隧道明挖施工與并行地鐵區間相互影響分析

敬懷珺，馬軍秋，王海林，李騰飛

(1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙410200；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308)

隨著城市軌道交通建設的不斷發展，城市地下空間地鐵網絡縱橫交織，直接影響新建隧道的設計與施工。由于各種原因，在新建隧道線位難以調整的情況下，會出現兩線上下并行穿越或多線疊交穿越既有地鐵的情況[1]。當前，建立有限元模型，綜合考慮基坑開挖支護、土體位移、既有構（建）筑物變形的耦合分析，成為基坑開挖與鄰接工程相互影響風險評判的重要手段[2～5]。本文采用FLAC3D有限差分計算軟件對深大基坑開挖與既有并行地鐵區間的相互作用進行數值分析并在此基礎上，提出相應措施指導施工，力求將風險控制在最低，也為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

長沙市湘雅路過江隧道東岸明挖段位于地鐵6號線區間隧道上方且與該區間并行走向，見圖1。

圖1 湘雅路過江隧道與6號線區間平行段平面位置

并行段基坑寬36.2～37.5 m、深19.6～21.6 m，支護為地下連續墻+內支撐。地下連續墻為1 m厚鋼筋混凝土結構，嵌固深度5 m；內支撐豎向共設置6道，其中1～2道為1 m×1 m鋼筋混凝土支撐，3～6道為直徑800 mm鋼管支撐。6號線區間為外徑6 m、管片厚度300 mm的盾構隧道，左右線間距13 m；最不利位置處，區間頂面距離基坑底豎向凈距5.85 m，距離圍護結構最小凈距1.2 m。見圖2。

圖2 湘雅路過江隧道與6號線區間平行段剖面位置

2 數值模擬

計算模型共分為15個實體網格組，分別為雜填土、粉質黏土、卵石、強風化板巖、中風化板巖、微風化板巖、地鐵6號線左右線開挖區、地下連續墻、明挖基坑1～6層。

2.1 計算假定及邊界條件

土體在計算域內假定各向同性、勻質、連續；采用摩爾-庫倫模型。地下連續墻、明挖隧道結構采用彈性本構模型，6號線區間隧道襯砌采用殼結構單元，明挖基坑水平支撐采用梁結構單元，中立柱及抗拔樁采用樁結構單元。水平方向按基坑中線向兩側各外擴3倍開挖深度進行控制，共計170 m，豎直方向按基坑坑底向下取3倍開挖深度進行控制，共計85 m。見圖3。

圖3 計算模型

2.2 計算參數

各結構及地層的物理力學參數見表1和表2。

表1 懸吊系統物理力學參數

表2 地層物理力學參數

2.3 施工工況模擬

地鐵6號線為既有運營線路，模擬過程中，先施作地鐵6號線隧道，再對湘雅路隧道基坑進行支護開挖。

1）工況一：地應力平衡階段。對各地層進行參數賦值，施加模型的邊界條件、初始地應力條件并進行初始地應力平衡計算。見圖4。

圖4 工況一

2）工況二：地鐵6號線開挖及支護階段。對地應力平衡后模型節點的位移、速度清零并對既有地鐵6號線隧道進行開挖、支護。見圖5。

圖5 工況二

3）工況三：基坑支護階段。明挖法隧道基坑兩側成槽并施作地下連續墻、中立柱及抗拔樁。見圖6。

圖6 工況三

4）工況四：基坑第一層支護及開挖階段。施作冠梁及第一道混凝土水平支撐并對基坑進行第一層開挖。見圖7。

圖7 工況四

5）工況五：基坑第二層支護及開挖階段。施作腰梁及第二道混凝土水平支撐并對基坑進行第二層開挖。見圖8。

圖8 工況五

6）工況六：基坑第3～6層支護及開挖階段。依次進行基坑第3～6層的支護及開挖模擬。見圖9。

圖9 工況六

3 結果分析

3.1 既有地鐵6號線區間隧道穩定性

3.1.1 內力

當上部基坑開挖時，既有隧道結構內力受到卸荷作用而發生應力重分布。由于地鐵區間左右線與基坑水平距離差異導致內力呈非對稱分布；其中，襯砌結構的最大軸力為1 491 kN，發生在右線隧道的右側邊墻角處；最大正彎矩為30.9 kN·m，發生在左線隧道拱頂處；最大負彎矩為43.3 kN·m，發生在左線隧道左側拱肩處。見圖10。

圖10 襯砌結構內力

區間隧道受力基本處于安全可控范圍，見圖11。

圖11 隧道最小安全系數

3.1.2 位移

上部基坑開挖時，既有隧道結構的位移場也會發生相應的調整。最大豎向位移為5.81 mm，發生在左線隧道左側拱肩處；隧道襯砌的最大水平位移為2.19 mm，發生在左線隧道的左側拱肩處，均滿足CJJT 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》中10 mm控制標準。見圖12。

圖12 襯砌位移

3.2 新建明挖隧道基坑穩定性

3.2.1 坑底及周圍地表位移

明挖基坑上跨既有地鐵隧道，其坑底及周邊地表的應力場與位移場分布會受到既有隧道影響?？拥装l生隆起變形，中部最大隆起量為11.94 mm；最大水平位移2.2 mm，發生在坑底與地鐵區間重疊一側；2倍開挖深度外的地表發生沉降變形，最大沉降值為0.46 mm?；犹幱诎踩煽胤秶谑┕み^程中只需對部分控制節點加強監測。見圖13。

圖13 明挖法基坑位移

3.2.2 支護結構變形

地下連續墻深層位置發生趨向基坑內側的水平變形，最大值為1.7 mm，發生于墻底根部，滿足GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》中的10 mm控制要求。見圖14。

圖14 地下連續墻水平位移

4 結論與建議

通過模擬分析隧道基坑開挖卸荷對既有地鐵6號線區間及基坑自身穩定性的影響，得到如下結論：

1）在開挖卸荷過程中，既有地鐵隧道安全系數呈非對稱分布，其中右側邊墻角與左側拱肩處安全余量較??；

2）開挖卸荷影響范圍內，既有隧道結構會向基坑開挖方向發生水平偏移并出現一定程度的上浮現象；

3）隨著基坑的逐步開挖，地下連續墻深層會發生傾向基坑內側的水平位移且越靠近既有地鐵區間側，水平位移越大。

結合模型變形趨勢，建議施工中采用分層、分塊、限時開挖方式，對部分節點加強動態監測并依據現場情況采取必要加固措施，以確保施工安全。