市政隧道基坑開挖對(duì)既有下臥地鐵盾構(gòu)隧道影響分析

高 強(qiáng)，于文龍

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

市政隧道基坑開挖對(duì)既有下臥地鐵盾構(gòu)隧道影響分析

高 強(qiáng)，于文龍

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

以西安南門外綜合改造工程環(huán)城南路市政隧道上跨既有地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道為依托，根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)方案，采用FLAC3D有限差分程序?qū)κ姓淼阑娱_挖對(duì)下臥地鐵盾構(gòu)隧道的影響進(jìn)行數(shù)值分析，并對(duì)隧道抗浮進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算分析結(jié)果表明：采用跳槽、分段、分層、對(duì)稱開挖并結(jié)合“板凳樁”加固區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)方案能有效控制基底土體的隆起和隧道的變形，盾構(gòu)隧道變形值和抗浮滿足相關(guān)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，基坑開挖不會(huì)影響地鐵2號(hào)線的正常安全運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，在施工過(guò)程中對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行了自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。設(shè)計(jì)方案對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

基坑；地鐵；盾構(gòu)隧道；上跨；數(shù)值模擬；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著我國(guó)城市化的進(jìn)程加快，地鐵和基坑工程大量涌現(xiàn)，而且規(guī)模不斷加大。鑒于建設(shè)時(shí)序的原因，必然會(huì)存在后續(xù)基坑開挖對(duì)鄰近既有地鐵隧道造成影響的問(wèn)題。基坑開挖對(duì)鄰近或下臥地鐵隧道的影響是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程［1－3］，針對(duì)這方面的研究也越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。

文獻(xiàn)［4］對(duì)下沉隧道工程上跨已運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了分析研究，提出了對(duì)運(yùn)營(yíng)線路有針對(duì)性地采用地基加固、分段開挖、及時(shí)堆載回壓等施工方案及措施。

文獻(xiàn)［5］采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)箱涵基坑開挖施工對(duì)下臥地鐵雙向盾構(gòu)隧道的影響進(jìn)行了分析研究，分析結(jié)果表明盾構(gòu)隧道豎向位移和水平收斂變形均滿足《杭州市地鐵建設(shè)管理暫行辦法》的要求。

文獻(xiàn)［6－8］通過(guò)三維數(shù)值模擬分析，對(duì)基坑施工全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析結(jié)果為：基坑開挖、回筑過(guò)程中已建地鐵車站、區(qū)間隧道的位移變形均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。由此驗(yàn)證了基坑開挖、加固方案的有效性和合理性。

上述文獻(xiàn)從基坑開挖變形機(jī)制、基坑開挖方法、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等各方面對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近（下臥）地鐵區(qū)間隧道的影響進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果表明：基坑開挖卸荷會(huì)引起基底地層的回彈隆起，造成下臥隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向不均勻變形、橫向水平位移、管徑收斂等不利現(xiàn)象。如果隧道結(jié)構(gòu)變形超過(guò)結(jié)構(gòu)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，輕則引起隧道管片間張開量過(guò)大、隧道滲漏水，重則引起管片開裂，繼而銹蝕鋼筋，導(dǎo)致使用壽命縮短、地鐵結(jié)構(gòu)損壞（如道床與管片的脫開）等，危及地鐵列車運(yùn)行安全。

西安南門外綜合改造工程中的市政隧道需從已運(yùn)營(yíng)的地鐵2號(hào)線鐘樓—永寧門區(qū)間隧道上部通過(guò)，市政隧道基坑開挖深度超過(guò)8 m，兩者之間凈距僅為2.0 m，凈距之小在目前類似工程中較為少見。為最大限度地降低工程風(fēng)險(xiǎn)，減小基坑開挖對(duì)下臥2號(hào)線盾構(gòu)隧道的影響，保證基坑開挖施工和既有地鐵隧道的安全，本文提出基坑采用分段、跳槽、對(duì)稱、分層開挖，并輔以板凳樁加固區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)施工方案。

為分析市政隧道基坑開挖方案的合理性和可行性，本文參照相關(guān)規(guī)范和類似工程的研究資料，提出區(qū)間隧道的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)、施工方案及地鐵區(qū)間隧道的抗浮等進(jìn)行分析和探討，以期對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工起到一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

1 工程概況

1.1 市政隧道與地鐵區(qū)間隧道概況

西安地鐵2號(hào)線永寧門—鐘樓區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間出永寧門站后線間距逐漸擴(kuò)大，在繞過(guò)南門城墻門洞后平行延伸至鐘樓站。隧道內(nèi)徑5 400 mm，外徑6 000 mm，管片厚度300 mm，管片環(huán)寬1.5 m，區(qū)間隧道最小埋深約12 m。

市政隧道沿環(huán)城南路東西向布置，在南門外廣場(chǎng)下穿長(zhǎng)安路，隧道全長(zhǎng)約867 m，全部采用放坡明挖法施工，基坑開挖深度約8 m。隧道結(jié)構(gòu)為單箱四室鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，頂板厚700 mm，底板厚800 mm，邊墻厚800 mm，全寬為36.4 m，凈高約5 m。雙向6車道設(shè)置，機(jī)動(dòng)車道中隔墻厚700 mm，機(jī)非車道中隔墻厚500 mm，隧道頂覆土厚度約1.3 m。

1.2 市政隧道與地鐵區(qū)間隧道相對(duì)關(guān)系

市政隧道在既有2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道頂部垂直穿過(guò)，影響范圍內(nèi)的市政隧道里程為：K1＋797.0～K2＋033，總長(zhǎng)236 m；盾構(gòu)區(qū)間隧道里程為：K14＋438.863～＋475.913，總長(zhǎng)37.05 m。市政隧道底板至盾構(gòu)隧道拱頂凈距僅為2.0 m。

市政隧道與盾構(gòu)區(qū)間隧道的關(guān)系如圖1所示。

圖1 市政隧道與盾構(gòu)區(qū)間隧道的關(guān)系Fig.1 Relationship between municipal tunnel and shield-bored Metro tunnel

1.3 工程及水文地質(zhì)概況

本工程場(chǎng)地地貌單元屬黃土梁洼，地形較平坦。場(chǎng)地地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土（Qml4）、上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q2eol3）黃土、殘積（Q1el3）古土壤、沖積（Q1al3）粉質(zhì)黏土及中更新統(tǒng)風(fēng)積（Q2eol2）黃土、殘積（Q2al2）古土壤、沖積（Q2al2）中砂及粉質(zhì)黏土等。地下水穩(wěn)定水位深度為6.10～11.50 m，相應(yīng)高程395.22～404.21 m，屬潛水類型，地下水位年變幅2.0 m左右，抗浮水位在地下1 m左右。施工場(chǎng)地屬非自重濕陷性黃土場(chǎng)地。工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of geological conditions

2 保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的確定

參照《香港地鐵控制保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》以及《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)既有地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道變形控制采用如下標(biāo)準(zhǔn)值［9－10］：

1）地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)沉降量及水平位移量≤20 mm，盾構(gòu)隧道水平收斂≤20 mm；

2）隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m，相對(duì)變曲≤1/2 500；

3）軌道豎向變形±4 mm；

4）兩股軌道之間最大差異沉降值＜4 mm；

5）單軌10 m內(nèi)差異沉降值＜4 mm。

3 總體設(shè)計(jì)方案

由于市政隧道基坑底部距離地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道距離只有2.0 m左右，為降低基坑開挖對(duì)區(qū)間隧道的影響，保證施工安全，基坑開挖前先在區(qū)間隧道兩側(cè)各施作一排隔離樁，鉆孔樁長(zhǎng)12.8 m，樁頂在設(shè)計(jì)基坑底下1.3 m處，樁頂設(shè)置蓋板，與隔離樁形成“板凳樁”。基坑采用盆式跳槽開挖，槽段長(zhǎng)度3 m，先間隔9 m開挖標(biāo)號(hào)為1的槽段，開挖至樁頂標(biāo)高后，施作板凳樁蓋板，并對(duì)蓋板下部地層進(jìn)行填充注漿加固，漿液采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.1 MPa，待板凳樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再按上述順序開挖施工2，3號(hào)槽段?；娱_挖采用放坡、分層開挖，開挖坡度為1∶0.75，兩級(jí)開挖，坡面采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，每層開挖深度不超過(guò)2 m。施工過(guò)程中采取降水措施，使地下水位位于區(qū)間隧道底板以下1 m處。施工方案及跳槽開挖順序如圖3和圖4所示。

圖3 施工方案圖Fig.3 Construction scheme

圖4 跳槽開挖順序圖Fig.4 Excavation sequence

4 市政隧道施工對(duì)區(qū)間隧道的影響分析

4.1 基本假定

鑒于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性，在建模和計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，并結(jié)合具體問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。在本次數(shù)值模擬中采用了以下假設(shè)：

1）圍巖材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；

2）在初始應(yīng)力場(chǎng)模擬時(shí)不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力的影響；

3）管片按均質(zhì)彈性圓環(huán)模擬，考慮管片接縫的剛度折減系數(shù)η＝0.8。

4.2 模型建立及參數(shù)選取

結(jié)合設(shè)計(jì)開挖方案，本次模擬選取編號(hào)依次為1，2，3，2，1的5個(gè)槽段，并考慮放坡開挖及邊界條件的影響，沿區(qū)間隧道軸線方向取48 m長(zhǎng)的范圍，建立FLAC3D三維有限差分?jǐn)?shù)值模型［11－12］，對(duì)基坑跳槽開挖施工過(guò)程和基坑對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響進(jìn)行模擬計(jì)算。由于模型關(guān)于x軸對(duì)稱，且兩區(qū)間隧道的凈距較大，約為20.5 m左右，可以認(rèn)為兩隧道之間不會(huì)有相互作用。為了減小計(jì)算規(guī)模，提高計(jì)算速度，本次計(jì)算選取一半模型進(jìn)行計(jì)算分析。本次計(jì)算的數(shù)值模型如圖5所示，模型共由105 472個(gè)區(qū)和112 299個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)組成。

圖5 數(shù)值模型Fig.5 Numerical simulation model

土層、注漿加固材料采用M-C（摩爾－庫(kù)侖）模型模擬，板凳樁、襯砌管片采用彈性模型模擬。材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of different materials

4.3 模擬的基本思路

模型建立完畢后，首先進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)模擬，然后進(jìn)行區(qū)間隧道的開挖模擬，得到目前的應(yīng)力場(chǎng)，接著進(jìn)行板凳樁的施工，最后進(jìn)行1號(hào)槽段基坑的分層開挖、板凳樁蓋板的施工和填充注漿。按此順序依次進(jìn)行2號(hào)槽段和3號(hào)槽段的開挖模擬。根據(jù)文獻(xiàn)［13－14］，基坑采用對(duì)稱開挖，對(duì)區(qū)間隧道的豎向位移影響較大。故本次計(jì)算主要對(duì)基坑開挖過(guò)程中土體和區(qū)間隧道的豎向位移進(jìn)行分析。

4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3個(gè)槽段按設(shè)計(jì)順序開挖過(guò)程中引起1號(hào)槽段中部斷面（目標(biāo)斷面）處土體的豎向位移云圖如圖6所示，區(qū)間隧道的豎向位移值如表2所示，其變化時(shí)態(tài)曲線如圖6所示。目標(biāo)斷面處區(qū)間隧道隆起值變化時(shí)態(tài)曲線如圖7所示。

從圖6、圖7和表2可以看出：

1）隨著基坑開挖卸荷的作用，基坑底部發(fā)生回彈隆起現(xiàn)象，其中基坑中部的隆起值大于基坑邊緣，并且隨著開挖深度的增加而增大，而基坑底部土體的隆起引起了下臥地鐵區(qū)間隧道的抬升，隧道抬升呈現(xiàn)出拱頂最大、拱底最小的現(xiàn)象。

2）1號(hào)槽段基坑開挖至第8層并完成板凳樁施作和填充注漿后，區(qū)間隧道拱頂?shù)穆∑鹬禐?.094 mm，拱底隆起值為2.715 mm，占全部隆起值的90%以上。板凳樁蓋板施作后，在其下進(jìn)行填充注漿，會(huì)使隆起值有一定的減小。

3）2號(hào)和3號(hào)槽段基坑均會(huì)對(duì)1號(hào)槽段下部隧道產(chǎn)生影響，但影響較小。這是由于1號(hào)槽段基坑開挖造成相鄰未開挖土體應(yīng)力釋放造成的。

圖6 各段開挖引起目標(biāo)斷面處土體豎向位移云圖Fig.6 Contour of vertical displacement of target cross-section caused by excavation

表2 目標(biāo)斷面處區(qū)間隧道隆起值Table 2 Uplift of Metro tunnel at target cross-sectionmm

圖7 目標(biāo)斷面處區(qū)間隧道隆起值變化時(shí)態(tài)曲線（單位：mm）Fig.7 Time-dependent curves of uplift of Metro tunnel at target cross-section（mm）

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

為保證地鐵2號(hào)線的正常、安全運(yùn)營(yíng)，施工過(guò)程中對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行了自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［15－16］。按縱向每5 m布置1個(gè)斷面，在左右線里程K14＋400～＋495各選取編號(hào)為1—20的20個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)區(qū)間隧道的豎向和橫向進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)頻率為每4小時(shí)1次。每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)區(qū)間隧道的沉降（隆起）和水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Layout of monitoring points

自2013年4月15日（市政隧道開始挖土前2周）測(cè)定初始值并進(jìn)行正常的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)以來(lái)，截至基坑開挖至基底、板凳樁施作及注漿加固完成，區(qū)間隧道左右線各斷面處的累計(jì)隆起值如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10可以看出，市政隧道基坑開挖引起地鐵區(qū)間隧道向上的位移，其中隧道的最大隆起值均發(fā)生在K14＋465斷面處；左線隧道拱頂和拱底隆起值分別為5.6 mm和5.3 mm，右線隧道拱頂和拱底的最大隆起值分別為5.2 mm和4.7 mm；拱頂和拱底的相對(duì)變形最大僅為0.5 mm。區(qū)間隧道表現(xiàn)為整體隆起，基坑開挖引起盾構(gòu)隧道的變形值可以滿足保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9 隧道拱頂隆起值（單位：mm）Fig.9 Uplift of crown of Metro tunnel（mm）

圖10 隧道拱底隆起值（單位：mm）Fig.10 Uplift of invert of Metro tunnel（mm）

根據(jù)計(jì)算，基坑開挖引起隧道縱向變形的最大曲率半徑為111 607 m，大于15 000 m保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

通過(guò)上述分析，可以看出現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近。但是，考慮到巖土材料的復(fù)雜性以及數(shù)值模擬與實(shí)際施工過(guò)程的差異性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形值稍大于數(shù)值模擬變形值，但兩者相差不大，均能滿足保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6 抗浮驗(yàn)算

由于市政隧道基坑開挖過(guò)程中挖出的土的重力大于后期市政隧道結(jié)構(gòu)自身重力，因此需要根據(jù)市政隧道以及地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)情況，并結(jié)合勘察報(bào)告中提出的抗浮水位，對(duì)市政隧道施工完成后的抗浮進(jìn)行驗(yàn)算，以確保安全。由于基坑開挖全過(guò)程均進(jìn)行了降水處理，故可不對(duì)基坑開挖過(guò)程中的抗浮進(jìn)行驗(yàn)算。

本次計(jì)算按每延米區(qū)間隧道進(jìn)行抗浮計(jì)算，各結(jié)構(gòu)所受浮力計(jì)算如下：

盾構(gòu)管片浮力

總的抗浮力由以下幾項(xiàng)組成：

1）盾構(gòu)管片自重

2）市政隧道自重（除去其自身浮力）

3）上覆土層自重總的抗浮力為G總＝G盾構(gòu)＋G隧道＋G土＝321.3 kN?？垢“踩禂?shù)k＝G總/F浮＝1.14＞1.05。故結(jié)構(gòu)滿足抗浮安全要求。

7 結(jié)論與討論

本文對(duì)市政隧道基坑開挖方案進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，在基坑開挖過(guò)程中對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)區(qū)間隧道后期抗浮進(jìn)行了計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1）基坑開挖會(huì)引起周圍土體向基坑內(nèi)部移動(dòng)、坑底土體和下臥地鐵區(qū)間隧道向上隆起的現(xiàn)象，且隨著開挖深度的增加這一現(xiàn)象越發(fā)明顯。

2）基坑采用跳槽開挖的方案進(jìn)行施工時(shí)，2號(hào)和3號(hào)槽段開挖時(shí)，均會(huì)使1號(hào)槽段下部隧道拱頂和拱底隆起值有一定的增大，但隧道隆起主要發(fā)生在1號(hào)槽段的開挖過(guò)程中，后續(xù)開挖造成的隆起值很小。

3）基坑采用跳槽、分段、分層、對(duì)稱開挖并結(jié)合板凳樁對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行加固的設(shè)計(jì)方案起到了控制坑底土體和既有地鐵區(qū)間隧道隆起的作用。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)均說(shuō)明區(qū)間隧道的變形值滿足保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，基坑開挖不會(huì)影響地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。

4）通過(guò)抗浮計(jì)算可知區(qū)間隧道抗浮滿足安全要求。

南門外市政隧道按照總體設(shè)計(jì)方案中的施工順序和輔助措施進(jìn)行施工，目前已施工完畢，施工未對(duì)地鐵2號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)造成影響。需要說(shuō)明的是，由于巖土材料的復(fù)雜性和不連續(xù)性，且數(shù)值模擬僅考慮了市政隧道基坑開挖卸載對(duì)區(qū)間隧道的影響，未能準(zhǔn)確考慮施工擾動(dòng)、基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng)、開挖范圍擴(kuò)大至市政隧道以外的地下停車庫(kù)基坑等對(duì)區(qū)間隧道的影響，故造成數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形值存在一定差異。

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Analysis on Influence of Excavation of Foundation Pit of Municipal Tunnel on Existing Underlying Shield-bored Metro Tunnel

GAO Qiang，YU Wenlong
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

In this article，the influence of the excavation of the foundation pit of Huanchengnanlu municipal tunnel on the existing underlying shield-bored tunnel on No.2 line of Xi’an Metro is numerically simulated by means of FLAC3D finite differential software，and the anti-uplifting of the existing Metro tunnel is calculated.The calculation and analysis result shows that：1）The uplifting of the soil mass at the bottom of the foundation pit and the deformation of the existing Metro tunnel can be brought under effective control by using alternative，section-by-section，layer-by-layer and symmetrical excavation of the foundation pit and by consolidating the existing Metro tunnel by means of bench-shaped piles.2）The deformation and uplifting of the existing Metro tunnel is within the limits of related standards，and the safe operation of No.2 line of Xi’an Metro can be guaranteed.Furthermore，automatic real-time monitoring is made for the existing Metro tunnel during the construction of the municipal tunnel and the monitoring result proves that the design of the construction of the municipal tunnel is reasonable and feasible.

foundation pit；Metro；shield-bored tunnel；overcrossing；numerical simulation；real-time monitoring

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.004

U 45

A

1672－741X（2014）04－0311－07

2013－12－26；

2014－02－28

高強(qiáng)（1985—），河北石家莊人，2012年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，助理工程師，從事隧道及地下工程方面的設(shè)計(jì)工作。