近鄰既有地鐵區間隧道基坑工程支護方案研究

鐘雪

（沈陽地鐵集團有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

近年來，地鐵、綜合管廊、地下停車場等地下工程開發數量眾多，使得新建工程施工不可避免與其他地下構筑物相互影響。例如建筑深基坑開挖對鄰近地鐵的影響，基坑開挖將引起土體卸載，導致基坑底部土體隆起、側壁土體側移以及坑外地面沉降等，引起鄰近地鐵隧道的應力應變狀態，產生豎向和水平向位移，嚴重時將出現隧道管片開裂、掉塊等病害。

針對這些近鄰地鐵隧道基坑工程的施工問題，眾多學者采用數值分析方法展開了研究。高盟采用FLAC3D 建立三維模型模擬緊鄰上海某地鐵車站的基坑開挖工程基坑，討論了設置托換樁、攪拌樁加固、分塊開挖等控制車站變形的措施。徐長節運用Plaxis 有限元軟件對鄰近隧道變形受基坑施工的影響進行了數值分析研究，表明采取加強有關圍護結構剛度能有效控制已建隧道的變形。王衛東以上海新金橋廣場基坑工程為案例，建立考慮隧道周圍主體加固、充分利用時空效應等因素的數值模型，動態模擬了深基坑開挖過程中開挖卸載對鄰近地鐵隧道的影響。可以看出，基坑工程支護結構設計情況對區間隧道影響明顯，基坑工程必須采取嚴格合理的工程措施。

本文以某砂土地層鄰近既有區間隧道基坑工程為依托，采用數值分析手段比選基坑支護結構設計方案，分析基坑工程施工過程對區間隧道結構安全的影響，為類似工程支護結構設計提供借鑒與參考。

1 依托工程概況

依托工程位于沈陽市皇姑區，基坑工程周長為655m，基坑設置三層地下室，基坑深度為-15.4m。基坑工程的北側為地鐵區間隧道，其中基坑西北側距離區間隧道右線最近，北側西端距離區間隧道右線約14.4m，北側東端距離區間隧道右線約21.3m，基坑北側由西端至東端長約78m，如圖1 所示。既有區間隧道為盾構法施工，線間距13～17m，盾構管片采用C50混凝土，襯砌環外徑6000mm，內徑5400mm，管片寬度1200mm。基坑工程的北側土方先沿支護樁邊線向基坑內側開挖10m 寬，為噴護及錨索施工提供施工作業面，在錨索張拉齡期內進行基坑中心土方挖運施工。

圖1 擬建項目與區間隧道位置關系平面圖

在地鐵區間隧道保護范圍的基坑支護結構有單排樁+錨索支護體系：AB 段、BC 段、FG 段，設計參數詳見表1；雙排樁+錨索支護體系：CD/EF 段、DE 段，其中CD/EF 段、DE 段擬定有4 種設計方案，設計參數詳見表2。

表1 單排樁+錨索支護體系設計參數

表2 雙排樁+錨索支護體系設計參數

依據勘察資料，場地地層自上而下為：雜填土、粉質黏土、中砂、礫砂、圓礫、粗砂、礫砂、含黏性土圓礫、黏土、粗砂。場區內有一層地下水，為孔隙潛水類型，地下水穩定埋深為13.4～15.70m。

2 計算模型及參數

2.1 模型網格

此次計算的模型以基坑長邊（垂直區間隧道走向）方向為y 軸，豎直方向為z 軸，水平垂直于基坑長邊方向為x 軸，建模對象為區間隧道、基坑整體及其圍護結構。總體模型在x 軸方向長200m，y 軸方向寬100m，z 軸方向高50m，其中基坑長78m。此次計算模型共生成166996 個單元，103545 個節點，模型網格如圖2 所示。

圖2 模型網格軸測視圖

2.2 計算參數

計算中采用不同的本構模型模擬不同的材料，對于襯砌等結構應用線彈性模型，而各層土體采用莫爾-庫侖（M-C）模型。車站結構襯砌、基坑圍護結構、結構底板采用板單元模擬，土體采用實體單元模擬，鋼圍檁采用梁單元模擬，錨索采用錨桿單元模擬。基坑北側采用筏板基礎，基礎底面處平均壓力值為420kPa。

計算模型中各土層的計算參數根據項目巖土工程勘察報告選取，并對物性參數相近的土層進行了合并處理。表3、表4 給出了計算所采用的圍巖物性參數與結構參數。

表3 地層計算參數

表4 結構計算參數

2.3 施工過程模擬

施工步驟主要包括：一是施工圍護樁；二是先開挖第一層土體；三是第一層鋼圍檁和錨索，并施加預應力；四是開挖第二層土體；五是第二層鋼圍檁和錨索，并施加預應力；以此類推至開挖第五層土體，達到設計開挖深度，最后模擬建筑物建成及土體回填引起的附加荷載對地鐵區間隧道的影響。其中各層土體開挖至錨索下0.3m，共10 個施工步。

3 支護結構設計方案對比

雙 排φ800 樁+2 排 錨 索、雙 排φ800 樁+4 排 錨索、雙 排φ1000 樁+4 排錨索、雙 排φ1200 樁+4 排錨索等四種設計方案引起區間隧道的變形計算結果匯總見表5。

表5 區間隧道結構變形（單位：mm）

由表5 看出：

其一，在Z 向位移控制方面，φ800 樁+2 排錨索方案的效果最好，施工過程中隆起最大為1.49mm、沉降最大為-0.87mm。

其二，在Y 向位移控制方面，φ1200 樁+4 排錨索方案優于其他方案，其中在施工過程中位移最大值為-1.79mm。

其三，在X 向位移控制方面，各方案差距不大，其中φ1200 樁+4 排錨索方案較好，施工過程中位移最大值為0.50mm。

綜上所述，雙排φ800 樁+2 排錨索方案的Y 向位移控制能力稍差于雙排φ1200 樁+4 排錨索，但Y 向位移最大為-2.11mm，仍在可控范圍之內。因此，綜合考慮施工成本，φ800 樁+2 排錨索方案最優。

4 既有隧道結構安全性分析

為進一步驗證雙排φ800 樁+2 排錨索方案的可靠性，對采用雙排φ800 樁+2 排錨索方案施工對區間隧道結構安全性的影響進行詳細分析。

4.1 區間隧道結構變形

各開挖步的區間隧道變形量變化曲線如圖3所示。

圖3 各開挖步區間隧道變形量

由圖3 看出：

其一，基坑開挖過程（施工步1～9）中，區間隧道各個方向位移分量逐漸增大，最大Z 向、Y 向、X 向位移分別為+1.49mm（隆起）、-2.11mm、0.54mm。

其二，建筑物建成及土體回填（施工步10），將引起區間隧道位移發生變化。其中，Z 向位移受影響最大，由隆起變化為沉降-0.87mm，而Y 向位移增大為-2.3mm，X 向位移減小為0.39mm。

其三，區間隧道的變形以Y 向位移和Z 向位移為主，X 向位移較小。其中，在基坑開挖過程中，區間隧道Z 向位移最大；建筑物建成及土體回填后，區間隧道Y 向位移最大，為-2.3mm，并且是基坑工程施工全過程中的最大位移值。

4.2 區間隧道結構應力狀態

各開挖步時區間隧道結構的拉應力與壓應力變化曲線如圖4 所示。

圖4 各開挖步區間隧道的應力

由圖4 看出：

其一，基坑工程施工過程中（施工步1～10）中，區間隧道最大壓應力變化較小，為4.90～4.96MPa。

其二，基坑工程施工過程中（施工步1～9），區間隧道最大拉應力隨開挖深度逐漸增大，拉應力范圍為0.80～1.28MPa；在建筑物建成及土體回填（施工步10）施工時，區間隧道最大壓應力受影響較大，增大約0.24MPa。

4.3 安全系數與裂縫寬度

經計算，各施工步（施工步1～10）的最大軸力、最大彎矩與最小彎矩變化不大。限于篇幅，僅以第10 步為代表詳述區間隧道結構特征點（彎矩最大點、彎矩最小點、軸力最大點、軸力最小點）的安全系數與裂縫情況（參照《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中7.1.2～7.1.4 條規定計算），見表6。

表6 地鐵區間隧道結構安全系數與裂縫情況

由表6 看出，區間隧道結構的安全系數最小為9.0，彎矩最大點裂縫寬度最大，為0.05mm；其次為彎矩最小點位置，裂縫寬度為0.03mm。綜上所述，區間隧道結構所受最大壓應力為4.96MPa，最大拉應力為1.52MPa，最大豎向變形+1.49mm（隆起），最大豎向變形-0.87mm（沉降），X 向位移最大值0.54mm，Y 向位移最大值-2.30mm，裂縫寬度最大0.05mm。地鐵區間隧道結構位移與受力均小于《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T202—2013）與《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）的相關規定。

5 結語

通過采用數值方法對比分析，對于15.0～16.0m深的砂土地層基坑工程，在雙排φ800 樁+2 排錨索、雙排φ800 樁+4 排錨索和雙排φ1000 樁+4 排錨索、雙排φ1200 樁+4 排錨索等4 個支護結構設計方案中，雙排φ800 樁+2 排錨索方案能夠保證既有區間隧道結構的安全，并且施工成本較低，具有較高的可靠性與經濟性。基坑工程施工過程中的監測結果顯示，既有區間隧道位移量均在設計控制值（豎向位移與水平位移控制值為6.0mm、預警值為4.2mm）范圍以內，隧道結構未發現表觀病害，該基坑工程支護結構設計方案對既有區間隧道的保護效果良好。