淺析運營地鐵區間上方基坑工程的施工時序影響

張 杰，韓春雷

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

隨著城市管網綜合整治的不斷加強，市政管廊與軌道交通工程交叉、臨近的情況越來越多，其中包含市政管廊上穿既有地下軌道交通區間隧道[1-2]。眾所周知，因軌道交通工程對沉降變形要求較高，變形過大可能對隧道結構和行車安全帶來隱患，所以對建設工程提出了更高要求[1，3-4]。如何正確評價和確定基坑開挖對地鐵隧道的影響是關鍵問題，直接關系到正確選擇基坑施作方式[5-8]。本文結合南京運營的地鐵區間隧道正上方的市政排水箱涵基坑工程，研究地鐵區間隧道頂部進行大面積土方開挖和回填作業時，進行不同施工時序工況對比分析，得出最有利情況的施工時序，將對盾構隧道沉降變形影響降到最低。

1 工程概況

市政排水箱涵基坑工程與地鐵3 號線盾構區間平面交叉，該段隧道采用外徑6.2 m、內徑5.5 m、壁厚0.35 m、環寬1.2 m 盾構管片，交叉位置地鐵區間埋深、排水箱涵基坑寬度、基坑深度分別約19.0 m，9.2 m，10.9 m。通過比選研究，本次基坑采用SMW 工法樁+鋼支撐體系，并對坑底采用三軸攪拌樁土體加固。工法樁樁底、加固體底距離盾構區間頂部凈距分別約為3.7 m，4.0 m。地鐵隧道和箱涵的平面、剖面位置關系如圖1～圖2 所示。

根據地質勘察資料，市政排水箱涵與地鐵隧道交叉段地層由上至下依次為填土1-1 層、粉質粘土2-1 層、淤泥質粘土2-2 層、粉質粘土2-3 層，其中排水箱涵、地鐵隧道分別位于2-2 淤泥質粘土層、2-3 粉質粘土層，各土層的物理力學參數見表1。

圖1 箱涵與地鐵區間平面關系圖

圖2 箱涵與地鐵區間剖面圖

表1 土體物理力學參數

2 MADIS 數值影響分析

2.1 計算模型和計算參數

利用MIDAS-GTS 軟件建立數值模型，對排水箱涵施工全過程進行模擬，分析新建箱涵對地鐵盾構區間變形的影響，模型見圖3。

圖3 箱涵及地鐵區間幾何模型

模型單元中土體為實體單元，選用摩爾-庫倫模型，工法樁、鋼支撐以梁單元模擬，地鐵隧道用板單元模擬。支撐、工法樁（等效墻）單元計算參數見表2～表3。

2.2 施工時序對隧道變形的影響

為減小排水箱涵基坑開挖對下臥地鐵隧道的影響，基坑按A 區、B 區、C 區3 個分區先后施工，但 如何合理確定分區開挖順序是控制變形的關鍵。為研究施工時序，本文對以下工況分別進行對比分析，具體工況見表4。

表2 地下連續墻特性

表3 材料特性

表4 施工工序

圖4～圖15 分別為不同施工時序下，排水管涵施工對地鐵隧道產生的豎向及水平變形云圖。從圖4，圖5 可知，A 區、B 區、C 區同步施工影響最大，隧道垂直、水平位移最大分別為8.7 mm 和3.2 mm，說明基坑規模對土體變形有較大的影響。

從圖12～圖15 可知，當優先施工隧道上方B 區時，相對于其他分區施工時序，對下臥隧道變形影響最大，隧道垂直、水平位移最大分別為8.3 mm 和2.9 mm，說明優先開挖隧道上方基坑不利于對地鐵隧道變形控制。

從圖6～圖11 可知，主要是分析隧道兩側A 區、C 區優先的順序，從變形結果來看，優先開挖與隧道夾角較小的A 區對隧道沉降變形更易控制，但水平位移略大于A 區、C 區同時開挖情形，主要因為A區、C 區同時開挖可減緩下臥隧道向一側偏移趨勢。但總體從分析結果來看，先開挖A 區、再開挖C 區、最后開挖B 區的方案對地鐵隧道變形控制最有利，各施工時序地鐵隧道最大豎向、水平變形具體數值見表5。

2.3 地基加固對隧道變形的影響

從上述分析，排水箱涵施工時序確定為先開挖A 區、再開挖C 區、最后開挖B 區方案，充分利用時空效應。在此時序基礎上探討坑底土體加固對下臥地鐵隧道變形控制的作用。

圖4 A 區、B 區、C 區同時施工隧道垂直變形云圖

圖5 A 區、B 區、C 區同時施工隧道水平變形云圖

圖6 先A 區、C 區、后B 區施工隧道垂直變形云圖

圖7 先A 區、C 區、后B 區施工隧道水平變形云圖

圖8 先A 區、中C 區、后B 區施工隧道垂直變形云圖

圖9 先A 區、中C 區、后B 區施工隧道水平變形云圖

圖10 先C 區、中A 區、后B 區施工隧道垂直變形云圖

圖11 先C 區、中A 區、后B 區施工隧道水平變形云圖

圖12 先B 區、中A 區、后C 區施工隧道垂直變形云圖

圖13 先B 區、中A 區、后C 區施工隧道水平變形云圖

圖14 先B 區、后A 區、C 區施工隧道垂直變形云圖

圖15 先B 區、后A 區、C 區施工隧道水平變形云圖

圖16～圖17 分別為B 區非加固情況下，排水箱涵施工對地鐵隧道產生的豎向及水平變形云圖。從圖16～圖17 可知，B 區非加固情況下，隧道垂直、水平位移最大分別為9.9 mm 和2.9 mm；相比B 區加固情況下（如圖8～圖9 所示），隧道垂直、水平位移最大分別為6.8 mm 和2.9 mm。加固對隧道水平變形基本沒有影響，主要是大大降低了隧道豎向變形。這主要是由于地基加固能有效約束開挖區塊底部土體的回彈隆起及變形釋放，從而降低下臥隧道豎向變形，因此，隧道上方開挖采取基底加固對控制隧道變形有著重要作用。B 區地基加固與否對應的地鐵隧道最大豎向、水平變形具體數值見表6。

表5 不同施工工序下隧道變形mm

圖16 B 區未加固隧道垂直變形云圖

圖17 B 區未加固隧道水平變形云圖

表6 地基加固與非加固下隧道變形mm

3 隧道變形監測

項目的開挖順序采用先A 區、然后C 區、最后B 區的方案實施，期間采用人工結合自動化監測的方法對項目段隧道沉降、水平直徑收斂、靜態幾何變形等進行了長期監測，監測范圍為項目正投影段地鐵上、下行線隧道及兩端各外擴20 m。

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規程》[9]，結合地鐵結構初始狀態，本項目實施期間地鐵隧道變形主要控制標準和監測結果見表7，圖18～圖19 為現場箱涵施工情況，實際施工過程對下臥地鐵隧道產生的影響可以滿足變形要求，且與數值模擬分析值（6.8 mm，2.9 mm）較好吻合，說明上述模擬分析能較真實反映工程實際情況。

圖18 箱涵開挖現場

圖19 箱涵完成后土方回填現場

表7 監測控制標準mm

4 結論與建議

1）上穿既有軌道交通工程，在有條件情況下，應盡量增多分區，減小每次開挖規模和基坑空間效應。

2）上穿既有軌道交通工程，應避免首先施工隧道正上方基坑，應優先開挖與隧道夾角較小的分區，繼而開挖夾角較大分區，最后開挖隧道正上方基坑，此種施工時序對隧道沉降變形更易控制。

3）地基加固能有效約束開挖區塊底部土體的回彈隆起及變形釋放，對于位于隧道正上方基坑，是抑制下臥隧道豎向變形的有效措施。