国道改建工程对地铁盾构隧道的影响分析

周鑫钢

【摘    要】：考虑上方基坑开挖对地铁区间隧道的影响，以235国道杭州老余杭—五常段改建工程为例，根据地铁现状制定变形控制标准，通过理论及有限元数值分析，对基坑各个阶段施工工况下盾构隧道的变形进行分析并根据计算及施工工况提出可行性建议。

【关键词】：盾构；隧道；基坑；地铁；国道

【中图分类号】：U456.3【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-30-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.007

Influence Analysis of National Highway Reconstruction Project on the Subway Shield Tunnel

ZHOU Xingang

（China Railway Liuyuan Group Co.Ltd.，Tianjin 300308， China）

【Abstract】：Considering the impact of the excavation of the upper foundation pit on the subway section tunnel， the paper takes the reconstruction project of the old Yuhang-Wuchang section of National Highway 235 in Hangzhou as an example， formulates the deformation control standard according to the status of the subway. Through theoretical and finite element numerical analysis， the paper analyzes the deformation of shield tunnel under various construction conditions of foundation pit， and puts forward feasible suggestions according to the calculation and construction conditions.

【Key words】：shield; tunnel; foundation pit; subway; national highway

随着城市轨道交通发展和地下空间开发利用，地铁隧道附近的基坑工程或基坑工程附近的轨道交通愈发常见，基坑开挖或隧道下穿会引起邻近既有盾构隧道或既有建筑物纵向变形、横向收敛、沉降等，严重时甚至引起隧道、建筑物结构破坏。目前的研究基本在两个情况下展开：一是盾构隧道已建成，上方基坑开挖[1]；二是地下框架结构已建成，下方隧道穿越[2]。两种情况工期都是确定的；但随着城市的快速发展，基建工程建设周期快，邻近工程工期存在不确定的情况。

1 工程概况

235国道杭州老余杭—五常段改建工程全长约11.26 km。全线设置一座东西走向隧道，起点位于仓前街道苕溪村，在东西大道西侧进入暗埋段，下穿东西大道，向东延伸跨越拟建地铁3号线、机场快线，终点位于仓前街道灵源村。公路隧道于K5+463附近上跨在建地铁机场快线苕溪站—杭州西站盾构区间，由于交叉节点公路隧道与地铁隧道净距较小，计划公路隧道先行施工、地铁隧道后穿。为保障地铁建设工期，节点处公路隧道土建围护及主体结构提前开工建设。

235国道杭州老余杭—五常段改建工程上跨地铁机场快线苕溪站—杭州西站盾构区间先行节点工程（以下简称“节点工程”），起讫桩号K5+410～K5+530，总长为120 m，公路隧道与地铁盾隧道交角约86.39°。见图1。

地铁隧道内径6.1 m，衬砌采用拼装管片。管片厚度400 mm，为C50、P12混凝土，采用3块标准块+2块邻接块+1块封顶快形式错缝。

根据勘察揭示的地层，考虑岩土层的岩土性及物理力学性质等因素，钻探揭露岩土层自上而下为①1素填土、②1粉质黏土、②2淤泥质黏土、②3粉质黏土、④1粉质黏土、④1a粉质黏土夹粉砂、④2粉质黏土、⑤1粉质黏土、⑤2粉质黏土、⑥1粉砂、⑥3圆砾、⑩2强风化泥质粉砂岩、⑩3中风化泥质粉砂岩。基坑开挖范围主要地层为②1粉质黏土、②2淤泥质黏土、②3粉质黏土。地下水主要为潜水、下部承压水和基岩裂隙水，经验算，基坑开挖至底时，基坑抗承压水突涌安全系數为1.2，满足规范要求；总体上，承压含水层对基础设计、施工影响较小。

2 风险评估及变形控制标准

节点工程基坑上跨地铁隧道，坑底与隧道竖向净距9.80 m，位于1.0D～2.0D（D为盾构区间直径）范围，为接近关系；明挖基坑深度12.2 m，地铁隧道位于0.7h～1.0h（h为基坑开挖深度）范围，是外部作业的显著影响区，综合判定基坑施工对地铁隧道的影响等级为一级[3]。

地铁结构的保护范围分为控制保护区和特别保护区[4]。地铁结构外边线外侧50 m内为地铁的控制保护区，地铁结构外边线外侧5 m内为地铁的特别保护区节点工程基坑位于地铁隧道的特别保护区和控制保护区范围，经核算，最大卸荷比为0.279，轨道交通结构安全保护等级为A级。

地铁隧道掘进至节点工程影响范围时，预计基坑AM34段（对应机场快线隧道正上方区块）已开挖至底并完成垫层浇筑。根据浙江省工程建设标准《城市轨道交通设施结构安全保护技术规程》及各项目工筹计划，从地铁保护角度考虑，确定地铁盾构区间结构安全状况为Ⅲ类（已铺轨，未运营）。由于铁盾构区间均为新建隧道，需为后期使用阶段预留变形余量，工程实施过程中，地铁隧道变形按Ⅱ级标准，水平位移控制值为8 mm、竖向位移控制值为10 mm、相对收敛控制值为8 mm。

考虑工期、施工计划的不确定性及地铁保护的问题，地铁盾构区间按基坑AM34段（对应机场快线隧道正上方区块）开挖至第3道支撑后掘进至工程影响范围考虑，待隧道穿越后继续开挖AM34段最后一层土及两侧剩余土体。

3 基坑围护设计方案

基坑长120 m，宽为35.9 m，深约为11.5～12.9 m，坑底位于4-1粉质黏土层，围护结构采用?900 mm@1 050 mm钻孔灌注桩+?850 mm@600 mm三轴搅拌桩止水帷幕，支撑采用1道钢筋混凝土支撑+2道?609 mm、t=16 mm钢支撑的支护体系。基底采用?850 mm@600 mm三轴搅拌桩加固，上跨地铁段裙边5 m范围加固至高程-17.5 m、其余满堂加固至基底以下5 m；其余段裙边加固至基底以下4.0 m+抽条加固至基底以下3.0 m。

使用同济启明星围护结构计算软件V8.2对围护剖面进行校验复核：基坑开挖引起的围护桩最大水平位移10.6～14.5 mm（＜0.14%h），满足一级基坑的变形控制要求；基坑整体稳定性系数1.75～1.76，围护抗倾覆稳定性系数2.08～3.03，基坑坑底抗隆起系数1.87～2.01，满足一级基坑的安全控制要求。

4 数值模拟

4.1 二维模拟

采用Plaxis8.5有限元模拟软件，对地铁隧道进行二维数值模拟。见图2。

由模拟结果可知，节点工程对在建地铁隧道产生了一定的影响，主要为隧道上方卸载后土体回弹带动隧道的变形，正上方基坑AM34段最后一层开挖后隧道出现明显的水平位移、隆起及水平收敛减小的变形且该阶段变形量达到最大值；AM34段垫层、结构施工（200 mm厚垫层、1 500 mm厚底板、1 500 mm顶板）为再次加载，隧道变形量减小；后续AM33、AM35段剩余土方开挖及结构施工对隧道影响较小，隧道变形量在后续各工况中基本稳定。整个过程中，右线地铁隧道最大水平位移3.02 mm、隆起4.41 mm、水平收敛-2.46 mm，左线隧道最大水平位移-2.94 mm、隆起4.25 mm、水平收敛-2.33 mm。该变形数据不含隧道掘进后的自身工后变形量及可能存在的AM34段在盾构到达前已开挖土方引起的下部土体残余回弹量。

4.2 三维模拟

采用Midas GTS NX软件对施工过程进行三维数值模拟[5]。见图3。

由模擬结果可知，基坑开挖会对地铁隧道造成一定影响。基坑开挖阶段，随着坑内卸载，坑底土体产生回弹隆起，地铁隧道主要发生竖向位移变形，坑底土体竖向位移主要分布在新开挖坑底范围。AM34段抗拔体系形成后，在后续开挖作业中本区段及邻近的坑底几乎不继续隆起；随着开挖面远离基坑中央及AM34段抗拔体系的共同作用，隧道正上方区段坑底隆起增量较小，隧道后续变形增量也较小。整个施工过程，围护变形最大发生在拆撑完成后、结构回筑阶段，计入盾构未穿越时围护已发生5.165 mm变形，围护变形最大值达12.692 mm；隧道产生最大竖向位移4.433 mm、最大水平位移0.944 mm、径向收敛1.467 mm。

以上变形值均在控制标准范围内，但施工中应加强措施，控制施工扰动等因素对地铁变形造成的不利影响，施工期间须加强现场管理，严格控制一次开挖土方量，应尽量按照预定工筹实施。底板回筑及AM34段形成抗拔体系对约束该范围内坑底土体隆起有较好作用，即在盾构穿越前争取按计划完成AM34区段的底板回筑。

4.3 有限元数值分析

二维有限元分析可知，地铁隧道结构最大水平位移3.02 mm；最大竖向位移4.41 mm；三维有限元分析可知：地铁隧道结构最大水平位移0.944 mm；最大竖向位移4.433 mm。鉴于二维有限元分析方法仅能考虑某剖面上基坑工程与地铁隧道的关系、无法考虑基坑开挖的空间尺寸效应、地铁与基坑之间的空间关系，故数值存在一定差异，符合工程实际情况。

通过对数值计算结果的整理分析可知，基坑开挖对地铁隧道的影响在控制标准范围内，风险可控。认为本工程的基坑围护方案满足轨道交通设施的变形控制标准。

5 实施建议

考虑到施工过程中的风险因素，为确保地铁设施受力和变形可控，保证地铁结构安全，提出以下建议[6]。

1）基坑开挖及回筑期间，应合理安排出土车运输路径，出土运输应避开隧道正上方区域，基坑周边堆载不得＞20 kPa。

2）自右线盾构机（先行盾构机）接近基坑北侧边线20 m前，基坑AM34区段需完成开挖见底并完成垫层浇筑工作，待右线盾构机通过基坑15环且盾构注浆凝固后方可继续挖土。根据工筹，左线盾构机滞后约500环掘进，基坑底板需在左线盾构机（后行盾构机）到达本基坑前完成全部底板浇筑。

3）建议在地铁盾构达到节点工程位置前，尽可能完成右线隧道（先行盾构）正上方区块底板回筑工作。

4）盾构隧道穿越基坑前，需再次复测盾构机姿态，控制推进速度，不宜超过6～8环/d，下穿基坑期间禁止较大幅度纠偏；进入基坑范围内，由于上部覆土发生突变，应及时调整推力、注浆量、推进速度等施工参数。

5）由于盾构隧道下部存在⑥粉砂及圆砾层，易发生浆液逃逸现象，建议盾构穿越基坑期间适当保证同步注浆，注浆量不小于理论注浆量的200%进行并根据现场情况加大注浆量；同时出土量按照理论出土量的95%控制，必要时进行二次注浆，应采用质量较好的浆液，可通过调整浆液配比、添加外加剂等方法，尽量缩短浆液初凝时间，严格控制土层损失率在5‰以下，以减小盾构施工对基坑的影响。

6）当盾构机到达基坑外20 m处时，基坑应停止开挖工作且基坑AM34段第3道钢支撑必须架设完毕并对第二、三道钢支撑进行轴力复加。

7）地铁隧道穿越基坑再次施工前，对已成型盾构隧道进行洞内地质雷达扫描，以判断盾构管片外侧注浆填充效果，必要时进行补充二次注浆填充以确保隧道管片與周边土体紧密贴合。

8）土方开挖应按“软分坑”设计方案进行分块开挖，沿地铁隧道两侧的基坑应对称开挖，两侧挖土高差不得＞2 m；地铁正上方土方开挖竖向分层厚度不得＞1 m，挖至支撑标高后6 h内完成钢支撑架设，挖至坑底后6 h内完成垫层浇筑，3 d内完成底板施工。建议现场准备堆载材料，以便根据监测情况施加底板堆载以控制变形。

9）为进一步加强盾构穿越期间基坑围护结构稳定性，建议最后一层土开挖时，沿地墙留反压土，待盾构穿越且浆液凝固后方可继续开挖。见图4。

10）经核算，最后一层土方开挖总卸荷比为0.279，根据浙江省工程建设标准《城市轨道交通设施结构安全保护技术规程》4.3.1节规定“分坑后形成的单体基坑卸荷比，轨道交通结构安全保护等级为A级时不宜超过0.2，B级时不宜超过0.3”，故最后一层土方开挖需进行分坑开挖及回筑。见图5。

主要覆土区范围分3段开挖，待①区完成底板回筑后方可进行②区开挖。经核算，2个开挖阶段的最大卸荷比分别为0.142、0.137。单次开挖沿纵向长度≯5 m。

11）施工结束后，应对隧道裂缝进行灌缝处理，进行耐久性修复；对于盾构隧道管片错台超限的，要及时进行管片结构横向或纵向刚度补强、防水补救等工作；对于限界内轮廓超限的，要及时的进行调线调坡，及时调整内部管线等设施的位置。

6 结语

通过有限元模拟等手段，进行基坑开挖对地铁影响的安全性评价，表明现行基坑围护整体方案可满足地铁设施控制标准的要求。实际施工过程中，施工单位应结合围护设计单位提出的施工要求，根据基坑和地铁设施的监测结果，确保围护结构的施工质量；同时动态调整施工方案，配合围护设计单位的设计措施，确保地铁设施运营的安全。

参考文献：

[1]姚燕明，杨金刚，王    哲.宁波地铁盾构隧道上方基坑开挖影响案例分析[J].都市快轨交通，2014，27（4）：93-96+100.

[2]邓    亮.盾构隧道下穿既有框架结构的影响分析[J].公路交通技术，2018，34（1）：96-100.

[3]GB 50652—2011，城市轨道交通地下工程建设风险管理规范[S].

[4]CJJ/T 202—2013，城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].

[5]房    明，刘    镇，周翠英，等.新建隧道盾构下穿施工对既有隧道影响的三维数值模拟[J].铁道科学与工程学报，2011，8（1）：67-72.

[6]段忠辉.既有地铁区间隧道上方深大基坑开挖安全影响分析[J].建筑结构，2020，50（S2）：747-752.