上跨地鐵基坑開挖對區(qū)間隧道變形影響的監(jiān)測與數(shù)值分析

何小龍，董浩偉，陳燕青，代建波

(1.中鐵一局集團有限公司， 陜西 西安 710054； 2.西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065)

城市用地的日趨緊張，使得諸多城市向地下尋求發(fā)展空間，開始修建諸多市政公路隧道。而這些隧道有時需上跨地鐵區(qū)間隧道，這給公路隧道明挖基坑支護體系的變形控制提出了很高的要求，故需對此類工程的基坑開挖對地鐵隧道變形的影響進行專項的研究，以保證安全施工。張治國等[1]在周圍土體荷載卸荷影響的基礎(chǔ)上，提出基坑開挖階段對鄰近區(qū)間隧道階段性分析的方法。曹順[2]結(jié)合工程實際分析了列車動荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響和基坑開挖時既有地鐵隧道的變形情況。高廣運等[3]根據(jù)鄰近區(qū)間隧道與基坑的位置關(guān)系，分析了明挖基坑開挖步序?qū)︵徑鼌^(qū)間隧道變形的影響。唐鵬軍[4]結(jié)合一地鐵出入口深基坑工程建立三維模型，進行了施工過程的動態(tài)模擬與地鐵出入口的安全評價。鄒偉彪等[5]借助模擬分析結(jié)合現(xiàn)場自動監(jiān)測，研究了基坑開挖對鄰近既有地下結(jié)構(gòu)的影響。唐仁等[6]、宋兆銳等[7]、陳思明等[8]、戚長軍等[9]、高強等[10]建立了基坑有限元模型對地鐵區(qū)間隧道影響進行了分析。趙志強等[11]針對基坑開挖對區(qū)間隧道影響評估，提出了數(shù)值分析與理論解析相結(jié)合的新思路。丁毅等[12]對超長、超大基坑開挖對臨近地鐵結(jié)構(gòu)安全影響進行了數(shù)值模擬分析，并介紹了控制變形影響采取的工程措施。丁樂[13]、呂高樂等[14]分析了基坑施工對鄰近地鐵車站及盾構(gòu)隧道的變形影響。魏綱等[15-16]對不同加固措施影響進行了數(shù)值模擬，并收集了多個基坑工程實例，對實測數(shù)據(jù)進行了理論分析和統(tǒng)計分析。雷裕霜[17]通過理論分析和數(shù)值模擬對下臥地鐵變形控制措施及監(jiān)測方案提出了相應(yīng)的工程建議。

上述文獻對基坑開挖對周邊環(huán)境影響進行了分析，但未能對超寬基坑對超近上跨地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響進行專項分析，故本文依托廈門第二西通道A3標(biāo)段石鼓山立交明挖基坑上跨地鐵一號線工程，結(jié)合區(qū)間隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立基坑支護體系與土體的三維有限元模型，對此類基坑開挖時對區(qū)間隧道變形的影響進行分析。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

廈門第二西通道是連接廈門島外海滄區(qū)和廈門本島的重要交通公路，工程在石鼓山立交段需上跨廈門地鐵一號線火炬園—高殿區(qū)間隧道，采用明挖暗埋法施工。按交通疏解方案，石鼓山立交段基坑分三期實施，分為3個區(qū)段，其中上跨地鐵基坑對區(qū)間隧道影響最大。該段基坑長54.9 m，寬31.6 m，開挖深度11.3 m～13.7 m。上跨地鐵區(qū)段基坑與區(qū)間隧道斜交，約55°。明挖基坑與地鐵1號線區(qū)間隧道的平面關(guān)系如圖1所示。

地鐵區(qū)間隧道為單線隧道，采用礦山法施工，襯砌橫斷面如圖2所示。區(qū)間隧道監(jiān)測點布設(shè)見圖3。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報告，基坑工程場區(qū)屬剝蝕殘丘地帶。從地表往下主要地層依次有：雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、砂礫狀強風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖等。巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。場區(qū)內(nèi)的地下水以上層滯水為主，補給為大氣降水及松散巖體孔隙水為主。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)與地鐵一號線平面位置圖

圖2 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)橫斷面

圖3區(qū)間隧道監(jiān)測點布設(shè)

表1 巖土體參數(shù)

2 基坑支護體系

基坑平面形狀近梯形，上、下邊長為66 m、45 m，寬31.6 m。圍護結(jié)構(gòu)采用C35強度等級Φ1 000 mm@1 200 mm灌注樁+Φ800 mm@1 200 mm旋噴樁止水帷幕。樁頂冠梁尺寸為1 200 mm×1 000 mm。基坑支撐體系為1道鋼筋混凝土支撐+2道鋼支撐。其中，第1道為900 mm×900 mm混凝土支撐；第2、3道為Φ609 mm×16 mm鋼支撐，端部支撐在兩側(cè)鋼圍檁上。坑底采用袖閥管注漿1 000 mm×1 000 mm梅花型布置，加固深度為4 m?；炷料盗撼叽鐬?00 mm×600 mm，剛系梁采用兩40 a槽鋼；立柱樁直徑1 000 mm。上跨區(qū)間隧道基坑橫斷面圖見圖4。

圖4基坑支護結(jié)構(gòu)橫斷面

3 區(qū)間隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 道床豎向位移分析

基坑開挖過程中，由于卸荷的作用，基坑下區(qū)間隧道段會有一定的隆起。為了反映開挖過程中隧道變形情況，本文選取了道床豎向位移和隧道結(jié)構(gòu)相對收斂，對它們在開挖中的變化情況進行分析。道床豎向位移和隧道結(jié)構(gòu)相對收斂測點各有29個(對)，沿隧道軸線間隔5 m布置，測點平面布設(shè)見圖1，橫斷面布設(shè)見圖2與圖3。基坑開挖階段見表2。圖5和圖6分別為不同施工工況下區(qū)間隧道左線和右線的道床豎向位移變化曲線。

表2 基坑施工階段

圖5 左線隧道豎向位移

圖6右線隧道豎向位移

由圖中可以看到，在-20 m～20 m基坑范圍內(nèi)的區(qū)間隧道表現(xiàn)為隆起，在基坑中間附近隆起量最大，基坑范圍外由隆起逐漸轉(zhuǎn)為少量下沉。左線隧道最大隆起量為3.43 mm，右線隧道為6.42 mm，大87.2%，主要是由于右線區(qū)間隧道更靠近基坑中央，隆起更明顯。五種工況下，隧道最大隆起量左線分別為0.57 mm、0.54 mm、1.26 mm、2.47 mm、3.43 mm；右線分別為1.06 mm、0.87 mm、2.68 mm、3.91 mm、6.42 mm，相應(yīng)的各工況下左線引起隆起增量分別為0.57 mm、-0.03 mm、0.72 mm、1.21 mm、0.96 mm；右線引起隆起增量分別為1.06 mm、-0.19 mm、1.81 mm、1.23 mm、2.51 mm。工況2引起隆起量為負(fù)，主要是因為施作混凝土支撐且開挖土層僅有1 m，區(qū)間隧道豎向位移整體變化都很小?？梢钥闯觯r4、工況5即開挖下半土體引起的隆起量要大于開挖上半土體引起的隆起量。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)相對收斂分析

圖7和圖8分別為不同施工工況下區(qū)間隧道左線和右線的道床豎向位移變化曲線。可以看出，沿隧道縱向相對收斂曲線呈折線波動，與隧道豎向位移呈順滑曲線分布有明顯不同。在-20 m～20 m基坑范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)相對收斂整體上大都為負(fù)值，只在部分工況個別點上結(jié)構(gòu)相對收斂為正值且較小，這主要是因為隧道頂豎向卸荷相比水平卸荷更為明顯。左、右線隧道收斂最大值都出現(xiàn)在0 m即基坑中線附近處，分別為-5.24 mm、-5.40 mm，相比右線大3.1%，差異較小，這與左右線隧道隆起量差異較大有很大不同。五個工況下，左、右線隧道結(jié)構(gòu)最大相對收斂分別為-1.22 mm、-1.10 mm、-1.96 mm、-2.81 mm、-5.24 mm和-0.67 mm、-0.80 mm、-1.76 mm、-2.63 mm、-5.40 mm，相應(yīng)的各工況引起左、右線相對收斂量差異為-1.22 mm、0.12 mm、-0.86 mm、-0.85 mm、-2.43 mm和-0.67 mm、-0.13 mm、-0.96 mm、-0.87 mm、-2.77 mm?？梢钥闯?，工況5即開挖土體至基坑底引起的相對收斂量要比其余工況偏大很多，說明越靠近區(qū)間隧道開挖結(jié)構(gòu)的相對收斂量變大越快。

圖7 左線隧道結(jié)構(gòu)相對收斂

圖8右線隧道結(jié)構(gòu)相對收斂

4 數(shù)值模擬與分析

4.1 數(shù)值計算模型

本基坑工程支護體系空間不對稱，又上跨地鐵區(qū)間隧道，建立三維模型能較好反映實際，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立了基坑支護體系與土體的三維有限元模型，并對基坑土體分層開挖進行了模擬。在模型中，基坑圍護樁按等效剛度法折算成墻，厚度為788 mm，采用板單元模擬；樁頂冠梁、混凝土支撐、鋼圍檁、鋼支撐、格構(gòu)柱、立柱樁依據(jù)實際尺寸均采用梁單元模擬；地鐵1號線區(qū)間隧道二襯采用板單元模擬，巖土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型模擬。模型尺寸為180 m×120 m×60 m，模型網(wǎng)格劃分如圖9所示，基坑與區(qū)間隧道相對位置關(guān)系如圖10所示。

圖9 三維有限元模型

圖10基坑與隧道相對位置關(guān)系

4.2 計算參數(shù)選取

模型中巖土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模擬；支護結(jié)構(gòu)體系剛度較大，采用線彈性模型模擬。圍護樁和立柱樁為C35，彈性模量取為31.5 GPa，泊松比取為0.2；樁頂冠梁、第一道混凝土支撐、混凝土系梁為C30，彈性模量取為30 GPa，泊松比取為0.2；鋼圍檁、鋼支撐、格構(gòu)柱彈性模量取為210 GPa，泊松比取為0.25。

4.3 結(jié)果分析

為了與監(jiān)測數(shù)據(jù)道床豎向位移形成對比，模型中豎向位移選用隧道底部位置數(shù)據(jù)。圖11為開挖至坑底時地鐵區(qū)間隧道豎向位移?？梢钥闯?，右線隧道豎向位移相對左線隧道豎向位移較大；基坑區(qū)域內(nèi)隧道整體位移表現(xiàn)為豎向隆起，基坑范圍外兩側(cè)區(qū)域的隧道豎向位移變化很小。

圖11區(qū)間隧道豎向位移

圖12和圖13分別為數(shù)值模擬不同工況下左線和右線區(qū)間隧道底部位置的豎向位移變化曲線。工況1時的隧道有一定下沉，主要是與數(shù)值模擬時圍護樁和基底加固引起豎向荷載一定增加有關(guān)。左線隧道最大隆起量為5.87 mm，右線隧道為8.25 mm，大40.5%，右線隆起更明顯。五種工況下，左、右線隧道最大隆起量左線為0.11 mm、0.07 mm、1.81 mm、3.93 mm、5.87 mm，右線為0.10 mm、0.02 mm、2.58 mm、5.58 mm、8.25 mm，相應(yīng)的各工況引起隆起量左線為0.11 mm、-0.04 mm、1.74 mm、2.12 mm、1.93 mm，右線為0.10 mm、-0.08 mm、2.56 mm、3.01 mm、2.67 mm。可以看出，開挖下半土體引起的豎向位移要稍大于開挖上半土體引起的豎向位移。

圖12 左線隧道豎向位移

圖13右線隧道豎向位移

圖14和圖15分別為工況1、工況3、工況5下左線和右線豎向位移數(shù)值模擬與監(jiān)測變化曲線對比?？梢钥闯?，數(shù)值和監(jiān)測數(shù)據(jù)整體上變形趨勢基本一致，基坑區(qū)域內(nèi)隧道大都隆起，基坑區(qū)域外有較小下沉。不過-40 m～40 m區(qū)域內(nèi)，左、右線數(shù)值模擬最大隆起位移5.87 mm、8.25 mm，大于監(jiān)測最大隆起位移3.43 mm、6.42 mm，分別大71.1%、28.5%；兩側(cè)區(qū)域，左、右線數(shù)值模擬最大沉降-0.30 mm、-0.32 mm，小于監(jiān)測最大沉降-1.35 mm、-1.34 mm。三種工況下，左線隧道監(jiān)測與數(shù)值模擬隆起位移最大值分別為0.57 mm、1.26 mm、3.43 mm和 0.11 mm、1.81 mm、5.87 mm；右線隧道監(jiān)測與數(shù)值模擬隆起位移最大值分別為1.06 mm、2.68 mm、6.42 mm和0.10 mm、2.58 mm、8.25 mm，除工況1外，其他土層開挖工況，左線隧道隆起均小于右線隧道隆起。通過對比說明本模型能一定程度上模擬上跨區(qū)間隧道位移變形情況。

圖14 左線隧道豎向位移對比

圖15右線隧道豎向位移對比

5 結(jié) 論

本文以明挖基坑上跨地鐵一號線工程為背景，圍繞明挖基坑開挖過程對區(qū)間隧道變形進行了監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析同步分析研究，得到了以下結(jié)論：

(1) 基坑區(qū)域內(nèi)隧道隆起模擬值略大于監(jiān)測值，基坑區(qū)域外外隧道沉降模擬值略小于監(jiān)測值，不同工況下兩者變形規(guī)律基本一致。

(2) 地鐵區(qū)間隧道與基坑中央的距離與其隆起量成負(fù)相關(guān)，右線隧道隆起量更明顯。開挖土體與區(qū)間隧道的距離與其隆起量成負(fù)相關(guān)，開挖基坑下半部分土體引起的隆起量更大。在基坑開挖時需分層分塊開挖，以減小開挖卸載引起的區(qū)間隧道隆起。

(3) 開挖底層土所引起的相對收斂量大于其余工況，結(jié)構(gòu)的相對收斂變化速率和開挖土體與隧道距離成正相關(guān)。

(4) 本次模擬能較好反映上跨區(qū)間隧道段基坑施工所引起的基坑及區(qū)間隧道位移變形規(guī)律，對類似工程提供參考。