m~15.00 m 的白垩系灌口组（K2g）中等风化泥岩，泥岩质较软。地下水赋存于基岩裂隙中，含水量较小。

1.3 模型建立

既有区间隧道距离基坑最近为2.85 m，基坑开挖是影响隧道内力及变形的主要原因。采用有限元软件建立二维模型研究不同支护参数对既有区间隧道受力变形的影响，二维模型如图2 所示，模型边界为100 m（X）×70 m（Y），主要分布有杂填土3.5 m、稍密粉细砂0.6 m、稍密卵石土4.9 m、稍密粉细砂0.6 m、密实卵石土6.4 m、强风化泥岩2.6 m、中风化泥岩7 种地层。

图2 二维模型图

1.4 选取计算参数

地层及车站结构的物理力学参数，见表1。

表1 主要力学参数

2 新建车站基坑支护参数对既有区间隧道的影响分析

从以下2 个方面分析新建车站基坑支护参数对既有区间隧道的影响：1）围护桩桩径的影响。模拟不同围护桩桩径对既有区间隧道变形及受力的影响。2）横向内支撑数量的影响。模拟设置一道内支撑、设置两道内支撑及设置三道内支撑3 种情况对既有区间隧道变形及受力的影响。

2.1 围护桩桩径对既有隧道的影响

右线隧道距离基坑最近，受开挖影响最大，本小节主要分析既有右线隧道受基坑开挖的影响。

右线隧道与基坑间距2.85 m，围护桩长22 m。当模拟围护桩桩径为0.8 m、1 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m 时，分析隧道的位移及地表沉降规律。为方便建模，将围护桩转化为地连墙进行分析。地连墙等效厚度见表2。

表2 不同工况对应的厚度（单位：mm）

2.1.1 既有区间隧道位移及受力分析

由图3 和图4 可知，拱顶出现沉降变形，拱底出现隆起变形，当基坑开挖施工时，随着地下连续墙厚度增加，既有隧道衬砌竖向位移不断减少，拱顶变形大于拱底变形，但是变形规律相似。当地下连续墙厚度为0.51m 时，拱顶竖向位移值为2.33mm；当地连墙厚度为0.68m 时，拱顶竖向位移值为1.75mm，比厚度为0.51m 减少了24.89%；当地连墙厚度为1.08m 时拱顶竖向位移值为1.27mm，比厚度为0.88m 时减少了9.93%；当地连墙厚度为1.28 时拱顶竖向位移值为1.25mm，比厚度为1.08m 时减少了1.57%。地连墙厚度为0.88m 时曲线曲率发生突变，当基坑地下连续墙厚度小于0.88m 时，随着地下连续墙越来越厚，竖向位移减少速度较快，当基坑地下连续墙厚度大于0.88m 时，随着地下连续墙越来越厚，竖向位移减少速度趋于平缓，变化较小。

图3 隧道衬砌拱顶竖向位移

图4 隧道衬砌拱底竖向位移

由图5 可知，当基坑开挖施工时，随着地下连续墙厚度增加，既有隧道衬砌侧墙水平位移不断减少，靠近基坑侧的右侧墙水平位移明显。当地连墙厚度为0.88 m 时，曲线曲率发生突变，当基坑地下连续墙厚度小于0.88 m 时，随着地下连续墙越来越厚，水平位移减少速度较快，当基坑地下连续墙厚度大于0.88 m 时，随着地下连续墙越来越厚，水平位移减少速度趋于平缓，变化较小。

图5 隧道衬砌右侧墙水平位移

由图6 和图7 可知，随着地连墙厚度增加，隧道衬砌轴力和弯矩逐渐减少。当地连墙厚度为0.68 m 时，隧道轴力和弯矩值比厚度为0.51 m 时分别减少了1.04%、7.42%；当地连墙厚度为0.88 m 时，隧道轴力和弯矩值比厚度为0.68 m 时分别减少了0.53%、5.36%；当地连墙厚度为1.08 m 时，隧道轴力和弯矩值比厚度为0.88 m 时分别减少了0.20%、3.37%。地连墙厚度为0.88 m 时，隧道轴力和弯矩发生明显转折，当地连墙厚度大于0.88 m 时，隧道轴力和弯矩继续减少，但是变化趋势逐渐趋于平缓。

图6 既有区间隧道衬砌轴力图

图7 既有区间隧道衬砌弯矩图

2.1.2 地表沉降分析

由图8 可知，既有隧道有抑制地表沉降的效果，当地连墙厚0.51 m 时，地表沉降最大达到3.83 mm；当地连墙厚度为0.68 m 时，地表沉降最大达到2.57 mm，比厚度为0.51 m 时减少了32.90%；当地连墙厚度为0.88 m 时，地表沉降最大达到1.97 mm，比厚度为0.68m 时减少了23.35%；当地连墙厚度为1.08 m 时，地表沉降最大达到1.79 mm，比厚度为0.88 m 时减少了9.14%。地连墙厚度超过0.88 m 时，基坑地表沉降依然减少，但沉降值变化幅度较小。

图8 地表沉降图

2.2 内支撑层数对既有区间隧道的影响

基坑支撑层数越多对抑制基坑结构的变形越有利，但是层数过多，会增加基坑施工成本，同时也不利于土方挖运，影响施工工期。该基坑共设置一道混凝土支撑和两道钢支撑，在其他支护参数不变的情况下，当支撑层数分别设置为一层、两层及三层时，分析不同支撑层数对基坑及既有区间隧道的影响。

2.2.1 既有区间隧道位移及受力分析

由图9 和图10 可知，当基坑开挖施工时，随着支撑层数增加，既有隧道衬砌竖向位移不断减少，拱顶出现沉降变形，拱底出现隆起变形，拱顶竖向变形大于拱底竖向变形，从图中可以看出，当支撑层数为2 道时，曲线曲率发生突变，当支撑层数为2 层时，隧道拱顶和拱底竖向位移值变化较大，位移值分别为2.94 mm、0.86 mm，比一层支撑时分别减少了61.72%、16.5%，当支撑层数为3 层时，拱顶和拱底最大竖向位移值分别为1.40 mm、0.82 mm，比两层支撑时分别减少了52.38%、4.65%。随着支撑层数增加，竖向位移减少，速度逐渐减少。

图9 隧道衬砌拱顶竖向位移

图10 隧道衬砌拱底竖向位移

由图11 和图12 可知，当基坑开挖施工时，隧道主要发生水平位移变化并且距离基坑越近，影响越大。当层数为2 时，曲线曲率发生突变，左、右侧墙水平位移值分别为0.52 mm、4.84 mm，比一层支撑时分别减少了59.37%、58.02%，当支撑层数为3 层时，左、右侧墙最大水平位移值分别为0.29 mm、2.96 mm，比两层支撑时分别减少了44.23%、38.84%。随着支撑层数增加，水平位移逐渐减少。

图11 隧道衬砌右侧墙水平位移

图12 隧道衬砌左侧墙水平位移

由图13 和图14 可知，支撑层数的增加对隧道衬砌轴力和弯矩的影响规律相反，支撑层数的变化对隧道衬砌轴力影响有限。当支撑层数为2 层时，隧道轴力和弯矩比1 层支撑时轴力增大了0.16%，弯矩减少了35.19%；当支撑层数为3 层时，隧道轴力和弯矩比2 层支撑时轴力增大了0.11%，弯矩减少了14.23%。弯矩在支撑层数为2 层时，发生明显转折，当支撑层数大于2 时，隧道弯矩减少，速度逐渐减缓。

图13 既有区间隧道衬砌轴力

图14 既有区间隧道衬砌弯矩

2.2.2 地表沉降分析

由图15 可知，当2 层支撑时，地表沉降明显减少，当2层支撑时，地表沉降最大达到3.55 mm，比1 层支撑时减少了70.78%；当3 层支撑时，地表沉降最大值为1.97 mm，比2 层支撑时减少了44.51%。当支撑层数大于2 时，基坑地表沉降依然减少，但沉降值变化幅度较小，随着支撑层数的增加，地表沉降最大值逐渐远离基坑。

图15 地表沉降最大值图

3 结论

该文以成都地铁18 号线倪家桥站基坑开挖为背景，采用二维数值模拟的方法研究不同支护参数下基坑开挖对既有区间隧道的变形情况，得到以下2 个结论：1）增加地连墙厚度可以减少既有区间隧道衬砌的变形。在基坑开挖过程中，隧道衬砌水平变形大于隧道衬砌竖向沉降，当地连墙厚度大于0.88m 时，虽然能够减少既有隧道衬砌水平位移，但是抑制作用并不明显，因此地连墙厚度为0.88m 是保障基坑安全和经济合理的选择。2）横支撑层数的增加对抑制既有隧道衬砌的变形作用效果较明显。隧道衬砌水平位移随着支撑层数的增加而减少。