高水位深軟土地區隧道設計及對地鐵影響分析

魯玉忠 凡明杰

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

隨著我國城鎮化進程加快，節約集約用地，為市民提供快速通達的交通，下穿隧道及地鐵發展強勁，隧道與地鐵交叉時有發生。高水位條件下隧道基坑底部軟土具有低強度和高壓縮性，使得被動區提供抗力不足，支護結構產生很大的水平位移或失穩破壞，從而對交叉的地鐵安全帶來嚴重影響。通過佛陳路下穿隧道設計計算、研究，被動區加固對減少支護結構變形及地鐵變形效果十分顯著。

1 工程概況

佛陳路隧道位于佛山市順德區，隧道為雙向六車道，全長620 m，其中西側開口段長為265 m，閉口段長為115 m，東側開口段長為240 m。基坑起點段約140 m范圍內，與地鐵2號線平面位置重疊，地鐵位于隧道底板下方約9 m。佛陳路為一級公路，基坑施工期間，北側佛陳路輔道保留3車道通行；佛陳路北側緊鄰文登河。工程平面布置見圖1。

基坑及坑底以下土層，分別為素填土、淤泥質土、粉砂、淤泥質土、粉砂、粉土。淤泥質土軟土為流塑狀態，素填土和粉砂為透水層且水位高。

2 基坑支護設計

根據建設時序，地鐵2號線先于隧道施工。基坑最大支護高度9.2 m。支護方案為：基坑深1.0 m～2.5 m采用鋼板樁懸臂支護；基坑深2.5 m～6 m采用鋼板樁+1道鋼支撐；基坑深6 m～8 m采用鉆孔樁+1道鋼筋混凝土內支撐；基坑深8 m～9.2 m采用鉆孔樁+1道鋼筋混凝土內支撐+1道采用鋼管支撐。采用直徑0.85 m@0.65 m三軸水泥攪拌樁止水。

隧道基坑北側為一級公路、緊鄰文登河、與地鐵線位重疊，本工程所處環境非常復雜。因此控制基坑與地鐵變形量、防止管涌及基坑穩定是本工程的難點。對于軟土基坑，基坑底被動區加固是控制基坑變形、防止管涌及基坑穩定的有效手段。本項目被動區采用常規設計方法，即基地底采用寬5 m、深5 m，直徑0.55 m@0.40 m攪拌樁進行被動區加固[1-3]。基坑支護方案見圖2。

地鐵的變形比基坑變形控制更為嚴格，本工程采用Midas-GTS NX有限元軟件進行分析計算[4]。

3 計算分析

利用有限元軟件分別進行三維建模和二維控制斷面建模。模擬計算隧道開挖支護不同工況條件下對臨近地鐵的影響。

3.1 基坑未設置被動區加固

根據項目基坑與地鐵盾構隧道的空間關系以及基坑工程支護結構設計及基坑工程施工特點，建立三維有限元計算模型，圖3為三維有限元模型軸視圖。

模型中的地層主要根據公路隧道基坑鄰近地鐵隧道的工程地質資料進行適當簡化，地層自上往下依次為砂性素填土、淤泥質土、粉砂、細砂、泥巖。各地層的計算參數取值主要依據工程經驗和工程地質勘察報告綜合分析確定。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。

由三維模擬分析結果可知，見圖3～圖5，坑內不加固處理項目基坑施工誘發地鐵隧道結構的最大水平位移為20.4 mm，最大豎向位移為22.2 mm，最大總位移為26.9 mm。

可見，基坑施工誘發下方地鐵隧道結構的位移量較大，已超規范容許值，基坑施工對地鐵隧道結構產生的影響較大。

3.2 基坑設置被動區加固

深厚軟弱土層，基地不設置被動區加固不但基坑本身位移較大，而且誘發鄰近地鐵產生較大位置，圖6～圖8是本工程對于設置被動區加固的三維模擬分析。

在不考慮地下水滲流情況下，設置被動區加固后隧道最大豎向位移2.5 mm，最大水平位移0.73 mm，均小于相關控制標準。

隧道差異沉降控制值不大于0.04%Ls(即20 mm)，隧道軸向間距取與佛陳路隧道基坑重疊區域50 m范圍。最大差異沉降為1.23 mm，小于控制標準，地鐵軸向差異沉降見表1。

表1 地鐵軸向差異沉降

三維模型較難模擬施工和降水相互耦合的工況，采用二維模型對下穿隧道代表性斷面進行施工和降水耦合分析，取2.5 m深基坑為例模型圖見圖9，圖10。隧道位移計算結果見表2。

區間隧道各開挖降水工況二維計算最大豎向位移為3.39 mm，最大水平位移為1.12 mm；后期運營二維計算最大豎向位移為2.58 mm，最大水平位移為0.77 mm，三維計算最大豎向位移2.5 mm，最大水平位移0.73 mm。二維和三維計算均小于盾構隧道沉降量不大于10 mm，水平位移量不大于5 mm的要求。隧道最大徑向收斂為1.45 mm遠小于15 mm控制值。

表2 隧道位移計算結果統計

4 隧道位移監測

目前隧道主體結構已施工完成，根據對地鐵變形監測，區間隧道最大豎向位移為2.1 mm，最大水平位移為0.71 mm，基坑開挖過程中隧道變形與計算理論值基本吻合(見表2)。

5 結語

對于高水位深厚軟土地區，當被動區不做加固處理時，基坑施工誘發地鐵隧道結構位移超過規范容許值，對地鐵安全影響較大；當被動區加固后，基坑施工誘發的鄰近隧道的位移均在規范規定的控制值范圍內，基坑施工對隧道的影響較小。由此對于深厚軟土地區應采用坑內被動區加固措施，不但可有效降低基坑變形，還可控制對鄰近隧道的影響，保護地鐵隧道結構的安全。