基坑開挖引起下臥盾構隧道隆起及控制研究

李永永

(山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

地鐵運營對所在隧道的變形要求極其嚴格。關于基坑開挖引起運營地鐵隧道變形的控制標準及相應保護措施，國內尚無系統編制的相關規程，僅上海市對地鐵的變形提出暫行規定［1］:隧道運營期間，最大位移一般不能超過20 mm，回彈變形不超過15 mm，隧道變形曲率半徑須大于15 000 m，相對變形須小于1/2 500。隨著近年來城市建設的快速發展，常常會出現基坑工程騎跨于已建地鐵區間隧道之上這一新問題。然而基坑開挖卸載會引起下臥盾構隧道隆起，使隧道的使用功能和安全性受到威脅。本文以杭州市某基坑開挖為背景建立了基坑開挖對下臥盾構隧道影響的數值模型，根據不同施工工況進行模擬，動態地分析了施工過程中基坑開挖對盾構隧道的影響及變形控制措施的效果。

1 工程概況

金沙湖綠軸下沉廣場工程位于杭州經濟技術開發區規劃金沙湖北側的九沙大道下及其兩側。九沙大道為快速路，本工程為溝通九沙大道兩側地塊的下穿九沙大道的人行交通工程。綠軸下沉廣場面積為12 580 m2，基坑開挖深度約為5.25 m，本工程基底(素混凝土墊層底)距離1號線左線隧道頂3.17 m，距離右線隧道頂4.33 m～5.98 m，開挖階段隧道最小覆土約為0.5倍洞徑。本工程基坑開挖面基本處于粉砂中，基坑影響深度范圍內的土層為填土、粘質粉土、砂質粉土、淤泥質粉質粘土等，開挖過程中地下水降至坑底以下1 m，區間隧道頂部及以上土層采用水泥土攪拌樁進行滿堂加固，在下臥雙線隧道中間及兩側每間距1.0 m布置直徑為600 mm的鋼筋混凝土鉆孔灌注抗拔樁，形成門式框架以抑制基坑開挖卸荷引起下臥地鐵隧道上浮變形見圖1。

2 計算模型

整個模型大小為150 m×55 m×170 m，區間隧道結構長度150 m，盾構外徑 D=6.2 m，管片壁厚0.35 m，加固區44.6 m ×35 m。模擬巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌采用線彈性模型，采用板單元模擬襯砌結構，實體單元來模擬土體及加固土。MIDAS有限元模型網格劃分如圖2，圖3所示，模型單元個數為76 808。計算時為了簡化模型，將相近土層合并成一層進行計算。模型總共分為四個土層，分別是:砂質粉土20 m、淤泥質粉質粘土夾粉土10 m、淤泥質粉質粘土15 m、粘土20 m。計算時假設圍巖為單一、均質的連續介質，其物理力學性質根據工程地質勘察和試驗資料并結合規范來取值，各參數見表1。該模型計算考慮土體整層開挖，其分層開挖高度分別為2.2 m，3.05 m。計算中考慮基坑降水影響，開挖基坑前，地下水位下降至基坑底面以下1 m。由于抗浮樁數量眾多，無法在3D模型中逐個建立。本文采用等效剛度法，即規范中規定復合地基的復合模量進行等效換算［2-4］。

圖1 工程結構圖

數值模擬工況簡介［5-8］。

工況一:未進行加固分析。計算考慮土體整層開挖，其分層開挖高度分別為2.2 m，3.05 m。模擬過程有如下分析:1)初始狀態下地層的初始應力平衡;2)模擬盾構隧道開挖及管片安裝;3)模擬施工降水;4)模擬基坑土體開挖2.2 m;5)模擬基坑土體開挖3.05 m。工況二:攪拌樁加固方案分析。為了減小盾構隧道在基坑開挖期間的隆起，在隧道周邊采取門式加固措施，加固體在隧道邊留有1 m的安全距離，隧道頂以上加固高度2.17 m，兩側加固寬度2 m～15 m。工況三:攪拌樁加抗浮樁分析。為了進一步減小盾構隧道在基坑開挖期間的隆起，在隧道周邊采取門式加固措施的同時，在區間隧道兩側設置4排抗浮樁與1.2厚的結構底板相連，抗浮樁直徑1.2 m縱向間距3 m～6 m，樁長40 m。在開挖方式上采用分塊開挖的方式，先開挖隧道兩側土體，再開挖區間隧道上方的土體。

圖2 MIDAS模型網格劃分

圖3 MIDAS區間隧道與加固措施

表1 巖土物理力學指標表

3 模擬結果分析

整理各工況下模擬結構的位移云圖，選擇直觀明顯地反應變形規律和控制措施效果的關鍵點和物理量，具體見表2和圖4。

表2 關鍵點在各工況下的位移 mm

圖4 關鍵點在各工況下的位移

從表2和圖4可以看出，3D計算的結果要比2D結果大一些，這是因為:二維分析中所取的斷面并不是開挖寬度最大地方，從理論上分析開挖斷面越大，坑底隆起越大。三維分析中有限元邊界條件與實際情況一致，而二維屬于平面應變假設，平面外完全約束，理論上位移會比3D結果要小。

從計算結果看出攪拌樁門式加固對盾構隧道周邊土體豎向位移有一定限制作用，但作用不大。雖然攪拌樁加固后，土體的剛度有所增大，但基坑開挖回彈影響范圍深達粘性土層，所以土體回彈會把加固土體連同隧道一塊頂起。采取加固措施后，盾構隧道底部的隆起量有一定的減小，由67.6 mm減小到56.4 mm，但仍不能達到盾構隧道變形控制標準的要求。

采用滿布抗拔樁，考慮施工的時空效應采用分層分塊開挖，可以明顯的減小基坑底部回彈，同時也減小了隧道的位移，使隧道位移降至11.8 mm，能夠滿足地鐵隧道要求限值，保障地鐵安全運營。

4 結語

本次分析使用MIDAS/GTS軟件對金沙胡下沉廣場基坑開挖對杭州地鐵一號線的影響進行了分析。通過對數值計算結果的整理分析研究，得出以下結論:1)未經過加固，基坑直接整層開挖后，區間隧道大面積卸荷后上浮達67.6 mm，嚴重影響到隧道安全。2)區間隧道采用門式水泥攪拌樁加固后，整層開挖。雖然可以減小坑底隆起，但隧道上浮達56.4 mm，大大超過限值。所以僅僅采用攪拌樁加固是不夠的。3)在開挖基坑前，在開挖范圍內滿布直徑1.2 m長度大于40 m的抗浮樁可以大大降低基坑開挖后的隆起。通過分步開挖，可以進一步減小基坑底部回彈，最終隧道上浮11.8 mm，滿足限值要求，且與實際施工動態監控數據基本吻合。

［1］上海市市政工程管理局.上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定［S］.上海：上海市政管理局，1994.

［2］胡 恒，朱厚喜，賈立宏.基坑開挖對鄰近地鐵結構基礎的影響分析［J］.巖土工程學報，2010，32(S1)：116-119.

［3］張玉成，楊光華，姚 捷，等.基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數值仿真分析［J］.巖土工程學報，2010，32(S1)：109-114.

［4］王衛東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區間隧道影響的數值模擬［J］.巖土力學，2004，25(sup)：251-255.

［5］汪小兵，賈 堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施［J］.城市軌道交通研究，2009(5)：52-57.

［6］劉國彬，黃院雄，侯學淵.基坑工程下已運行地鐵區間隧道上抬變形的控制研究與實踐［J］.巖石力學與工程學報，2001，20(2)：202-207.

［7］李志高，劉國彬，曾 遠，等.基坑開挖引起下方隧道的變形控制［J］.地下空間與工程學報，2006，2(3)：430-433.

［8］李志高，曾 遠，劉 浩，等.基坑開挖引起下方地鐵隧道位移的控制措施［J］.鐵道建筑技術，2005(5)：33-36.