城市地下道路基坑開挖致下臥共線隧道上浮規律及控制*

姚曉勵，馬 杰，劉 飛，謝晟偉

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082； 2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

為了緩解城市交通壓力，突破地面交通發展瓶頸，越來越多的城市開展的城市快速路網建設以地下道路形式出現。而這些新建城市的地下道路不可避免地經常出現與既有地鐵運營線路相重合或相交情況。地下道路網的建設往往采用明挖法施工，基坑開挖不可避免地引起鄰近地鐵隧道周邊土體卸載，地基土應力狀態發生變化，使得隧道產生附加變形和內力，輕則使隧道產生水平位移或上浮，重則導致隧道管片開裂破壞。對于已運營隧道，厘米級變形會加劇隧道管片漏水，出現管片裂損崩角，影響接觸網導高，使得地鐵道床變形影響軌道標高，從而易于引發各種地鐵運營事故。因此，研究基坑開挖對下臥隧道的上浮規律影響至關重要。

目前，國內外學者對此問題的研究以有限元數值分析[1-4]和實測分析[5-6]、理論解析[7-8]及模型試驗[9-10]為主。在數值分析方面，Dole?alov[1]使用數值模擬法分析了硬質地層中下臥隧道對基坑開挖卸載響應規律，其結果與實際相符。馮曉臘等[2]基于HS本構模型，采用數值模擬法研究了武漢某深基坑開挖卸載對周邊土體及既有隧道的影響，所得結果與實測數據相吻合。Lo等[3]采用數值模擬法研究了多倫多粉質黏土地層中基坑開挖對下臥隧道的影響；陳仁朋等[4]通過數值分析方法比較了基坑分塊開挖、被動區土體加固及隔斷墻等幾種典型隧道保護措施的效果。在實測分析方面，魏綱等[5]采用實測分析法研究了14個采取加固控制措施的基坑工程案例，得到基坑開挖對下臥隧道上浮影響的一些影響規律；黃愛軍[6]根據工程實測數據和數值模擬得到加固土地層中隧道上浮變形與基坑放置時間、開挖寬度及相對位置的關系。在理論解析方面，張治國等[7]、陳郁等[8]基于Winkler模型，對基坑開挖卸載致下臥隧道變形規律進行了兩階段法分析，較好地預測了隧道的上浮變形。在模型試驗方面，Huang等[9]開展了一系列離心模型試驗，探討了深基坑開挖卸載對下臥隧道位移的影響；魏少偉[10]通過離心機模型試驗分析了開挖卸荷條件下臨近既有隧道橫截面附加內力和變形的分布規律。然而，當前針對基坑開挖引起隧道變形影響規律的研究雖然較多，但地下道路基坑開挖對其下臥長距離共線的地鐵運營隧道的變形影響分析還鮮見報道。該長距離共線問題更為突出，由于分段開挖的影響會相互疊加，使得隧道上浮量增大。故該方向值得進行進一步探討。

本文進行了基坑與下臥隧道長距離共線工程案例的實測分析，獲得了隧道在地下通道施工全過程的變形演變規律；探討了基坑開挖過程中下臥隧道抗浮措施的控制效果，可為今后同類工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本文依托某城市快速化改造項目，該項目道路全長約4.8km，基坑與隧道共線長度為3.08km，最大開挖寬度52.7m，最大開挖深度約17.0m，基坑與隧道凈距最小6m。主體基坑采用明挖法施工，既有地鐵11號線左線隧道位于基坑斜下方，右線隧道位于圍護樁下方。其中，K2+847剖面如圖1所示。既有地鐵隧道為盾構法施工隧道，頂部埋深16.5～23.5m。隧道襯砌環內徑6.0m，外徑6.7m，環寬1.5m。據地鐵隧道變形控制標準要求，基坑開挖過程中隧道水平和豎向位移≤20mm，且上浮速率≤1mm/d，曲線段曲率半徑≥15 000m，變形縫差異沉降≤10mm。為保證隧道變形滿足控制標準，開挖過程中對地鐵隧道水平位移及沉降開展實時監測。地鐵隧道中每隔10m設1個監測斷面，變形測點分別在隧道頂部、底部及腰部布置4個測點。第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐，水平間距為6m；第2，3道支撐采用鋼支撐，水平間距為3m。

圖1 K2+847剖面(單位：m)

1.2 地質條件

場地土層自上而下為人工填土層、淤泥層、黏土層、礫質黏性土層和全風化粗粒花崗巖層。其中，淤泥土層為軟弱地層，具有高壓縮性和高滲透性特點，工程力學性能差。礫質黏土為花崗巖殘積土。該土層具有顯著的結構性、遇水軟化、崩解特性等。場地地層物理力學性質如表1所示，其中Eur為回彈模量。地下水位埋深變化于1.6～3.9m，地鐵隧道主要位于礫質黏土和全風化花崗巖中。K2+847剖面的地質具體剖面如圖1所示。

表1 主要土層物理參數

1.3 現有地鐵保護措施

基坑開挖時采用分段、分層、分幅和結構緊跟的方式控制地鐵隧道上浮量。在場地條件允許情況下，增設分倉施工、留土反壓等措施，避免地鐵上浮量持續發展。通過地基加固、優化卸載等措施，以達到減少開挖卸荷影響、保護隧道安全正常運營的目的。

2 基坑開挖隧道上浮變形實測分析

2.1 地鐵隧道縱向上浮與基坑開挖關系

K2+847剖面左線隧道上浮變形隨時間變化曲線如圖2所示，其中可發現隧道上浮變形與基坑土方開挖深度有明顯對應關系。基坑開挖過程中，下臥隧道變形以上浮變形為主，水平變形相對較小。由圖可見，變形曲線可見3個明顯上浮段，其中第1，2上浮段均為監測斷面上方土體開挖所致，第3上浮段由春節復工后監測斷面臨近土體開挖引起。上浮段之間的隧道變形穩定段均未進行其他開挖作業。隧道監測斷面上方土體初次開挖，即發生隧道豎向變形陡增，雖然采取了一定的補救措施，但變形值已達到14mm。后續土體開挖過程中，雖然采用調整開挖分節長度、開挖完成立即進行底板澆筑和壓重等施工方案，但開挖過程仍使得地應力釋放，隧道發生一定上浮，最終變形值增大超出控制標準。

圖2 K2+847剖面隧道上浮實測變形量

坑底最后一層土開挖后，隧道上浮速率與上浮量均發生顯著增加，該部分土體開挖階段發生的隧道變形量占總變形量比例最大>50%，反映出隧道變形與隧道頂卸載量有直接對應關系。上方基坑開挖，下臥隧道變形呈現三階段形式，即上浮段、穩定段、回落段。基坑開挖卸載致地基土回彈并致隧道發生上浮。隨著開挖深度增大，地基回彈變形顯著區域逐漸下移致隧道高度處，從而導致隧道上浮明顯增大。隨著底板澆筑完成，變形應力逐漸釋放，隧道襯砌結構變形值趨于穩定。施工持續進行，上部主體結構逐漸完成，隧道上方荷載增加，隧道變形曲線回落。

縱向隧道上浮變形與基坑施工工況對應如圖3所示。由圖可知，基坑放坡段坡腳處隧道的上浮變形值最大(K2+784，K2+847)，分別為19.7，20.4mm。如G段所示，當上部結構施工完畢并及時回填土方時，該處的最大上浮量發生明顯回落,變形接近0。可見結構施工及拱頂土方回填對隧道上浮控制有明顯作用。

圖3 不同基坑施工工況下隧道上浮變形量

2.2 地鐵隧道上浮與地鐵隧道下臥土層的影響

本案例中開挖基坑與下臥隧道長距離共線，不同樁號下隧道的下臥土層主要有礫質黏性土、強風化花崗巖和全風化花崗巖3種類型，其三軸加載-卸載-加載模量分別為25.5，135，45.0MPa。各樁號截面地鐵下臥土層剛度變化，對地鐵隧道約束及應力釋放效果不同。整理監測數據，隧道上浮變形量統計結果如圖4所示。在相近情況下，礫質黏性土作為隧道下臥土層時條件最差，隧道結構上浮量大于其他2種情況。此外，相較于強風化花崗巖，下臥土層為全風化花崗巖時隧道結構上浮量更大，差值約30%。可見地鐵隧道上浮現象受下臥土層性質影響明顯，土體卸載模量越大則上浮量越小。

圖4 不同土層下隧道最大上浮變形

3 基于抗浮框架的隧道上浮控制措施

在項目實施過程中，K2+780—K2+860段隧道上浮變形超限。根據已有工程經驗，采取“豎井開挖+抗浮板+抗拔樁”的隧道上浮控制措施對隧道變形的控制效果較好，且符合桂廟路快速化工程的隧道保護實際情況。該措施首先施作抗拔樁，然后通過豎井開挖至基坑底面下施作抗浮板，并將抗浮板與抗拔樁剛性連接。待抗浮板完成后，再進行回填土方，具體施工流程如圖5所示。抗浮板結構斷面和現場施工如圖6，7所示。本文采用PLAXIS3D軟件對該方案的隧道上浮控制效果進行數值模擬研究。

圖5 豎井跳挖法+抗浮框架施工工況流程

圖6 抗浮框架剖面示意

3.1 模型介紹

圖7 豎井跳挖法+抗浮框架現場施工

數值模擬中“豎井開挖+抗浮框架”方案中各結構相對位置如圖8所示。模型中基坑尺寸按K2+847剖面設置，開挖寬度和開挖深度分別為45.5，16.3m。基坑坑底距隧道頂部6.1m，不考慮地下水影響。為降低邊界效應對模擬的影響，Lim等[11]提出計算邊界應取基坑4倍以上的開挖深度，故最終模型尺寸取400m × 150m × 64m，如圖9所示。模型的四周邊界施加水平方向位移約束，模型底部同時施加水平與豎直方向位移約束。

圖8 “豎井跳挖+抗浮框架”方案模擬平面布置與剖面(單位：m)

圖9 三維有限元模型(單位：m)

3.2 參數設置

表2 土體參數

模型結構參數均采用線彈性模型。結構參數設置參考陳仁朋等[13]所用模型，采用不可滲透的板單元模擬圍護結構；地鐵襯砌采用均質板單元模擬；結構底板采用不可滲透的板單元模擬；具體參數如表3所示，其中E1(橫向)與E2(縱向)是板所在平面的2個方向引入不同的彈性模量。采用梁單元模擬鋼筋混凝土支撐；采用點對點錨桿模擬鋼支撐；具體結構參數如表4所示，其中EA為截面抗壓剛度，s為水平間距。

表3 圍護結構及隧道襯砌參數

表4 支撐參數

3.3 計算結果

如圖10所示，現場實測值與反演值基本吻合，可認為該模型計算較準確。對于K2+900前的無保護措施區域，隧道的最大上浮變形值為23.6mm，且上浮變形均>15mm。而對于K2+900后的“豎井跳挖+抗浮板框架”隧道保護區域，隧道最大上浮變形值為6.1mm，上浮變形均<10mm，對比無保護區域，上浮變形降低74.1%，滿足隧道保護要求。可見“豎井跳挖+抗浮框架”措施對控制基坑下臥隧道的上浮變形值效果較好。

圖10 計算結果

4 結語

本文基于實測數據分析了長距離基坑開挖對下臥隧道上浮變形的影響規律，并通過數值分析方法研究了“豎井跳挖+抗浮框架”方案的隧道上浮控制效果，主要結論如下。

1)上方基坑開挖，下臥隧道的變形呈現三階段形式，即上浮段、穩定段、回落段。基坑開挖卸載，地基土回彈使隧道發生上浮。隨著底板澆筑完成，變形應力逐漸釋放，隧道襯砌結構變形值趨于穩定。施工持續進行，上部主體結構逐漸完成，隧道上方荷載增加，隧道變形曲線回落。

2)坑底最后一層土開挖后，隧道上浮速率與上浮量均發生顯著增加，該部分土體開挖階段發生的隧道變形量占總變形量比例最大>50%。

3)當上部結構施工完畢并及時回填土方時，該處的最大上浮量變形接近0，即結構施工及拱頂土方回填對隧道上浮控制有明顯作用。

4)“豎井跳挖+抗浮板框架”隧道保護區域，隧道最大上浮變形值為6.1mm，上浮變形均<10mm，對比無保護區域，上浮變形降低74.1%，滿足隧道保護要求。可見“豎井跳挖+抗浮框架”措施對控制基坑下臥隧道的上浮變形值效果較好。