國道改建工程對地鐵盾構隧道的影響分析

周鑫鋼

【摘 ? ?要】：考慮上方基坑開挖對地鐵區間隧道的影響，以235國道杭州老余杭—五常段改建工程為例，根據地鐵現狀制定變形控制標準，通過理論及有限元數值分析，對基坑各個階段施工工況下盾構隧道的變形進行分析并根據計算及施工工況提出可行性建議。

【關鍵詞】：盾構；隧道；基坑；地鐵；國道

【中圖分類號】：U456.3【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-30-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.007

Influence Analysis of National Highway Reconstruction Project on the Subway Shield Tunnel

ZHOU Xingang

（China Railway Liuyuan Group Co.Ltd.，Tianjin 300308， China）

【Abstract】：Considering the impact of the excavation of the upper foundation pit on the subway section tunnel， the paper takes the reconstruction project of the old Yuhang-Wuchang section of National Highway 235 in Hangzhou as an example， formulates the deformation control standard according to the status of the subway. Through theoretical and finite element numerical analysis， the paper analyzes the deformation of shield tunnel under various construction conditions of foundation pit， and puts forward feasible suggestions according to the calculation and construction conditions.

【Key words】：shield; tunnel; foundation pit; subway; national highway

隨著城市軌道交通發展和地下空間開發利用，地鐵隧道附近的基坑工程或基坑工程附近的軌道交通愈發常見，基坑開挖或隧道下穿會引起鄰近既有盾構隧道或既有建筑物縱向變形、橫向收斂、沉降等，嚴重時甚至引起隧道、建筑物結構破壞。目前的研究基本在兩個情況下展開：一是盾構隧道已建成，上方基坑開挖[1]；二是地下框架結構已建成，下方隧道穿越[2]。兩種情況工期都是確定的；但隨著城市的快速發展，基建工程建設周期快，鄰近工程工期存在不確定的情況。

1 工程概況

235國道杭州老余杭—五常段改建工程全長約11.26 km。全線設置一座東西走向隧道，起點位于倉前街道苕溪村，在東西大道西側進入暗埋段，下穿東西大道，向東延伸跨越擬建地鐵3號線、機場快線，終點位于倉前街道靈源村。公路隧道于K5+463附近上跨在建地鐵機場快線苕溪站—杭州西站盾構區間，由于交叉節點公路隧道與地鐵隧道凈距較小，計劃公路隧道先行施工、地鐵隧道后穿。為保障地鐵建設工期，節點處公路隧道土建圍護及主體結構提前開工建設。

235國道杭州老余杭—五常段改建工程上跨地鐵機場快線苕溪站—杭州西站盾構區間先行節點工程（以下簡稱“節點工程”），起訖樁號K5+410～K5+530，總長為120 m，公路隧道與地鐵盾隧道交角約86.39°。見圖1。

地鐵隧道內徑6.1 m，襯砌采用拼裝管片。管片厚度400 mm，為C50、P12混凝土，采用3塊標準塊+2塊鄰接塊+1塊封頂快形式錯縫。

根據勘察揭示的地層，考慮巖土層的巖土性及物理力學性質等因素，鉆探揭露巖土層自上而下為①1素填土、②1粉質黏土、②2淤泥質黏土、②3粉質黏土、④1粉質黏土、④1a粉質黏土夾粉砂、④2粉質黏土、⑤1粉質黏土、⑤2粉質黏土、⑥1粉砂、⑥3圓礫、⑩2強風化泥質粉砂巖、⑩3中風化泥質粉砂巖。基坑開挖范圍主要地層為②1粉質黏土、②2淤泥質黏土、②3粉質黏土。地下水主要為潛水、下部承壓水和基巖裂隙水，經驗算，基坑開挖至底時，基坑抗承壓水突涌安全系數為1.2，滿足規范要求；總體上，承壓含水層對基礎設計、施工影響較小。

2 風險評估及變形控制標準

節點工程基坑上跨地鐵隧道，坑底與隧道豎向凈距9.80 m，位于1.0D～2.0D（D為盾構區間直徑）范圍，為接近關系；明挖基坑深度12.2 m，地鐵隧道位于0.7h～1.0h（h為基坑開挖深度）范圍，是外部作業的顯著影響區，綜合判定基坑施工對地鐵隧道的影響等級為一級[3]。

地鐵結構的保護范圍分為控制保護區和特別保護區[4]。地鐵結構外邊線外側50 m內為地鐵的控制保護區，地鐵結構外邊線外側5 m內為地鐵的特別保護區節點工程基坑位于地鐵隧道的特別保護區和控制保護區范圍，經核算，最大卸荷比為0.279，軌道交通結構安全保護等級為A級。

地鐵隧道掘進至節點工程影響范圍時，預計基坑AM34段（對應機場快線隧道正上方區塊）已開挖至底并完成墊層澆筑。根據浙江省工程建設標準《城市軌道交通設施結構安全保護技術規程》及各項目工籌計劃，從地鐵保護角度考慮，確定地鐵盾構區間結構安全狀況為Ⅲ類（已鋪軌，未運營）。由于鐵盾構區間均為新建隧道，需為后期使用階段預留變形余量，工程實施過程中，地鐵隧道變形按Ⅱ級標準，水平位移控制值為8 mm、豎向位移控制值為10 mm、相對收斂控制值為8 mm。

考慮工期、施工計劃的不確定性及地鐵保護的問題，地鐵盾構區間按基坑AM34段（對應機場快線隧道正上方區塊）開挖至第3道支撐后掘進至工程影響范圍考慮，待隧道穿越后繼續開挖AM34段最后一層土及兩側剩余土體。

3 基坑圍護設計方案

基坑長120 m，寬為35.9 m，深約為11.5～12.9 m，坑底位于4-1粉質黏土層，圍護結構采用?900 mm@1 050 mm鉆孔灌注樁+?850 mm@600 mm三軸攪拌樁止水帷幕，支撐采用1道鋼筋混凝土支撐+2道?609 mm、t=16 mm鋼支撐的支護體系。基底采用?850 mm@600 mm三軸攪拌樁加固，上跨地鐵段裙邊5 m范圍加固至高程-17.5 m、其余滿堂加固至基底以下5 m；其余段裙邊加固至基底以下4.0 m+抽條加固至基底以下3.0 m。

使用同濟啟明星圍護結構計算軟件V8.2對圍護剖面進行校驗復核：基坑開挖引起的圍護樁最大水平位移10.6～14.5 mm（＜0.14%h），滿足一級基坑的變形控制要求；基坑整體穩定性系數1.75～1.76，圍護抗傾覆穩定性系數2.08～3.03，基坑坑底抗隆起系數1.87～2.01，滿足一級基坑的安全控制要求。

4 數值模擬

4.1 二維模擬

采用Plaxis8.5有限元模擬軟件，對地鐵隧道進行二維數值模擬。見圖2。

由模擬結果可知，節點工程對在建地鐵隧道產生了一定的影響，主要為隧道上方卸載后土體回彈帶動隧道的變形，正上方基坑AM34段最后一層開挖后隧道出現明顯的水平位移、隆起及水平收斂減小的變形且該階段變形量達到最大值；AM34段墊層、結構施工（200 mm厚墊層、1 500 mm厚底板、1 500 mm頂板）為再次加載，隧道變形量減小；后續AM33、AM35段剩余土方開挖及結構施工對隧道影響較小，隧道變形量在后續各工況中基本穩定。整個過程中，右線地鐵隧道最大水平位移3.02 mm、隆起4.41 mm、水平收斂-2.46 mm，左線隧道最大水平位移-2.94 mm、隆起4.25 mm、水平收斂-2.33 mm。該變形數據不含隧道掘進后的自身工后變形量及可能存在的AM34段在盾構到達前已開挖土方引起的下部土體殘余回彈量。

4.2 三維模擬

采用Midas GTS NX軟件對施工過程進行三維數值模擬[5]。見圖3。

由模擬結果可知，基坑開挖會對地鐵隧道造成一定影響。基坑開挖階段，隨著坑內卸載，坑底土體產生回彈隆起，地鐵隧道主要發生豎向位移變形，坑底土體豎向位移主要分布在新開挖坑底范圍。AM34段抗拔體系形成后，在后續開挖作業中本區段及鄰近的坑底幾乎不繼續隆起；隨著開挖面遠離基坑中央及AM34段抗拔體系的共同作用，隧道正上方區段坑底隆起增量較小，隧道后續變形增量也較小。整個施工過程，圍護變形最大發生在拆撐完成后、結構回筑階段，計入盾構未穿越時圍護已發生5.165 mm變形，圍護變形最大值達12.692 mm；隧道產生最大豎向位移4.433 mm、最大水平位移0.944 mm、徑向收斂1.467 mm。

以上變形值均在控制標準范圍內，但施工中應加強措施，控制施工擾動等因素對地鐵變形造成的不利影響，施工期間須加強現場管理，嚴格控制一次開挖土方量，應盡量按照預定工籌實施。底板回筑及AM34段形成抗拔體系對約束該范圍內坑底土體隆起有較好作用，即在盾構穿越前爭取按計劃完成AM34區段的底板回筑。

4.3 有限元數值分析

二維有限元分析可知，地鐵隧道結構最大水平位移3.02 mm；最大豎向位移4.41 mm；三維有限元分析可知：地鐵隧道結構最大水平位移0.944 mm；最大豎向位移4.433 mm。鑒于二維有限元分析方法僅能考慮某剖面上基坑工程與地鐵隧道的關系、無法考慮基坑開挖的空間尺寸效應、地鐵與基坑之間的空間關系，故數值存在一定差異，符合工程實際情況。

通過對數值計算結果的整理分析可知，基坑開挖對地鐵隧道的影響在控制標準范圍內，風險可控。認為本工程的基坑圍護方案滿足軌道交通設施的變形控制標準。

5 實施建議

考慮到施工過程中的風險因素，為確保地鐵設施受力和變形可控，保證地鐵結構安全，提出以下建議[6]。

1）基坑開挖及回筑期間，應合理安排出土車運輸路徑，出土運輸應避開隧道正上方區域，基坑周邊堆載不得＞20 kPa。

2）自右線盾構機（先行盾構機）接近基坑北側邊線20 m前，基坑AM34區段需完成開挖見底并完成墊層澆筑工作，待右線盾構機通過基坑15環且盾構注漿凝固后方可繼續挖土。根據工籌，左線盾構機滯后約500環掘進，基坑底板需在左線盾構機（后行盾構機）到達本基坑前完成全部底板澆筑。

3）建議在地鐵盾構達到節點工程位置前，盡可能完成右線隧道（先行盾構）正上方區塊底板回筑工作。

4）盾構隧道穿越基坑前，需再次復測盾構機姿態，控制推進速度，不宜超過6～8環/d，下穿基坑期間禁止較大幅度糾偏；進入基坑范圍內，由于上部覆土發生突變，應及時調整推力、注漿量、推進速度等施工參數。

5）由于盾構隧道下部存在⑥粉砂及圓礫層，易發生漿液逃逸現象，建議盾構穿越基坑期間適當保證同步注漿，注漿量不小于理論注漿量的200%進行并根據現場情況加大注漿量；同時出土量按照理論出土量的95%控制，必要時進行二次注漿，應采用質量較好的漿液，可通過調整漿液配比、添加外加劑等方法，盡量縮短漿液初凝時間，嚴格控制土層損失率在5‰以下，以減小盾構施工對基坑的影響。

6）當盾構機到達基坑外20 m處時，基坑應停止開挖工作且基坑AM34段第3道鋼支撐必須架設完畢并對第二、三道鋼支撐進行軸力復加。

7）地鐵隧道穿越基坑再次施工前，對已成型盾構隧道進行洞內地質雷達掃描，以判斷盾構管片外側注漿填充效果，必要時進行補充二次注漿填充以確保隧道管片與周邊土體緊密貼合。

8）土方開挖應按“軟分坑”設計方案進行分塊開挖，沿地鐵隧道兩側的基坑應對稱開挖，兩側挖土高差不得＞2 m；地鐵正上方土方開挖豎向分層厚度不得＞1 m，挖至支撐標高后6 h內完成鋼支撐架設，挖至坑底后6 h內完成墊層澆筑，3 d內完成底板施工。建議現場準備堆載材料，以便根據監測情況施加底板堆載以控制變形。

9）為進一步加強盾構穿越期間基坑圍護結構穩定性，建議最后一層土開挖時，沿地墻留反壓土，待盾構穿越且漿液凝固后方可繼續開挖。見圖4。

10）經核算，最后一層土方開挖總卸荷比為0.279，根據浙江省工程建設標準《城市軌道交通設施結構安全保護技術規程》4.3.1節規定“分坑后形成的單體基坑卸荷比，軌道交通結構安全保護等級為A級時不宜超過0.2，B級時不宜超過0.3”，故最后一層土方開挖需進行分坑開挖及回筑。見圖5。

主要覆土區范圍分3段開挖，待①區完成底板回筑后方可進行②區開挖。經核算，2個開挖階段的最大卸荷比分別為0.142、0.137。單次開挖沿縱向長度≯5 m。

11）施工結束后，應對隧道裂縫進行灌縫處理，進行耐久性修復；對于盾構隧道管片錯臺超限的，要及時進行管片結構橫向或縱向剛度補強、防水補救等工作；對于限界內輪廓超限的，要及時的進行調線調坡，及時調整內部管線等設施的位置。

6 結語

通過有限元模擬等手段，進行基坑開挖對地鐵影響的安全性評價，表明現行基坑圍護整體方案可滿足地鐵設施控制標準的要求。實際施工過程中，施工單位應結合圍護設計單位提出的施工要求，根據基坑和地鐵設施的監測結果，確保圍護結構的施工質量；同時動態調整施工方案，配合圍護設計單位的設計措施，確保地鐵設施運營的安全。

參考文獻：

[1]姚燕明，楊金剛，王 ? ?哲.寧波地鐵盾構隧道上方基坑開挖影響案例分析[J].都市快軌交通，2014，27（4）：93-96+100.

[2]鄧 ? ?亮.盾構隧道下穿既有框架結構的影響分析[J].公路交通技術，2018，34（1）：96-100.

[3]GB 50652—2011，城市軌道交通地下工程建設風險管理規范[S].

[4]CJJ/T 202—2013，城市軌道交通結構安全保護技術規范[S].

[5]房 ? ?明，劉 ? ?鎮，周翠英，等.新建隧道盾構下穿施工對既有隧道影響的三維數值模擬[J].鐵道科學與工程學報，2011，8（1）：67-72.

[6]段忠輝.既有地鐵區間隧道上方深大基坑開挖安全影響分析[J].建筑結構，2020，50（S2）：747-752.