明挖卸荷施工对下卧既有地铁盾构隧道的影响研究

李明君，孙庆文，陈小飞

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300131；2.济南轨道交通集团有限公司，山东济南 250101）

1 引言

随着城市化进程的加速发展及地铁网络的形成，既有地铁隧道上方不可避免会出现各类基坑开挖工程。明挖卸荷施工势必会引起下卧既有地铁盾构隧道的隆起变形，从而对既有地铁隧道结构及运营安全产生影响，因此，研究不同工程条件下明挖卸荷施工对下卧既有地铁盾构隧道影响规律十分必要。

目前，许多学者已对明挖基坑近接既有地铁隧道施工影响做了大量分析研究。郭典塔等[1]基于静、动力学有限元分析方法，建立了基坑与隧道相互作用的混合单元离散模型，分析了基坑对隧道结构力学行为的影响；阮顺良等[2]从力学原理上分析了基坑卸土的影响机理，从设计和施工两方面提出了减小基坑工程对邻近地铁影响的控制措施。张强[3]基于粘弹性地基梁模型，从理论解方面系统分析了不同开挖卸荷工况引起的下方既有隧道竖向变形的规律。魏纲等[4-5]对基坑开挖影响下方既有盾构隧道的机制进行了理论分析。温锁林[6]、申奇[7]、徐泽[8]、王景山[9]、尤伟军等[10]、陈晓燕[11]以某特定工程为例，研究了基坑不同开挖方案引起的地铁隆起变形规律。吕显福等[12]以厦门地铁2 号线为例，研究了明挖基坑零距离上跨地铁隧道设计优化及施工技术。董文斌[13]、郑余朝等[14]以新建基坑近接既有地铁盾构隧道施工工程为研究背景，分析提出了基坑近接既有地铁盾构隧道施工的强、弱、无影响分区理论值。李腾飞[15]以长沙市桐梓坡路—鸭子铺通道工程为例,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了评估分析。

上述研究多倾向于变形机理的理论分析或仅针对某工程的特定条件分析。对于不同因素影响下各种不同工况的定量分析较少，同时根据调研，很多结构工程师对于明挖基坑与隧道夹角、明挖基坑横向卸荷面积、明挖基坑与隧道竖向距离等因素对既有隧道影响程度并没有一个清晰具体的认识。鉴于此，本文在现有研究的基础上，以济南某明挖工程近接既有地铁隧道为研究对象，考虑了明挖基坑与隧道夹角、明挖基坑横向卸荷面积、明挖基坑与隧道竖向距离等因素影响，开展了大量数值模拟对比分析，得出了明挖卸荷施工对下卧既有地铁盾构隧道影响规律，总结出了相应的工程建议措施，以期为类似工程设计及施工提供参考。

2 数值计算模型

2.1 三维模型构建

数值模拟中，模型主要包括地层及既有地铁隧道结构。根据勘察报告及现场工程实际，该区段地层组成如图1 所示，从上至下依次为①1 素填土、⑨1 粉质黏土、⑩1 粉质黏土、1 碎石层。隧道结构采用预制管片装配式单层衬砌，圆形断面，隧道断面外径6.4 m、内径5.8 m，管片厚度0.3 m。模型尺寸取50 m×50 m×30 m，其中地层采用实体单元，既有地铁隧道结构采用壳单元（shell 单元）。计算中，模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面，模型底部设置竖向约束，计算模型如图1 所示。

图1 明挖基坑与既有隧道正交模型

2.2 参数选取

各地层材料采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）本构模型进行模拟，物理力学参数主要依据实际工程勘察和施工报告综合选取，具体如表1 所示。

表1 各地层材料力学参数

3 数值模拟工况对比

明挖基坑深约3.8 m、宽约6.4 m，采用放坡开挖，放坡比例为1 : 1，明挖基坑与既有隧道呈正交关系，隧道拱顶距基坑底竖向距离为3.2 m。

为进一步研究不同因素下明挖卸荷施工对下卧既有地铁盾构隧道的影响，文章以上述工程背景为基础，并做了不同工程条件的假设，考虑了基坑与既有隧道夹角、基坑横向卸荷面积、基坑与既有隧道竖向距离3 大类影响因素，共假定28 种对比工况，模拟明挖卸荷施工对既有地铁隧道影响，具体工况对比如表2 所示。

表2 数值模拟工况对比

4 数值模拟结果及分析

4.1 不同夹角条件下的隧道竖向变形分析

保持明挖基坑横向卸荷面积、竖向距离及地层条件不变，分别取明挖基坑与既有隧道夹角A为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，分析不同夹角下既有隧道竖向变形影响，计算结果如图2 所示。

图2 不同夹角下的隧道竖向变形曲线

从计算结果来看，明挖基坑在既有隧道正上方且呈平行走向时，隧道隆起变形呈直线状，对隧道的竖向变形影响最大。随着夹角逐渐变大，隧道竖向变形明显减小且隧道隆起变形呈驼峰状。与既有隧道中心水平距离为0 时，隧道变形最大，随着距离增加，变形趋于缓和。当夹角增加到45°及以上时，隧道隆起曲线几乎重叠，竖向变形趋于稳定，隧道竖向变形降至最小。由此可见，明挖基坑与既有隧道夹角保持在45°及以上，均可降低明挖卸荷施工对既有隧道的影响。

4.2 不同横向卸荷面积条件下的隧道竖向变形分析

4.2.1 基坑宽度变化影响

保持明挖基坑深度、竖向距离、夹角及地层条件不变，分别取明挖基坑宽度b为0.5D（3.2 m）、1D（6.4 m）、1.5D（9.6 m）、2D（12.8 m）、2.5D（16 m）、3D（19.2 m）、3.5D（22.4 m），其中D为隧道直径，分析不同基坑宽度下的既有隧道竖向变形影响，计算结果如图3 所示。

图3 不同基坑宽度下的隧道竖向变形曲线

计算结果表明，明挖基坑的开挖宽度对隧道的竖向变形有显著影响。明挖基坑开挖宽度越窄，对隧道的竖向变形影响越小；明挖基坑开挖宽度越大，卸荷量增大，隧道竖向变形呈线性增长，但变化速率相对较缓慢。影响曲线均呈驼峰状且各曲线变化均匀。由此可见，明挖基坑宽度对既有隧道竖向变形影响较大，严格控制明挖卸荷施工的宽度，即采用分幅开挖的方法，对于降低既有隧道的变形有很大作用。

4.2.2 基坑深度变化影响

保持明挖基坑宽度、夹角及地层条件不变，分别取明挖基坑深度H为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m，分析不同基坑深度下的既有隧道竖向变形影响，计算结果如图4所示。

图4 不同基坑深度下的隧道竖向变形曲线

从计算结果来看，当明挖基坑深度越小时，隧道的竖向变形影响越小，影响曲线越平缓，影响曲线呈驼峰状；当明挖基坑深度越大时，卸荷量增大，隧道的竖向变形呈线性增加且变化速率较快，影响曲线凸起越来越明显。由此可见，明挖基坑深度对既有隧道竖向变形影响较为显著，严格控制明挖卸荷施工深度，即采用分层开挖的方法，对于降低既有隧道的变形有明显作用。

4.3 不同竖向距离条件下的隧道竖向变形分析

保持明挖基坑横向卸荷面积、夹角及地层条件不变，同时为较准确模拟竖向距离对隧道结构变形的影响，假设既有隧道与明挖基坑所夹地层为同一属性地层。分别取既有隧道与明挖基坑竖向距离h为2D（12.8 m）、1D（6.4 m）、0.5D（3.2 m）、2.5 m、2 m、1 m、0.5 m，分析不同竖向距离下的既有隧道竖向变形影响，计算结果如图5 所示。

图5 不同竖向距离下的既有隧道竖向变形曲线

计算结果表明，明挖基坑在既有隧道正上方施工时，对既有隧道均会产生一定的影响，影响曲线呈驼峰状。当竖向距离为2D时，影响曲线较为平缓，随着距离逐渐变小，曲线凸起越来越明显。竖向距离在2D～0.5D范围时，既有隧道隆起变形速率较快。当竖向距离在0.5D及以下时，既有隧道隆起变形速率逐渐减缓。由此可见，竖向距离在0.5D以上时，竖向距离对于控制隆起变形效果较为明显；向距离在0.5D以下时，竖向距离对于控制隆起变形并不明显。

5 结论及建议

本文针对济南某明挖工程近接既有地铁隧道施工，基于midas GTS NX 有限元软件，构建了三维数值模型，分析了不同基坑与隧道夹角、基坑横向卸荷面积、基坑与隧道竖向距离等因素下明挖卸荷施工对既有地铁隧道变形影响，得出如下结论。

（1）明挖基坑与隧道夹角为45°时，同一位置隧道竖向位移比夹角为0°时减小了46.3%，当夹角超过45°时，竖向位移并没有继续减小，反而略有增加。因此建议外部作业基坑与既有隧道夹角保持在45～90°之间，可以降低明挖卸荷施工对既有隧道的影响。

（2）明挖基坑横向卸荷面积对既有地铁隧道竖向变形影响，随基坑加宽或加深而持续线性增加，其中基坑深度因素影响尤为显著。建议在既有地铁盾构隧道上方进行明挖卸荷施工时应始终遵循分幅分层开挖原则。

（3）明挖基坑与隧道竖向距离为0.5 倍隧道洞径时，隧道最大竖向位移为17.58 mm，同一位置隧道竖向位移比2 倍隧道洞径时增大了89.4%，竖向距离为0.5 倍洞径及以下时，隧道竖向位移虽有增加，但增加幅度明显变缓，增幅在3%以内。因此，地铁隧道因条件受限需要在规划的河道或其他明挖基坑下方小距离覆设时（竖向距离小于0.5 倍隧道洞径），可采用其他措施减小竖向距离。