市政隧道基坑開挖對既有下臥地鐵盾構隧道影響分析

高 強，于文龍

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

市政隧道基坑開挖對既有下臥地鐵盾構隧道影響分析

高 強，于文龍

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

以西安南門外綜合改造工程環城南路市政隧道上跨既有地鐵2號線盾構隧道為依托，根據擬定的設計方案，采用FLAC3D有限差分程序對市政隧道基坑開挖對下臥地鐵盾構隧道的影響進行數值分析，并對隧道抗浮進行驗算。計算分析結果表明：采用跳槽、分段、分層、對稱開挖并結合“板凳樁”加固區間隧道的設計方案能有效控制基底土體的隆起和隧道的變形，盾構隧道變形值和抗浮滿足相關保護標準和規范的要求，基坑開挖不會影響地鐵2號線的正常安全運營。同時，在施工過程中對區間隧道進行了自動化實時監測，監測結果驗證了設計方案的合理性和可行性。設計方案對類似工程的設計和施工具有一定的借鑒和指導意義。

基坑；地鐵；盾構隧道；上跨；數值模擬；實時監測

0 引言

隨著我國城市化的進程加快，地鐵和基坑工程大量涌現，而且規模不斷加大。鑒于建設時序的原因，必然會存在后續基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道造成影響的問題。基坑開挖對鄰近或下臥地鐵隧道的影響是一個十分復雜的動態過程［1－3］，針對這方面的研究也越來越引起國內外學者的重視。

文獻［4］對下沉隧道工程上跨已運營地鐵區間隧道的設計和施工進行了分析研究，提出了對運營線路有針對性地采用地基加固、分段開挖、及時堆載回壓等施工方案及措施。

文獻［5］采用現場監測和數值計算的方法對箱涵基坑開挖施工對下臥地鐵雙向盾構隧道的影響進行了分析研究，分析結果表明盾構隧道豎向位移和水平收斂變形均滿足《杭州市地鐵建設管理暫行辦法》的要求。

文獻［6－8］通過三維數值模擬分析，對基坑施工全過程進行動態模擬，分析結果為：基坑開挖、回筑過程中已建地鐵車站、區間隧道的位移變形均能滿足相關規范要求。由此驗證了基坑開挖、加固方案的有效性和合理性。

上述文獻從基坑開挖變形機制、基坑開挖方法、數值模擬以及現場監控量測等各方面對基坑開挖對鄰近（下臥）地鐵區間隧道的影響進行了分析研究，研究結果表明：基坑開挖卸荷會引起基底地層的回彈隆起，造成下臥隧道結構產生縱向不均勻變形、橫向水平位移、管徑收斂等不利現象。如果隧道結構變形超過結構保護標準，輕則引起隧道管片間張開量過大、隧道滲漏水，重則引起管片開裂，繼而銹蝕鋼筋，導致使用壽命縮短、地鐵結構損壞（如道床與管片的脫開）等，危及地鐵列車運行安全。

西安南門外綜合改造工程中的市政隧道需從已運營的地鐵2號線鐘樓—永寧門區間隧道上部通過，市政隧道基坑開挖深度超過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險，減小基坑開挖對下臥2號線盾構隧道的影響，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、對稱、分層開挖，并輔以板凳樁加固區間隧道的設計施工方案。

為分析市政隧道基坑開挖方案的合理性和可行性，本文參照相關規范和類似工程的研究資料，提出區間隧道的保護標準，并在此基礎上對設計、施工方案及地鐵區間隧道的抗浮等進行分析和探討，以期對類似工程的設計和施工起到一定的借鑒和指導作用。

1 工程概況

1.1 市政隧道與地鐵區間隧道概況

西安地鐵2號線永寧門—鐘樓區間隧道采用盾構法施工，區間出永寧門站后線間距逐漸擴大，在繞過南門城墻門洞后平行延伸至鐘樓站。隧道內徑5 400 mm，外徑6 000 mm，管片厚度300 mm，管片環寬1.5 m，區間隧道最小埋深約12 m。

市政隧道沿環城南路東西向布置，在南門外廣場下穿長安路，隧道全長約867 m，全部采用放坡明挖法施工，基坑開挖深度約8 m。隧道結構為單箱四室鋼筋混凝土框架結構，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車道設置，機動車道中隔墻厚700 mm，機非車道中隔墻厚500 mm，隧道頂覆土厚度約1.3 m。

1.2 市政隧道與地鐵區間隧道相對關系

市政隧道在既有2號線盾構區間隧道頂部垂直穿過，影響范圍內的市政隧道里程為：K1＋797.0～K2＋033，總長236 m；盾構區間隧道里程為：K14＋438.863～＋475.913，總長37.05 m。市政隧道底板至盾構隧道拱頂凈距僅為2.0 m。

市政隧道與盾構區間隧道的關系如圖1所示。

圖1 市政隧道與盾構區間隧道的關系Fig.1 Relationship between municipal tunnel and shield-bored Metro tunnel

1.3 工程及水文地質概況

本工程場地地貌單元屬黃土梁洼，地形較平坦。場地地層自上而下依次為第四系全新統人工填土（Qml4）、上更新統風積（Q2eol3）黃土、殘積（Q1el3）古土壤、沖積（Q1al3）粉質黏土及中更新統風積（Q2eol2）黃土、殘積（Q2al2）古土壤、沖積（Q2al2）中砂及粉質黏土等。地下水穩定水位深度為6.10～11.50 m，相應高程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。施工場地屬非自重濕陷性黃土場地。工程地質剖面圖如圖2所示。

圖2 地質縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of geological conditions

2 保護標準的確定

參照《香港地鐵控制保護技術標準》、《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》以及《城市軌道交通隧道結構安全保護技術規范》，對既有地鐵2號線區間隧道變形控制采用如下標準值［9－10］：

1）地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20 mm，盾構隧道水平收斂≤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內差異沉降值＜4 mm。

3 總體設計方案

由于市政隧道基坑底部距離地鐵2號線區間隧道距離只有2.0 m左右，為降低基坑開挖對區間隧道的影響，保證施工安全，基坑開挖前先在區間隧道兩側各施作一排隔離樁，鉆孔樁長12.8 m，樁頂在設計基坑底下1.3 m處，樁頂設置蓋板，與隔離樁形成“板凳樁”。基坑采用盆式跳槽開挖，槽段長度3 m，先間隔9 m開挖標號為1的槽段，開挖至樁頂標高后，施作板凳樁蓋板，并對蓋板下部地層進行填充注漿加固，漿液采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.1 MPa，待板凳樁達到設計強度后再按上述順序開挖施工2，3號槽段。基坑開挖采用放坡、分層開挖，開挖坡度為1∶0.75，兩級開挖，坡面采用鋼筋網噴射混凝土支護，每層開挖深度不超過2 m。施工過程中采取降水措施，使地下水位位于區間隧道底板以下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 市政隧道施工對區間隧道的影響分析

4.1 基本假定

鑒于巖土材料物理力學特性的隨機性和復雜性，在建模和計算過程中，應考慮主要因素，忽略次要因素，并結合具體問題進行適當簡化。在本次數值模擬中采用了以下假設：

1）圍巖材料為均質、各向同性的連續介質；

2）在初始應力場模擬時不考慮構造應力，僅考慮自重應力的影響；

3）管片按均質彈性圓環模擬，考慮管片接縫的剛度折減系數η＝0.8。

4.2 模型建立及參數選取

結合設計開挖方案，本次模擬選取編號依次為1，2，3，2，1的5個槽段，并考慮放坡開挖及邊界條件的影響，沿區間隧道軸線方向取48 m長的范圍，建立FLAC3D三維有限差分數值模型［11－12］，對基坑跳槽開挖施工過程和基坑對既有地鐵區間隧道的影響進行模擬計算。由于模型關于x軸對稱，且兩區間隧道的凈距較大，約為20.5 m左右，可以認為兩隧道之間不會有相互作用。為了減小計算規模，提高計算速度，本次計算選取一半模型進行計算分析。本次計算的數值模型如圖5所示，模型共由105 472個區和112 299個網格點組成。

圖5 數值模型Fig.5 Numerical simulation model

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

表1 材料力學參數表Table 1 Mechanical parameters of different materials

4.3 模擬的基本思路

模型建立完畢后，首先進行初始地應力場模擬，然后進行區間隧道的開挖模擬，得到目前的應力場，接著進行板凳樁的施工，最后進行1號槽段基坑的分層開挖、板凳樁蓋板的施工和填充注漿。按此順序依次進行2號槽段和3號槽段的開挖模擬。根據文獻［13－14］，基坑采用對稱開挖，對區間隧道的豎向位移影響較大。故本次計算主要對基坑開挖過程中土體和區間隧道的豎向位移進行分析。

4.4 計算結果及分析

3個槽段按設計順序開挖過程中引起1號槽段中部斷面（目標斷面）處土體的豎向位移云圖如圖6所示，區間隧道的豎向位移值如表2所示，其變化時態曲線如圖6所示。目標斷面處區間隧道隆起值變化時態曲線如圖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，基坑底部發生回彈隆起現象，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間隧道的抬升，隧道抬升呈現出拱頂最大、拱底最小的現象。

2）1號槽段基坑開挖至第8層并完成板凳樁施作和填充注漿后，區間隧道拱頂的隆起值為4.094 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，在其下進行填充注漿，會使隆起值有一定的減小。

3）2號和3號槽段基坑均會對1號槽段下部隧道產生影響，但影響較小。這是由于1號槽段基坑開挖造成相鄰未開挖土體應力釋放造成的。

圖6 各段開挖引起目標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 目標斷面處區間隧道隆起值Table 2 Uplift of Metro tunnel at target cross-sectionmm

圖7 目標斷面處區間隧道隆起值變化時態曲線（單位：mm）Fig.7 Time-dependent curves of uplift of Metro tunnel at target cross-section（mm）

5 現場監控量測

為保證地鐵2號線的正常、安全運營，施工過程中對區間隧道進行了自動化實時監測［15－16］。按縱向每5 m布置1個斷面，在左右線里程K14＋400～＋495各選取編號為1—20的20個監測斷面，對區間隧道的豎向和橫向進行自動化實時監控，監測頻率為每4小時1次。每個斷面布置5個測點，對區間隧道的沉降（隆起）和水平收斂進行監測。測點布置示意圖如圖8所示。

圖8 監測斷面測點布置圖Fig.8 Layout of monitoring points

自2013年4月15日（市政隧道開始挖土前2周）測定初始值并進行正常的自動化監測以來，截至基坑開挖至基底、板凳樁施作及注漿加固完成，區間隧道左右線各斷面處的累計隆起值如圖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間隧道向上的位移，其中隧道的最大隆起值均發生在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；拱頂和拱底的相對變形最大僅為0.5 mm。區間隧道表現為整體隆起，基坑開挖引起盾構隧道的變形值可以滿足保護標準的要求。

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）

根據計算，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保護標準的要求。

通過上述分析，可以看出現場監測數據與數值模擬結果比較接近。但是，考慮到巖土材料的復雜性以及數值模擬與實際施工過程的差異性，現場實測變形值稍大于數值模擬變形值，但兩者相差不大，均能滿足保護標準的要求。

6 抗浮驗算

由于市政隧道基坑開挖過程中挖出的土的重力大于后期市政隧道結構自身重力，因此需要根據市政隧道以及地鐵2號線區間隧道的設計情況，并結合勘察報告中提出的抗浮水位，對市政隧道施工完成后的抗浮進行驗算，以確保安全。由于基坑開挖全過程均進行了降水處理，故可不對基坑開挖過程中的抗浮進行驗算。

本次計算按每延米區間隧道進行抗浮計算，各結構所受浮力計算如下：

盾構管片浮力

總的抗浮力由以下幾項組成：

1）盾構管片自重

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＋G隧道＋G土＝321.3 kN。抗浮安全系數k＝G總/F浮＝1.14＞1.05。故結構滿足抗浮安全要求。

7 結論與討論

本文對市政隧道基坑開挖方案進行了三維數值模擬，在基坑開挖過程中對區間隧道進行了現場監測，并對區間隧道后期抗浮進行了計算，得出以下結論：

1）基坑開挖會引起周圍土體向基坑內部移動、坑底土體和下臥地鐵區間隧道向上隆起的現象，且隨著開挖深度的增加這一現象越發明顯。

2）基坑采用跳槽開挖的方案進行施工時，2號和3號槽段開挖時，均會使1號槽段下部隧道拱頂和拱底隆起值有一定的增大，但隧道隆起主要發生在1號槽段的開挖過程中，后續開挖造成的隆起值很小。

3）基坑采用跳槽、分段、分層、對稱開挖并結合板凳樁對盾構隧道進行加固的設計方案起到了控制坑底土體和既有地鐵區間隧道隆起的作用。數值模擬和現場監控量測均說明區間隧道的變形值滿足保護標準的要求，基坑開挖不會影響地鐵的安全運營。

4）通過抗浮計算可知區間隧道抗浮滿足安全要求。

南門外市政隧道按照總體設計方案中的施工順序和輔助措施進行施工，目前已施工完畢，施工未對地鐵2號線的正常運營造成影響。需要說明的是，由于巖土材料的復雜性和不連續性，且數值模擬僅考慮了市政隧道基坑開挖卸載對區間隧道的影響，未能準確考慮施工擾動、基坑暴露時間較長、開挖范圍擴大至市政隧道以外的地下停車庫基坑等對區間隧道的影響，故造成數值模擬結果與現場實測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（1985—），河北石家莊人，2012年畢業于長安大學，橋梁與隧道工程專業，碩士，助理工程師，從事隧道及地下工程方面的設計工作。