基坑開挖對下伏既有地鐵隧道穩(wěn)定性影響分析

李騰飛

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300000）

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，新建工程難以避免對周邊既有建（構(gòu)）筑物造成影響[1～4]；尤其對于運(yùn)營中的既有地鐵隧道，由于安全等級高，沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)，若基坑開挖過程中產(chǎn)生較大的附加變形及作用力，將嚴(yán)重影響地鐵運(yùn)營安全。在基坑開挖過程中，如何控制上覆地層開挖造成的卸荷作用對下方運(yùn)營地鐵造成的影響，是目前地下工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題[5～8]。

本文以長沙市桐梓坡路—鴨子鋪通道工程（湘雅路過江通道段）為例，結(jié)合數(shù)值模擬軟件，對基坑開挖所采取的加固措施與既有地鐵區(qū)間相互作用進(jìn)行評估分析，供類似工程參考。

1 工程概況

桐梓坡路—鴨子鋪通道工程（湘雅路過江通道段）為城市主干道，設(shè)計(jì)速度50 km/h，線路先后下穿湘江大道、黃興路、蔡鍔路，全長約4.18 km，見圖1。

圖1 隧道總體平面位置

東岸明挖段與地鐵6號線文昌閣站共建的西側(cè)為明挖隧道與地鐵1號線、6號線區(qū)間相交節(jié)點(diǎn)。明挖隧道位于地鐵1號線上方并與1號線正交，隧道底與1號線隧道拱頂之間最小垂直距離為2.8 m；地鐵6號線位于地鐵1號線下方并與1號線正交，隧道拱頂與1號線隧道底之間的最小垂直距離為2.4 m。明挖隧道與地鐵6號線相平行。為確保隧道基坑開挖不會對運(yùn)營中的地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全造成影響，設(shè)計(jì)采用袖閥管對地層進(jìn)行加固處理，同時(shí)控制開挖量并設(shè)置抗拔樁。見圖2。

圖2 隧道節(jié)點(diǎn)處理措施方案斷面

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

建立三維有限差分模型，橫向（地鐵1號線開挖方向）取5倍以上基坑開挖深度，總計(jì)100 m；縱向（通道與地鐵6號線延伸方向）從6號線左右線的中線向兩側(cè)各取3倍以上洞徑，總計(jì)70 m；豎直方向由坑底至下截面取3倍以上開挖深度，總計(jì)50 m，模型尺寸為100 m×70 m×50 m。見圖3。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算模型

模型共分13個(gè)實(shí)體網(wǎng)格組，分別為雜填土地層，粉質(zhì)黏土地層，粉質(zhì)黏土地層，粉質(zhì)黏土地層，中風(fēng)化板巖地層，地鐵1號線左、右線開挖區(qū)，長沙地鐵6號線左、右線開挖區(qū)，明挖基坑上層，明挖基坑下層，明挖隧道結(jié)構(gòu)，袖閥管注漿加固區(qū)，實(shí)體網(wǎng)格均為六面體單元形式；結(jié)構(gòu)單元6個(gè)，分別為地鐵1號線左、右洞襯砌，地鐵6號線左、右洞襯砌，放坡開挖上、下層支護(hù)。

各地層及袖閥管注漿加固區(qū)采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；新建隧道結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型；地鐵隧道襯砌、放坡開挖支護(hù)均為各項(xiàng)同性的殼單元。見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算地層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 基坑開挖卸載穩(wěn)定性分析

1）地鐵1號線襯砌內(nèi)力。既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力會受到卸載作用的影響發(fā)生應(yīng)力重分布。襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力為655 kN，發(fā)生在線路兩端隧道兩側(cè)邊墻處；最大正彎矩為78.7 kN·m，發(fā)生在線路兩端隧道拱頂處；最大負(fù)彎矩為88.5 kN·m，發(fā)生在線路兩端隧道邊墻處。見圖4。

圖4 挖卸載下地鐵1號線隧道襯砌內(nèi)力

2）地鐵1號線襯砌安全性。根據(jù)基坑開挖卸載作用下地鐵1號線隧道襯砌內(nèi)力，計(jì)算出隧道襯砌的安全系數(shù)［9］，明挖隧道基坑放坡開挖后，既有地鐵1號線隧道左線襯砌結(jié)構(gòu)的最小抗壓安全系數(shù)為13.43，最小抗彎安全系數(shù)為5.11；隧道右線襯砌結(jié)構(gòu)的最小抗壓安全系數(shù)為13.55，最小抗彎安全系數(shù)為4.84。左右線安全系數(shù)皆滿足“抗拉安全系數(shù)＞2.4，抗壓安全系數(shù)＞2.0”的要求［9］且有一定的安全余量。

3）地鐵1號線襯砌位移。既有隧道結(jié)構(gòu)的位移場會受卸載作用影響發(fā)生應(yīng)力重分布。在基坑開挖卸載影響范圍內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，最大豎向位移3.13 mm，發(fā)生在基坑中線正下方隧道拱頂處；最大水平位移1.11 mm，發(fā)生在基坑中線正下方隧道兩側(cè)邊墻處。豎向位移與水平位移皆＜10 mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)［10］。見圖5。

圖5 開挖卸載下地鐵1號線隧道襯砌位移

4）新建明挖隧道基坑穩(wěn)定性?；由峡缂扔械罔F隧道時(shí)，其坑底周圍應(yīng)力場與位移場的分布會受到既有隧道影響。基坑底發(fā)生隆起變形，最大隆起量10.59 mm；基坑周邊地表最大隆起量3.6 mm，最大沉降量為0.21 mm；放坡坡腳發(fā)生水平位移，最大值為2.43 mm。基坑底回彈、地表豎向位移、坡腳水平位移等變形較小，均滿足基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測預(yù)警值要求［11］。見圖6。

圖6 開挖卸載下新建基坑位移

2.2.2 基坑回填加載穩(wěn)定性分析

1）地鐵1號線襯砌內(nèi)力。既有隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會受到加載作用的影響而發(fā)生重分布。襯砌結(jié)構(gòu)最大軸力690 kN，發(fā)生在線路兩端隧道兩側(cè)邊墻處；最大正彎矩83.7 kN·m，發(fā)生在線路兩端隧道拱頂處；最大負(fù)彎矩94.1 kN·m，發(fā)生在線路兩端隧道邊墻處。見圖7。

圖7 加載回填下地鐵1號線隧道襯砌內(nèi)力

2）地鐵1號線襯砌安全性。根據(jù)基坑回填加載作用下的地鐵1號線隧道襯砌內(nèi)力，計(jì)算出隧道襯砌的安全系數(shù)［9］，基坑回填后，既有地鐵1號線隧道左線襯砌結(jié)構(gòu)最小抗壓安全系數(shù)為12.76，最小抗彎安全系數(shù)為4.29；隧道右線襯砌結(jié)構(gòu)最小抗壓安全系數(shù)為12.83，最小抗彎安全系數(shù)為4.07。左右線安全系數(shù)均滿足“抗拉安全系數(shù)＞2.4，抗壓安全系數(shù)＞2.0”的要求［9］且有一定的安全余量。

3）地鐵1號線襯砌位移。既有隧道結(jié)構(gòu)的位移場會受加載作用影響發(fā)生應(yīng)力重分布。在基坑加載回填作用下，襯砌結(jié)構(gòu)最大豎向位移為2.46 mm，發(fā)生在基坑中線正下方的隧道拱頂處；最大水平位移為0.83 mm，發(fā)生在基坑中線正下方的隧道兩側(cè)邊墻處。豎向位移與水平位移皆＜10 mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)［10］。見圖8。

圖8 加載回填下地鐵1號線隧道襯砌位移

4）新建明挖隧道基坑穩(wěn)定性?；由峡缂扔械罔F隧道時(shí)，基坑底周圍應(yīng)力場與位移場分布會受到既有隧道影響?；又車乇沓两底畲笾禐?.93 mm，發(fā)生在新建隧道頂板右側(cè)；地表水平位移最大值為2.64 mm，發(fā)生在新建隧道頂板右側(cè)。新建隧道上方地表豎向、水平位移較小，均滿足基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測預(yù)警值要求［11］。見圖9。

圖9 回填加載下基坑地表位移

3 結(jié)論

1）對于既有地鐵1號線隧道，在開挖卸載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的控制要求；開挖卸載影響范圍內(nèi)，既有隧道結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一定程度上浮，但襯砌結(jié)構(gòu)的變形遠(yuǎn)小于預(yù)警值，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)仍具有較高的安全性。

2）對于既有地鐵1號線隧道，在回填加載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的控制要求；回填加載作用會導(dǎo)致基坑下方的隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)豎向沉降，但襯砌結(jié)構(gòu)的變形遠(yuǎn)小于預(yù)警值，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)仍具有較高的安全性。

3）對于新建明挖隧道基坑，開挖卸載會導(dǎo)致基坑坑底出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，放坡坡腳會發(fā)生水平位移，坑底的豎向隆起與水平位移皆小于基坑變形的監(jiān)測預(yù)警值；基坑周圍地表的隆起與沉降較小，滿足相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的控制要求，新建明挖隧道基坑具有較好的穩(wěn)定性。

4）對于新建明挖隧道基坑，回填加載后，基坑周圍地表的新建豎向及水平位移皆滿足相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的控制要求，新建明挖隧道基坑具有較好的穩(wěn)定性。