鄰近基坑卸荷情況下地鐵隧道變形規律及加固措施

王立新 施王帥胤 徐碩碩 范飛飛 唐琨杰

1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043；2.西安理工大學土木建筑工程學院，西安710048；3.長安大學公路學院，西安710064

隨著城市地鐵快速發展，基坑開挖對近接地下結構的影響成為國內外地下工程界研究的熱門課題。邵華等［1］對運營中的地鐵隧道鄰近基坑進行監測，在考慮各種風險因素的基礎上對隧道變形和病害進行分析，給出隧道變形的關鍵控制措施。陳郁等［2-3］通過對基坑開挖過程中既有地鐵隧道的監測，研究了既有地鐵隧道的隆起規律，并基于隧道縱向變形規律采取相應的加固措施，降低基坑開挖對既有隧道的擾動。張立明等［4］通過對基坑開挖階段地鐵隧道的監測數據進行分析，得出了深基坑采用分期開挖可以有效降低鄰近地鐵隧道變形的結論。紀茜堯等［5］通過室內模型試驗，分析了埋入式隔離樁對地鐵隧道變形和周圍土壓力的影響，得出了埋入式的隔離樁基可以有效減小隧道的豎向和水平位移。Burford［6］以基坑工程對鄰近地鐵隧道的影響為背景，通過對地鐵隧道的長期監測得出施工過程中既有地鐵隧道的變形很小并保持隆起的狀態。

現階段采取的保護措施多是被動措施，一定程度上能夠有效控制隧道結構的變形，但經濟效益小、風險大，而合理的后期規劃能有效地避免施工后可能出現的安全問題。

本文以西安一地鐵隧道附近基坑工程為依托，采用有限元分析的方法對黃土地層基坑卸荷開挖工程進行動態模擬，研究不同加固工況下既有地鐵隧道結構位移變形規律，明確現場施工時的監測要點，并對控制措施的加固效果進行評價，為該地區類似工程建設提供參考。

1 工程概況

根據規劃，擬在西安一地鐵區段附近進行地鐵車站基坑開挖。該區段地鐵隧道埋深在8.8～17.6 m。擬開挖基坑尺寸為76 m（長）×29 m（寬）×11.5 m（深）。開挖基坑與既有地鐵隧道之間水平凈距在4.1～23.1 m，地鐵隧道內徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m。

該研究區域地勢較平坦，地面高程為411.63～412.96 m。根據現場勘探調查和工程地質資料，基坑工程區域縱斷面地層共有人工素填土、黃土狀土、古土壤、粉質黏土、黏土層五層，級配不良，含水量飽和，均呈可塑狀態。其中人工素填土主要由建筑垃圾、黏性土和零星的生活垃圾構成，成分雜亂，疏密不均，土體松軟，結構較松散。

為明確隧道變形控制措施的效果，在該地鐵區段的隧道施工階段，于隧道上方設置環向超前管幕，縱向長100 m，直徑800 mm，環向間距850 mm。采用預應力錨索提高隧道的穩定性，抑制隧道隆起。每根預應力錨索錨固段長8 m，自由段長4 m，總長12 m，孔徑150 mm；鋼絞線3φ15.2；鎖定力200 kN。抗浮錨索與管片相連。擬開挖基坑與地鐵隧道的位置關系如圖1所示。

圖1 擬開挖基坑與地鐵隧道位置示意

2 有限元模型

2.1 模型建立

根據圣維南原理，基于MIDAS GTS有限元軟件，模型取150 m（長）×110 m（寬）×50 m（深）。模型土體采用3D實體單元模擬，管片和基坑圍護結構簡化為2D板單元模擬，基坑內支撐均采用1D梁單元，環向管幕采用植入式梁單元，抗浮錨索采用植入式桁架進行模擬。計算模型及加固結構如圖2所示。

圖2 計算模型及加固結構示意

整體模型施加自重與約束，環向管幕須在豎直方向進行轉動約束。模型土體采用修正摩爾庫倫本構模型，能反映黃土的內在特性。根據工程地質資料，各土層物理力學參數見表1。圍護結構材料參數見表2。基坑支護結構、隧道結構和加固結構性能參數參考相關規范和工程經驗［7］。

表1 土層物理力學參數

表2 結構材料力學參數

2.2 基坑近接既有隧道施工過程模擬

數值模型計算過程不考慮隧道的開挖對地層及周圍環境的影響。根據基坑工程施工工序，并綜合考慮對既有隧道結構的影響，計算時將施工階段分為兩個階段進行模擬：第一階段建立地應力場并構建區間隧道結構；第二階段開挖基坑并及時支護。因此，在基坑施工前將第一階段的位移清零，初始應力場僅僅考慮自重應力。在基坑卸荷時將基坑卸荷區域分為4個小區域，每個區域尺寸為19 m×29 m，按照Ⅰ—Ⅲ—Ⅱ—Ⅳ的順序依次開挖基坑（參見圖2）。開挖前首先施作基坑圍護結構，然后進行土體的開挖；開挖時豎向分層，每次開挖3 m；每步開挖完成后及時施作內支撐，直至開挖至基坑底部，澆筑底板。

具體模擬步驟：①生成初始地應力并將位移清零；②激活隧道管片和加固措施，將位移清零；③施作圍護結構；④基坑Ⅰ格構柱施工；⑤基坑Ⅰ開挖至3 m，施作第一道圍檁和臨時支撐；⑥基坑Ⅰ開挖至6 m，施作第二道圍檁和臨時支撐；⑦基坑Ⅰ開挖至9 m，施作第三道圍檁和臨時支撐；⑧基坑Ⅰ開挖至基坑底部，施作底板；⑨基坑Ⅲ、II、IV開挖（重復步驟④—⑧）；⑩基坑開挖完成，分析計算結果。

為檢驗主動加固措施的控制能力，建立四種加固措施工況：①未加固；②僅環向管幕加固；③僅抗浮錨索加固；④環向管幕和抗浮錨索綜合加固。需要說明的是，未加固是指僅采用常規的基坑支護措施，即采用圍護結構、內支撐支護和分層跳槽開挖方法。

3 計算結果及分析

3.1 既有隧道豎向位移

整個施工過程中，左線隧道最大豎向位移均發生在側墻和拱頂。右線隧道距基坑較遠，在施工過程中右線隧道變形一直表現為隆起變形且變化平緩，在基坑Ⅲ開挖結束后，整體呈現穩定的狀態。因此選取左線隧道為研究對象。

左線隧道拱頂和側墻處的豎向位移變化曲線見圖3。

圖3 左線隧道豎向位移變化曲線

由圖3可知：左線隧道的側墻和拱頂豎向位移變化趨勢基本一致，在基坑Ⅰ開挖完成后，沉降最大值出現在鄰近基坑Ⅲ、Ⅳ中間的隧道拱頂處，隧道縱向呈現中間沉降兩邊隆起的現象，沉降最大值為3.86 mm；隨著基坑Ⅲ的開挖，隧道整體受到基坑Ⅲ開挖卸荷的影響而呈現上浮趨勢；由于圍護結構施工導致周圍土體和左線隧道發生沉降，但當基坑Ⅲ開挖完成后，大范圍卸荷引起的隧道隆起和圍護結構施工引起的隧道沉降相互抵消，導致左線隧道拱頂處沉降最大值接近0；當基坑Ⅱ內土體卸荷完成后，隧道繼續上抬，整體呈隆起狀態，最大值為8.58 mm；隨著基坑Ⅰ、Ⅲ先后完成開挖，最大的隆起變形區間出現在基坑Ⅰ、Ⅱ鄰側的隧道結構處；當基坑Ⅳ開挖完成后，左線隧道變形呈正態分布，中間隆起較大，兩邊較小，隆起最大值為9.68 mm。

由于基坑卸荷過程中隧道最大變形位于左線隧道中心左側墻處，判斷此處為基坑開挖過程中隧道的最不利位置。該點在整個施工過程中的豎向位移見圖4。可知，整個施工過程中隧道結構出現的最大豎向位移始終小于變形控制指標最大值（10 mm）［8］，說明超前環向管幕、抗浮錨索等措施對提高既有隧道結構的穩定性和安全性有顯著效果。

圖4 基坑施工中左線隧道左側墻豎向位移

需要注意的是，圍護結構施工會導致隧道結構產生沉降變形，在支護結構施工過程中須加強監測，避免因支護結構施工而引起隧道結構發生較大沉降。在基坑Ⅰ開挖過程中，豎向位移變化較快，在第二層土體卸荷完成后，沉降值從7.11 mm突變至1.82 mm，隧道結構位移變化速率過大易導致安全事故發生，須采取措施限制隧道結構的位移變化速率并加強對隧道變形的實時監測，確保地鐵運營的安全穩定。

3.2 圍護結構豎向位移

基坑開挖完成后圍護結構豎向位移分布見圖5。可知：基坑Ⅰ開挖完成后，圍護結構整體表現為沉降變形，沉降最大值為12.55 mm；由于基坑Ⅰ內土體卸荷的原因，基坑Ⅰ圍護結構發生隆起，隆起最大值為3.67 mm；基坑Ⅲ開挖完成后，整體仍表現為沉降變形，沉降最大的位置從基坑Ⅲ、Ⅳ交界處移至基坑Ⅳ邊墻，沉降最大值為7.12 mm，隆起最大值為4.64 mm；基坑Ⅱ開挖完成后，整體結構的隆起變形占70%以上，隆起最大值為9.61 mm，沉降最大值為6.18 mm；基坑Ⅳ開挖完成后，圍護結構整體都發生了隆起，隆起最大值出現在圍護結構中心處，為10.35 mm。圖中所示百分數為該區段位移在圖中所在的比例。

圖5 圍護結構豎向位移變化云圖

基坑底部中點處的豎向位移變化曲線見圖6。可知：圍護結構施作后，基坑底部發生沉降變形，沉降最大值為9.62 mm；基坑Ⅰ開挖卸荷階段，基坑Ⅰ底部中點位移變化速率較快，位移增量為24.92 mm；基坑Ⅲ開挖卸荷階段，基坑Ⅲ底部中點隆起位移增加至15.49 mm，變化量為22.77 mm；基坑Ⅱ開挖卸荷階段，基坑Ⅱ底部中點位移增量為21.86 mm，底板Ⅱ隆起21.93 mm；基坑Ⅳ開挖卸荷階段，基坑Ⅳ底部中點變形增量為22.80 mm，底板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的最終隆起位移分別為22.42、23.74、24.18、21.25 mm。

圖6 基坑施工中其底部豎向位移變化

由于底板的豎向位移變化速率和位移均較大，可采用堆載回壓的方法，在底板澆筑完成并具有一定強度后及時堆載，抑制坑底土體的隆起變形。同時，在施工過程中須加強對基坑底部的監測，防止結構變形過大而影響結構使用性能。

3.3 既有隧道抗浮錨索軸力

基坑開挖結束抗浮錨索最終的軸力分布見圖7。可知，抗浮錨索所受最大軸力為108.08 kN，滿足抗浮錨索的安全儲備，抗浮錨索在安全狀態下起到控制隧道結構變形的作用。圖中所示百分數為該區段軸力在圖中所在的比例。

圖7 既有隧道抗浮錨索軸力分布云圖

4 控制措施加固效果對比分析

對比四種工況下隧道的豎向和水平位移變化規律，研究不同加固措施對既有隧道變形的控制效果。

4.1 既有隧道豎向位移控制效果

基坑開挖完成后不同控制措施下既有隧道豎向位移變化曲線見圖8。可知：采用抗浮錨索和環向管幕綜合加固措施后，隧道結構豎向位移最小，最大值為9.68 mm，小于變形控制指標最大值（10 mm）［8］，加固效果明顯，滿足隧道變形控制標準；僅采用環向管幕控制措施、僅采用抗浮錨索控制措施、未采用加固措施時隧道豎向位移最大值分別為12.18、11.02、13.23 mm，比采用綜合加固措施分別增加了2.50、1.34、3.55 mm，僅采用環向管幕加固效果不明顯，僅采用抗浮錨索加固效果較好，這三種工況均有部分結構豎向位移超過10 mm，不滿足安全控制要求。

圖8 既有隧道左線側墻隧道豎向位移變化曲線

4.2 既有隧道水平位移控制效果

沿隧道縱向在左右線隧道側墻選取四條測線，研究控制措施對隧道水平位移的影響。基坑開挖完成后不同控制措施下隧道水平位移最大值變化曲線見圖9。可知：①相同控制措施下，隧道水平位移從大到小依次為左線左側墻、右線左側墻、右線右側墻、左線右側墻，最終水平位移在-2.22～1.55 mm。②各控制措施下，左線左右側墻位移差與右線左右側墻位移差相差不大，最大差值均小于3.80 mm，說明隧道左右線最終橫向收斂最大值小于3.80 mm。③各控制措施下，隧道水平位移和變化速率均較小，其中采用綜合控制措施后，水平位移最大值僅1.92 mm，遠小于隧道結構水平位移安全控制標準值10 mm，滿足安全儲備要求。④不同控制措施下隧道的水平位移最大值接近，僅采用抗浮錨索和僅采用環向管幕加固措施對于限制管片水平位移的作用效果并不明顯；控制措施對于左線的加固效果優于右線。

圖9 不同加固措施隧道水平位移最大值變化曲線

5 結論

1）基坑全部卸荷完成后，相比于遠基坑隧道，近基坑隧道出現較大位移變化；隧道豎向變形遠遠大于水平變形，施工過程中應重點監測管片豎向變形；基坑開挖過程中，左線隧道沿縱向豎向位移經歷了從中間沉降兩邊隆起到中間隆起大兩邊隆起小的過程。

2）基坑卸荷過程中，圍護結構的隆起最大值為10.35 mm，沉降最大值為12.55 mm。由于底板的豎向位移變化速率和位移均較大，須加強監測并采用控制措施限制坑底土體的回彈變形。

3）僅采用環向管幕或僅采用抗浮錨索對于控制隧道水平變形沒有明顯的效果，對于控制隧道豎向變形有較好的效果。僅采用抗浮錨索的效果優于僅采用環向管幕；采用綜合加固措施可以滿足隧道變形控制標準，作用效果顯著。