基坑開挖對下臥隧道變形影響分析及合理加固范圍研究*

王定軍王尉行劉俊景 段 羅王舉偉 徐前衛

（1.中鐵二局第五工程有限公司，610091，成都；2.同濟大學交通運輸工程學院，201804，上海∥第一作者，工程師）

近年來，越來越多的基坑工程位于已建地鐵隧道的上方，而且隨著基坑規模越來越大，基坑越挖越深，離地鐵隧道的距離則越來越近，由此帶來很大的施工風險。基坑開挖過程中，必然會引起基坑坑底一定范圍內的地層發生回彈，而地層的回彈變形對地下已建地鐵隧道將產生上浮的作用，使其產生豎向的上抬變形以及水平方向的收斂變形［1-6］。一般來說，基坑內被動區加固能有效控制下臥隧道的位移，但加固的效果與加固體的性質、加固深度和加固范圍等因素有關［7］。

深圳市桂廟路快速化改造工程前海段下沉式隧道基坑與地鐵的重合距離達到了420 m，基坑開挖對地鐵隧道變形產生的疊加效應使得隧道的最終隆起量難以控制；基坑距離隧道最近處僅9.62 m，開挖對隧道的影響較大。為此，本文用FLAC有限元軟件分析了不同旋噴樁地基加固情況下基坑開挖對下臥隧道結構受力和變形的影響，在此基礎上針對本工程基坑提出了合理的地基加固寬度和深度，最后經現場實測數據加以驗證。

1 工程概況

1.1 工程背景

深圳市桂廟路快速化改造工程西起規劃的振海路，止于后海濱路，全長約4.9 km，其中與已建的地鐵11號線共線的前海段全長580 m，起點樁號K1+040、終點樁號K1+620，全部采用明挖基坑法施工。該下沉式隧道主體結構分為閉合框架和U型槽兩種結構形式，其中K1+040～K1+410段采用閉合框架結構，分為A1～A9共9個區域，K1+410～K1+620采用U型槽結構，分為B1～B5共5個區域。桂廟路與地鐵11號線關系如圖1、2所示，其中11號線左線在下沉式隧道工程里程K1+200處開始逐步進入開挖基坑正下方。

圖2 基坑隧道結構空間位置示意圖

基坑圍護采用懸臂式支護樁+放坡開挖的方式施工，支護樁選用Φ 100@110 cm鉆孔灌注樁。支護樁頂設有冠梁，截面為100 cm×100 cm。放坡開挖時坡率為1∶1.75，坡面采用掛網噴混防護。主路樁號K1+040～K1+620設置旋噴樁復合地基。旋噴樁直徑600 mm，樁間距1 200 mm，布置在基坑底板以下。

1.2 工程地質

根據地質勘察報告，前海段場地范圍內地質條件較為復雜。地層自上而下依次為素填土、人工填石、雜填土；第四系沖積淤泥；第四系全新統海積淤泥；第四系全新統沖洪積黏土、粗砂；第四系晚中更新統殘積砂質黏性土以及下覆加里東期混合花崗巖。圖3給出了區間隧道典型斷面處的地層剖面圖。

圖3 地層剖面示意圖

1.3 施工難點

地鐵隧道保護要求極高，所以在基坑開挖時必須采取相應措施控制隧道變形。地鐵隧道對變形的要求極其嚴格，隧道的回彈變形量不能超過15 mm、最大位移的絕對值不能超過20 mm、隧道變形曲率半徑必須大于15 000 m以及相對變形必須小于1/2 500［8］。在本工程中，下沉式隧道長距離、斜角度上跨已建的深圳地鐵11號線，地鐵左線隧道距離該基坑中線最近處僅為3.19 m，距離基坑底部最近處僅為9.62 m，基坑開挖對隧道變形和受力影響較大。為確保隧道施工期間的安全，需重點研究旋噴樁地基加固情況下基坑開挖對下臥隧道結構受力和變形的影響，并據此給出合理的地基加固范圍。

2 基坑開挖對下臥隧道影響分析

2.1 計算模型

2.1.1 幾何模型

選取基坑K1+300～K1+360段建立計算模型進行計算模擬，計算模型如圖4所示。計算模型的水平邊界長120 m，豎向邊界長55 m，沿隧道縱向邊界長60 m。計算模型除底面全部約束外，其余各側面均施加法向約束。

圖4 K1+300～K1+360段計算模型示意圖

2.1.2 計算參數

在計算模型中，基坑主體結構、圍護結構及隧道襯砌均假定為線彈性體，加固地層、地基土體視作均質、各向同性體，并將其簡化為理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb屈服準則。鉆孔灌注樁、隧道襯砌重度取2 500 kN/m3，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2。各土層的物理力學參數見表1。

表1 地層的物理力學參數

2.2 模擬工況

K1+300～K1+360段首先進行地基加固，加固時注意避開隧道周圍3 m范圍內的保護區域。地基處理采用高壓旋噴樁加固，旋噴樁直徑0.6 m，樁間距1.2 m，布置在基坑底板以下。地基加固示意如圖5所示，地基加固后進行放坡開挖，再進行鉆孔灌注樁加固，之后依次開挖第一、二層基坑。為比較不同地基加固情況下隧道變形和受力情況，分別開展了如表2所示的幾種不同地基加固工況的計算。其中加固寬度38 m和19 m是對整個基坑底和左線隧道所在的這一半基坑底進行加固，加固深度10，15，20 m是分別從基坑底加固至隧道中心上方5 m、隧道中心附近、隧道中心下方5 m。根據工程實際施工經驗和相關參考文獻［7，9-10］，選取了相關的加固寬度和深度。

圖5 地基加固范圍示意圖

表2 各工況加固范圍表

由于旋噴樁數量過多，模擬較為繁瑣，本次數值模擬采用等效剛度法［9］，給樁土混合體賦予等效換算模量，等效換算模量算法見式（1）：

式中：Ep，Es——旋噴樁、土體的彈性模量，MPa；Ap，As——旋噴樁、所加固土體的面積，m2。

2.3 結果分析

2.3.1 拱頂豎向位移分析

因為左線隧道較右線隧道距基坑中心線更近，豎向位移受基坑開挖的影響更大，所以本文研究豎向位移時均只考慮左線隧道。

圖6給出了各工況下基坑開挖結束后左線隧道拱頂豎向位移，圖中正值代表上浮，負值代表下沉。由圖6可見，整體豎向位移最大的是沒有加固的工況1，最大豎向位移為14.1 mm，發生在K1+360斷面，即與基坑豎向距離最小的斷面；整體豎向位移最小的是加固深度20 m、寬度38 m的工況7，其最大豎向位移為8.6 mm，發生在K1+360斷面。可以看出，隨著加固深度和加固寬度的增加，隧道周圍將有更大范圍的土體回彈模量增大，土體抗變形能力增強，回彈量減小，故隧道拱頂豎向位移值減小；隨著基坑里程增加，隧道距基坑底部越近，受基坑開挖的影響越大，豎向位移值增大。

圖6 基坑開挖結束后左線隧道不同斷面拱頂豎向位移

按照工況7進行地基加固，基坑開挖結束后，隧道結構的整體豎向位移云圖如圖7所示。圖中靠右側的隧道為實際工程的左線隧道，其豎向位移較右線隧道大，最大值為8.6 mm，發生在靠近拱頂的位置。

因為左線隧道K1+360斷面的拱頂豎向位移相對較大，所以對不同工況下該斷面在不同施工階段的拱頂豎向位移值進行研究，得到如圖8所示的豎向位移變化曲線。顯然，在地基加固階段，上方土體自重加大，隧道隨著土體下沉；在放坡開挖階段，土體卸荷，地層回彈，隧道上浮；施做鉆孔灌注樁時，隧道再次略微下沉；在基坑開挖階段，開挖卸荷，隧道上浮。隨著地基加固深度和寬度的增加，放坡開挖和基坑開挖階段的隧道上浮位移值會減小。

圖7 工況7基坑開挖結束后的隧道豎向位移云圖

圖8 不同工況下K1+360斷面拱頂豎向位移

綜合分析各種工況，可以看出：在工況1～3以及工況5中，K1+360斷面拱頂處豎向位移在基坑開挖過程中均超出控制值10 mm；在工況4以及工況6～7中，K1+360斷面拱頂各階段的豎向位移值均在控制值10 mm以內，其中工況7拱頂處豎向位移值相對較小。工況7的K1+360斷面在地基加固階段下沉2 mm，放坡開挖階段上浮7 mm，施做鉆孔灌注樁階段下沉0.2 mm，而基坑開挖階段又上浮3.5 mm。

2.3.2 拱頂與仰拱收斂變形分析

基坑開挖時，隧道拱頂和仰拱均向上隆起，若拱頂的隆起值大于仰拱的隆起值，則隧道表現為擴張；若拱頂的隆起值小于仰拱的隆起值，則隧道表現為收斂。在數值模擬過程中，分別對隧道拱頂、仰拱以及兩側拱腰處的變形值進行了監測，其中拱頂與仰拱的變形值較大，故以下只對拱頂與仰拱處收斂變形值進行研究。基坑內第二層土體開挖結束后，不同工況下隧道各斷面的拱頂與仰拱處豎向收斂變形值如圖9所示，其中正值表示管徑擴張，負值表示管徑縮小。可以看出，不加固時的管徑豎向擴張值最大，而隨著加固深度增加，管徑豎向擴張值相對減少，其中以加固深度20 m、寬度38 m即工況7的豎向擴張值最小，說明此種加固方案對于減小隧道變形最為有利。

以K1+360斷面為例，不同工況下各施工階段的拱頂與仰拱之間的豎向收斂變形值如圖10所示。可以看出，在地基加固階段，管徑呈現豎向收縮變形，而隨著土體開始卸荷，管徑呈現豎向擴張變形，且卸荷量越大，擴張值越大，其中加固寬度與深度最大的工況7在各施工階段的管徑收斂變形值均處于一個相對較小的范圍內，最大不超過1.2 mm。

圖10 K1+360斷面在不同施工階段的豎向收斂變形值

3 監測結果分析

為配合施工，在樁號里程K1+180～K1+640范圍內布置隧道變形監測斷面，共計監測斷面47個，間距10 m。左、右線隧道斷面監測點布置如圖11所示，在每個監測斷面的隧道內布置4個測點，其中1、3號測點位于隧道側壁，2號測點位于拱頂，4號測點位于地鐵軌面上方。

圖11 左右側隧道監測點布置圖

隧道 K1+300、K1+320、K1+340、K1+360斷面處拱頂在2015年10月5日至2016年5月30日施工期間的累計豎向位移變化曲線如圖12所示。各斷面在上部基坑開挖時呈現上浮的趨勢，基坑卸荷對下臥隧道的影響以造成向上的豎向位移為主。拱頂最大上浮值9.4 mm，發生在K1+360斷面基坑開挖完成后，小于控制值10 mm，滿足施工要求。結合前文分析，K1+360斷面的隆起量相對較大，故對其豎向變形的數值模擬值與實測值進行比較，如圖13所示。由圖13可見，整體變化趨勢和最大隆起值基本一致，數值模擬中基坑加固使下臥隧道下沉更明顯。

圖12 各斷面拱頂豎向位移圖

圖13 不同施工階段K1+360斷面拱頂豎向位移比較

綜上所述，施工各階段的監測數據與數值模擬得到的結果變化范圍與趨勢相符。監測數據值略大于數值模擬值，原因是數值模擬時各種條件偏理想，沒有考慮實際現場施工因素對結果的影響。

4 結論

（1）基坑開挖卸荷將引起下臥隧道的變形。若不進行地基加固就直接開挖基坑，將導致地鐵隧道變形過大，剪切應變增量過大，最小曲線半徑過小等問題，從而嚴重危及地鐵運營安全。

（2）地基加固增大了隧道周圍土體的變形模量，提高了土體的抗變形能力，減小了基坑開挖時土體的回彈變形，控制了隧道的變形。

（3）現場實測結果驗證了數值計算結果的可靠性，并證明按照本文推薦的加固范圍進行施工，能滿足隧道變形的控制要求。

（4）本文選擇了加固寬度相對較大、深度較深的地基加固方案作為最佳方案。但對于不同的工程實踐，就控制下臥隧道變形而言，應區別對待，并非地基加固范圍均是越大越好。

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