基坑開挖對下伏地鐵區間的影響數值模擬及控制措施研究

陳策

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

隨著城市地鐵及市政工程的興建，在已建成地鐵區間隧道上方開挖基坑施工地下結構日漸增多。本文基于鄭州地鐵2號線既有東大街～隴海東路區間上方市政隧道基坑開挖，采用數值分析方法模擬基坑開挖對既有地鐵區間的影響，達到指導工程設計及施工的目的。

1 工程概況及地質概況

1.1 工程概況

擬建紫荊山路隧道位于隴海東路-紫荊山路節點，線路呈南北走向，與紫荊山路走向一致，下穿現狀隴海東路。隧道南起K0+220.000，北至K0+700.000，總長度為480 m，其中主線K0+220～K0+330和K0+600～K0+700為敞開段，K0+330～K0+600為暗埋段，隧道內僅設置機動車道，雙向六車道。

地鐵東（大街）隴（海東路）區間右線起止樁號YDK20+606～YDK21+340.494，左線起至樁號ZDK20+537.400～ZDK21+340.479，區間隧道在左線隧道樁號ZDK21+119.179處設置區間聯絡通道。

地鐵區間在市政隧道樁號K0+550處與市政隧道小角度斜交穿越，交叉段長約200 m。地鐵區間與市政隧道平縱橫相互關系詳見圖1～圖3。市政隧道與地鐵區間凈距詳見表1。

圖1 市政隧道與地鐵區間平面關系圖

圖2 市政隧道與地鐵區間縱斷關系圖

圖3 市政隧道與地鐵區間橫斷關系圖（單位：mm）

表1 市政隧道與地鐵區間凈距表

1.2 地質概況

根據工程巖土工程詳勘報告，場地范圍內地基土按巖性及力學特征分層，從上到下分別為：第①層：填筑土（Q4ml）、第②層：粉土（Q3al+pl）、第②1層：粉砂（Q3al+pl）、第③層：粉土（Q3al+pl）、第④層：粉砂（Q3al+pl）、第⑤層：細砂（Q3al+pl）、第⑤1層：粉土（Q3al+pl）、第⑥層：粉質黏土（Q3al+pl）、第⑥1層：鈣質膠結（Q3al+pl）、第⑦層：粉質黏土（Q3al+pl），見表2。

表2 土層抗剪強度指標表

2 節點風險評估及地鐵相關保護標準

2.1 節點風險評估

本工程市政隧道與地鐵區間斜交上下穿越，市政隧道基坑最大深度約10 m，兩構筑物豎向最小凈距約4.8 m，地鐵區間先期實施，后期市政隧道基坑開挖卸荷，不可避免對已施工地鐵區間隧道產生不利影響，須考慮該節點施工風險。

2.2 保護標準

參考已有地鐵隧道相關保護要求及與地鐵部門溝通，提出以下控制標準：

（1）地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量不大于20 mm，隆起量不大于15 mm；

（2）市政隧道圍護樁結構距離地鐵區間外輪廓凈距不小于1m。

3 基坑內力計算

根據前期與地鐵相關部門溝通基坑采用鉆孔灌注排樁+內支撐的支護方式，安全等級一級。基坑內力計算選取K0+550斷面，最大開挖深度約10 m，插入深度4.5 m，圍護樁插入比1∶0.45，土體不采取加固措施情況下基坑指標不滿足規范要求，故考慮對坑底以下4 m深度范圍內地層加固，地層加固后圍護樁內力包絡圖見圖4、基坑計算結果詳見表3。

經驗算，采取坑底及圍護樁兩側土體加固措施可滿足一級基坑各項指標要求。

圖4 圍護樁內力包絡圖

表3 基坑計算結果表

4 基坑開挖對既有區間影響數值模擬[1]

4.1 模型選取

選取樁號K0+550（基坑深度h=10 m，基坑底與區間隧道凈距t=5.6 m）位置斷面作為計算斷面。市政隧道基坑采用三道支撐，第一道采用混凝土支撐、第二、第三道支撐采用Ф609鋼支撐，坑底4 m范圍土體采用抽條加固。東側市政隧道圍護樁須保證距離區間隧道凈距1.25 m，樁基插入比0.45，對東側圍護樁端部及區間外側基坑底至區間底范圍內土層進行加固，具體加固詳見圖5。

圖5 計算斷面及土體加固示意圖

4.2 模型簡化及計算參數選取

考慮基坑尺寸效應，模型寬度取基坑寬度的5倍，高度取基坑深度5倍，模型總寬度為180 m、總高50 m，見圖6。采用Plaxis2D進行計算分析。

圖6 計算模型示意圖

既有地鐵區間隧道盾構采用軟件中襯砌單元模擬，橫撐采用桿單元，市政隧道基坑圍護排樁采用板單元模擬，其參數根據剛度等效換算原則確定。

基坑范圍內土體共分為七層，采用Hardening soil模型，考慮基坑開挖的卸載作用，土體采用回彈模量。

土體計算參數見表4。

表4 土體計算參數表

4.3 計算工況

本工程數值計算共分為六個工況，分別如下：

工況1：自重狀態下初始平衡，位移歸零。

工況2：開挖地鐵區間，施加管片襯砌結構，迭代平衡后位移歸零。

工況3：施做圍護樁及坑底加固，市政隧道基坑開挖深度0.8 m。

工況4：施加第一道支撐并開挖基坑至第二道支撐下0.5 m。

工況5：施加第二道支撐并開挖基坑至第三道支撐下0.5m。

工況6：施加第三道支撐并開挖基坑至坑底。

5 計算結果

工況一、二為市政隧道施工前地鐵區間施工及受力工況，本工程著重考慮工況3～工況6市政隧道基坑開挖對區間隧道的影響。

（1）工況三計算結果見圖7。

圖7 工況3位移云圖（m）

基坑挖深約0.8 m，坑底土體加固后自重增加，基坑中部產生下陷變形：1 mm；加固區最大下陷變形：4.5 mm，既有地鐵區間最大下陷變形值：3.8 mm。

（2）工況四計算結果見圖8。

圖8 工況4位移云圖（m）

基坑挖深約4.3 m，由于開挖卸荷，基坑中部最大隆起變形：18 mm；既有地鐵區間的最大上浮變形值：4.29 mm。

（3）工況五計算結果見圖9。

圖9 工況5位移云圖（m）

基坑挖深約7.3 m，基坑中部最大隆起變形：26 mm；既有地鐵區間的最大上浮變形：9.2 mm。

（4）工況六計算結果見圖10。

圖10 工況6位移云圖（m）

基坑開挖深度10 m，基坑中部最大隆起變形：28 mm；既有地鐵區間的最大上浮變形：11.25 mm。

6 節點施工保護性措施[2-3]

市政隧道與地鐵區間隧道近接斜交段施工，隨著上覆市政隧道基坑土體的開挖，地鐵區間隧道上方土體發生卸載效應，使下臥地鐵區間隧道周圍土體隆起；施工對一定影響范圍內的土體產生擾動，隨著時間的推移，區間隧道周圍土體將發生固結沉降；由于區間為狹長結構，柔性較大，因而區間隧道結構也會隨周圍土體位移場的變化而下沉或隆起。

在市政隧道施工過程中，一方面要控制區間隧道局部沉降量，使隧道線形滿足曲率變化在1/15 000之內，另一方面要嚴格控制累計沉降量，使其滿足結構設施絕對沉降量及水平位移量不大于20 mm，最大隆起量不大于15 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）。

紫荊山路下穿隧道工程應采取合適的設計和施工方案，最大程度減少市政隧道基坑開挖對地鐵區間隧道的影響。擬采用的主要施工保護措施有：

（1）土體加固：對區間隧道上方及側面土體進行加固。

（2）分段施工：在基坑開挖和結構施工階段，實行分區、分段施工方案。結構施工時，宜先施工非交叉段及交叉段基坑深度較淺段結構，最后施工交叉近接段。

（3）抽條開挖：為減少地鐵區間隧道因市政隧道基坑施工卸載引起的隧道回彈變形，交叉近接段基坑最后一層約3 m厚土體開挖實行分塊抽條開挖，每一抽條寬度控制在3 m以內，抽條開挖到底標高后及時澆筑底板并配重壓載，每一抽條開挖至壓重完成后，方可進行后續抽條的開挖工作。為提高底板澆筑速度，必要時結構鋼筋可采用坑外預制拼裝方案，墊層澆筑后直接吊放底板鋼筋，縮短現場鋼筋綁扎時間。

（4）信息化施工：加強施工監測工作，做好信息化施工。對隧道的沉降變形、徑向變形、整體偏移變形、坑外的水位、基坑的側向變形、管線變形、周邊建筑沉降變形等進行監測。根據監測數據分析隧道、基坑的變形值和變形趨勢，及時采用對應措施對區間隧道變形進行調控。

7 結論

本次數值模擬采用二維模型，基坑土體采用一次開挖方式，計算結果是偏安全的。

（1）開挖過程由于上方卸荷，引起下臥區間隧道產生上浮變形，最大變形為11.25 mm，隧道上浮量可控。

（2）實際施工中分塊抽條開挖可減少一次性卸荷量，避免階越式突變，對保證隧道安全是有利的。

（3）采用土體加固、抽條開挖等措施可以保證下伏區間各項指標可控。

[1]JGJ120-2012,建筑基坑支護技術規程[S].

[2]丁江澍.城市地下結構施工對臨近構筑物影響的研究[D].陜西西安：長安大學,2013.

[3]上海外灘通道工程初設報告[R].上海:上海市政工程設計研究總院,2007.