大型地下通道開挖對下臥地鐵隧道上浮影響分析

周鑫鋼+何彥峰

摘 要：本文通過構建實驗模型，根據地鐵隧道上浮變形實測數據，在對地下通道開挖中下臥地鐵隧道上浮變形規律進行研究分析基礎上，實現大型地下通道開挖對下臥地鐵隧道上浮變形影響的研究，為地下通道開挖施工提供依據支持。

關鍵詞：大型地下通道；地鐵隧道；上浮影響

基坑開挖導致周圍土體應力結構改變下發生相應的變形等問題，從而對于周圍地鐵隧道結構的內力作用產生影響，導致地鐵隧道結構附加內力或者是變形發生，出現隧道管片開裂或漏水等情況，對地鐵結構以及運行安全造成不利影響。針對這種情況，開展基坑開挖對下臥地鐵隧道上浮影響的研究分析，為基坑開挖施工提供相關依據支持，具有積極作用和意義。

1、大型地下通道開挖施工情況分析

1.1工程情況介紹

該地下通道開挖施工為某大型地下通道施工工程的一施工標段，開挖距離約580m，開挖基坑的寬度在38m左右，開挖深度最大達12.5m。其中，開挖施工的前半段采用鉆孔灌注樁支護技術進行圍護施工，后半段采用放坡開挖施工方式，開挖地下通道以閉合框架以及U型槽結構為主，如下圖1所示，即為該地下通道開挖施工的平面以及縱斷面結構示意圖。

該地下通道開挖施工中，既有的地鐵隧道共線下臥于開挖通道的明挖施工部分。其中，地鐵隧道的襯砌內外徑為6.0與6.7m，環繞寬度在1.5m左右，厚度為0.35m，環管片采用彎螺栓進行連接，混凝土強度等級為C50。此外，根據施工檢測數據顯示，該地鐵隧道的拱頂埋設深度約為16.5至23.5m之間，左線隧道部分進入圍護樁內側后逐漸和明挖基坑呈現平行狀態。根據臨近地鐵隧道基坑開挖施工要求，為避免對地鐵隧道變形的影響，本工程開挖施工后中分別在縱向坑底使用高壓旋噴樁技術進行地基加固處理，然后進行基坑開挖施工，同時針對地鐵隧道中左線隧道與圍護樁交匯情況，在交匯路段每間隔10m左右進行一個監測斷面設置，同時在監測斷面中設置相應的變形監測點，對其變形影響進行監測控制，以確保地下通道開挖施工的安全合理，避免對地鐵隧道變形產生影響。如下圖2所示，為該基坑開挖施工的斷面結構示意圖，在該圖中，Hs表示的坡高，Hc表示的是地鐵隧道拱頂的埋深度，He表示的是基坑開挖的深度情況。

該施工段主要以濱海灘涂地貌為主，在人工改造后形成平坦地貌，其中，地下水位位于地表以下約3m左右處，地表層以人工填土層為主，局部地區以海積淤泥層以及沖洪積黏土、粗砂等地層結構為主，其中地鐵隧道工程主要分布地層及其結構性質特征如下表1所示。

1.2地鐵隧道上浮變形實測數據

為避免上述工程開挖施工中，對既有地鐵隧道變形的影響，在其縱向分段同步開挖施工中，同時針對地鐵隧道變形進行監測控制，并在開挖施工中，針對相鄰開挖施工段留置50m左右的反壓段，在開挖施工滿足設計標高后，即進行地下通道結構施工，以控制基坑暴露時間，確保基坑開挖并控制對地鐵隧道變形的影響，目前已安全竣工結束。根據該施工段施工監測數據，其中，閉合框架段基坑開挖施工中，其上浮變化如下圖3所示，其中，uy表示地鐵隧道上浮變形情況。此外，在該結構段施工中，Hs為10m，Hc為16.8m，He為6.4m，并且圍護樁長度在12m左右，地鐵隧道的軸線和開挖基坑臨近側的圍護樁水平距離在+2.9m左右。

其次，在U型槽段開挖施工中，地鐵左線隧道典型施工段的上浮變形情況圖4所示，在該施工過程中，Hc為22.0m，He為9.6m，Hs為6.5m，此外圍護樁長度約為14m，地鐵隧道軸線和臨近側基坑開挖圍護樁的水平距離在+14.0m左右。

此外，在對該地下通道開挖施工中地鐵隧道上浮變形監測中，對于基坑開挖與地鐵隧道整體結構的變形規律監測上，主要針對基坑開挖施工中，土體卸載率與地鐵隧道上浮變化，以及基坑開挖中基底水平位置情況與地鐵隧道上浮變化之間的關系進行監測分析，結果如下圖所示。根據下圖可以看出，地鐵隧道上浮變性與基坑開挖施工中土體卸載率呈現基本的線性關系，而基坑開挖的基底水平位置與地鐵隧道上浮變形之間，隨著地鐵隧道約接近基坑中軸線，上浮變形作用也越大。

（1）土體卸載率與地鐵隧道上浮變形關系

（2）基底不同水平位置處地鐵隧道上浮變形情況

2、實驗模擬研究

以Plaxis2D平面應變有限元法通過數值模擬進行相關結果研究分析。該研究實驗模型從縱向不同位置處的地質條件情況以及地鐵隧道的拱頂埋深、隧道及圍護樁水平距離、不同卸載率等角度，對隧道上浮變形中的所處地層的回彈變形情況進行研究分析。

在對各層土的模型參數進行計算確定情況下，通過驗證分析建立如上圖所示實驗分析模型，經分析顯示，隧道埋深以及基底水平位置對隧道上浮變形的影響如下圖所示。其中，隧道埋深較大情況下，相同卸載率的基坑開挖施工中，土體塑性變形對隧道變形的影響較小，反之，則影響較大。

（1）埋深對隧道上浮變形結果

（2）水平位置的隧道上浮變形結果

此外，針對土體與結構相互作用、隧道下臥層卸載率以及地基加固等在隧道上浮變形中的作用影響進行數值模擬分析后，針對基坑開挖施工中，下臥隧道上浮變形影響，為在實際施工中參考應用，還通過模擬曲線變化建立如下（1）所示隧道上浮變形評估計算公式。基于基坑開挖對隧道上浮變形影響分析，在進行卸載率以及隧道下臥土層卸載模量影響考慮情況下，可得到如下（2）所示評估計算公式。

（1）

（2）

在實際施工中，利用預估計算公式，進行數值代入計算，在預估值超出控制范圍情況下，為控制隧道變形，則需要采取相應的加固措施。如下圖7所示，即為對于上述工程的預估結果與模擬結果對比情況。

3、結論

根據上文研究分析可知，在明挖施工的地下通道開挖施工中，因開挖引起的下臥隧道上浮變形完全回落至初始標高，需要采取超高回填措施；此外，在地下通道開挖施工中，下臥隧道上浮變形與卸載率呈現線性變化關系，卸載率較低時這種線性變化相對明顯，在卸載率增大后，以隧道埋深較小情況下的隧道上浮變形線性變化關系最為明顯；最后，基底不同水平位置處隧道上浮變形呈包線變化，并且隨著隧道上方卸載率變化呈現直線向拋物線你、雙峰線變化發展。

總之，進行大型地下通道開挖對地鐵隧道上浮影響研究，能夠有效控制實際開挖施工中對地鐵隧道變形影響，為地下通道開挖施工提供依據支持，具有積極作用和意義。

參考文獻：

[1]余繼江，祝方才，王勤富，馮祖浚，譚園輝.淺埋隧道逆向進站開挖工法及數值分析研究[J].湖南工業大學學報，2017，15（03）：1-8.

[2]劉波，章定文，劉松玉，秦玉軍.大斷面頂管通道近接穿越下覆既有地鐵隧道數值模擬與現場試驗[J].巖石力學與工程學報，2013，22（16）：1-11.

[3]陳仁朋，孟凡衍，李忠超，葉躍鴻，胡琦.鄰近深基坑地鐵隧道過大位移及保護措施[J].浙江大學學報（工學版）. 2016（05）

[4]鄭剛，杜一鳴，刁鈺，鄧旭，朱敢平，張立明.基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區研究[J].巖土工程學報. 2016（04）

[5]周澤林，陳壽根，陳亮，涂鵬.基坑施工對下臥地鐵隧道上抬變形影響的簡化理論分析[J].巖土工程學報. 2015（12）

[6]鄭剛，王琦，鄧旭，杜一鳴.不同圍護結構變形模式對坑外既有隧道變形影響的對比分析[J]. 巖土工程學報. 2015（07）

[7]黃兆緯，黃信，胡雪瀛，齊麟.基坑開挖對既有地鐵隧道變位影響及技術措施分析[J].巖土工程學報. 2014（S2）