上方開挖卸荷作用下地鐵隧道的實測數據分析

郭鵬飛，楊龍才，于 正

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092）

上方開挖卸荷作用下地鐵隧道的實測數據分析

郭鵬飛，楊龍才，于 正

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092）

在已有隧道上方進行基坑開挖，下方隧道的變形是基坑施工控制的關鍵。采用實測分析的方法，詳細介紹了在已建盾構隧道上方進行基坑開挖的工程中，下臥隧道的變形控制措施，即在基坑開挖前進行攪拌樁加固、設置抗拔樁并在隧道內設置“米”字型支撐，通過實測數據分析研究了上方基坑開挖過程中下臥隧道的變形規律。得到如下結論：攪拌樁加固過程中，隧道發生輕微的下沉變形，而基坑開挖則會導致隧道整體抬升與橫截面收斂變形；攪拌樁加固與抗拔樁能有效控制施工過程中的隧道隆起變形，而隧道內的“米”字型加固則能有效減小隧道的收斂變形，攪拌樁施工引起隧道發生“橫鴨蛋”式收斂變形，而后續的基坑開挖則對隧道的收斂變形影響不大。

基坑開挖；下臥隧道；隆起變形；收斂變形

隨著城市化進程的不斷發展，城鎮人口不斷增加，城市擁擠、交通擁堵等現象日益嚴重。由于地鐵線路多埋置于地下，與其他地面建筑配合，可使城市土地資源得到充分利用，因此得到迅速發展。截止2014年底我國已有22個城市開通了城市軌道交通線路，運營里程達3 155 km，其中地鐵線路2 438 km，且在開通運營的地鐵線路中多以地下線路為主，以上海為例，地下線路所占比例竟達70%左右。城市軌道交通工程能夠方便人們出行、解決城市交通擁堵問題，同時也給城市建設帶來了新的技術難題，如在地鐵隧道上方進行的基坑開挖工程等。在國內外的地鐵建設過程中均遇到過此類問題，如上海世紀大道楊高路立交上跨地鐵2號線工程[1，2]、南京龍蟠路隧道上跨地鐵1號線工程[3]，國外的新加坡Tan Tock Seng（TTS）hospital上跨Mass Rapid Transit（MRT）隧道工程[4]等。

盾構隧道對變形的要求相當嚴格，《城市軌道交通隧道結構安全保護技術規范》[5]要求外部施工引起的地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移≤20 mm，隧道變形曲率半徑≥15 000 m，相對彎曲≤1/2 500，直徑累計變化量小于5‰D（D為盾構隧道外徑）。在此類立體交叉工程施工中，如何采取有效措施控制隧道變形，確保地鐵結構安全，成為上方基坑施工控制的關鍵。

對于此類上跨于隧道上方的基坑工程，地基加固、設置抗拔樁、分區開挖等措施可適當減小下臥隧道的變形[6]。但由于隧道的變形影響因素眾多，如基坑規模、隧道剛度、周邊環境等，以往的工程經驗只能作為參考而不能完全照搬照用[7]，此外由于工程地質的地區差異性，即使采用同樣的控制措施，在不同地區也會出現不同的控制效果。

杭州金沙湖綠軸下沉廣場工程位于已建杭州地鐵1號線上方，在隧道上方進行基坑開挖在杭州地區尚屬首例，針對這一工程，本文詳細介紹了基坑施工過程中的隧道變形控制措施，結合監測數據對基坑開挖過程中下臥隧道的變形規律進行分析，為此類外部卸荷作用下隧道變形規律的理論研究提供數據支撐，并為杭州地區類似工程積累經驗。

1 工程概況

金沙湖綠軸下沉廣場位于杭州金沙湖北側，毗鄰下沙大道、德勝快速路，位于城市快速路九沙大道下方，為溝通大道兩側地塊的人行交通廣場工程。下沉廣場上方為九沙大道鋼梁橋，橋長222 m、寬50 m，橋梁下部結構為鋼筋混凝土墩臺立柱，直徑1.5 m的鉆孔灌注樁基礎，在進行下沉廣場施工時九沙大道橋梁已經完成了樁基施工。

下沉廣場平面呈月牙兒形，基坑開挖面積為12 580 m2，開挖深度5.3 m，緊鄰杭州地鐵1號線下沙西站?；诱路酱嬖诩扔?號線下沙西路站——金沙湖站區間盾構隧道，隧道外徑6.2 m，內徑5.5 m，壁厚35 cm，環寬1.2 m，錯縫拼裝，下沙西站為二層地下島式車站，端頭井埋深17.3 m，標準段埋深15.7 m。隧道與廣場平面關系如圖1所示，基坑坑底距地鐵隧道左右線的豎向距離分別為3.3 m和4.3 m。

場地范圍內土層以填土、砂質粉土、粉砂夾砂質粉土、淤泥質粉質粘土為主，盾構主要穿越土層為錢塘江沖積層，以砂質粉土和粉砂夾砂質粉土層為主，地層分布如圖2所示。各土層的主要物理力學指標見表1。場地范圍內地下水以第四紀松散巖類孔隙水為主，地下水位埋深1.30～2.50 m，水位埋深隨季節略有變化，年變化幅度1.00 m左右。

圖1 基坑與隧道平面關系示意圖Fig.1 Plan view of foundation pit and tunnel

圖2 場地地層分布示意圖Fig.2 Distribution chart of layer

表1 主要土層的物理力學指標Tab.1 Physico-mechanical index of soil layer

2 基坑施工控制措施

根據相關研究成果，基坑開挖深度與隧道初始覆土厚度之間的比值（卸荷比R）和基坑面積S是影響下臥隧道隆起變形的重要因素[8]。本工程中，左右線的卸荷比分別0.62和0.55，基坑面積1.2×104m2，與同類工程相比，明顯偏大，因此需要考慮分步施工，將基坑分為核心區與非核心區，首先進行核心區的施工，待核心區底板澆筑完成后再進行非核心區開挖，本文僅對核心區的施工過程進行分析。如圖1所示，核心區寬度為30 m，位于盾構隧道正上方，關于上下行中線對稱。

2.1 地基加固

根據類似工程經驗，對隧道周邊土體進行加固提高其抗剪強度，能有效減小開挖引起的隧道隆起變形。與高壓旋噴樁、袖閥管注漿相比，三軸攪拌樁對下方隧道的影響更小，應用也更為普遍。如圖3所示，采用直徑850 mm，間距600 mm×600 mm的，三軸攪拌樁對坑底及隧道兩側進行加固，考慮攪拌樁加固對盾構隧道變形的影響，隧道頂部加固至距離隧頂1 m位置，左右線的加固深度分別為6.8 m和8.5 m。對于隧道兩側，根據《城市軌道交通隧道結構安全保護技術規范》中規定，在地鐵工程（外邊線）兩側的鄰近3 m范圍內不能進行任何工程，因此取深層攪拌樁加固區與隧道水平間距3.1 m，加固深度26 m，進而在隧道周圍形成“門式”聯合加固體，要求加固體28 d無側限抗壓強度不小于1 MPa。

2.2 設置抗拔樁

除地基加固外，基于下沉式廣場抗浮的需要，同時也為了防止下方隧道發生明顯的隆起變形，需在隧道左右線兩側及中間設置抗拔樁，抗拔樁由九江大道大橋樁基和專門設置的抗拔樁兩部分組成，抗拔樁采用鉆孔灌注樁進行施工，與深層攪拌樁形成組合式門柱，樁徑500 mm，樁長47 m，間距3.1 m。此外，由于九江大道上跨廣場，跨越橋段在基坑開挖范圍內共有9個橋墩，中心間距沿隧道向為22.5 m，垂直隧道向為15 m。每個橋墩下有兩根橋樁，樁間距為3.6 m，橋樁樁徑600 mm，樁長57 m。待底板澆筑完成后，將抗拔樁、橋梁樁基與底板澆筑在一起，形成門式抗拔結構，抗拔樁平面設置示意圖如圖4所示。

圖3 地基加固立面示意圖（單位：cm）Fig.3 Cross section of the soil reinforcement（cm）

圖4 地基加固平面示意圖Fig.4 Plan view of ground stabilization

2.3 隧道內支撐

施工時下方隧道尚未開通運營，在進行上方基坑開挖前，除攪拌樁加固和設置抗拔樁外，還可在隧道內部對其進行“米”字型鋼構加固，加強隧道的整體性，減小隧道的收斂變形。“米”字型鋼構加固不僅可以防止加載作用下隧道斷面發生豎向收斂變形，還可以抑制卸載作用下隧道斷面的橫向收斂。本工程中，在攪拌樁施工階段，由于上方土體容重及剛度的增加，相當于對隧道斷面進行加載，而基坑開挖階段，又相當于對隧道斷面進行卸載，最終的隧道斷面收斂變形有“橫鴨蛋”和“豎鴨蛋”兩種情況。隧道內部的加固典型斷面如圖5所示。在貼近隧道管片位置設置環向H型鋼，型鋼型號為200×200×8×10，并用縱向HW200×200a型鋼對環向型鋼進行支撐，縱向支撐之間通過12×800×800鋼板進行焊接連接。

2.4 分層分塊開挖

本工程基坑開挖遵循“分塊、分層、對稱”的開挖原則，根據現場情況，將核心區域土體豎向分為兩層，第一層厚3.3 m，第二層厚2.0 m；平面分為9個區域，如圖5所示。開挖過程中采取跳挖方式進行。開挖時，首先大面積開挖至地面以下3.3 m；之后根據圖6分區垂直跳挖至坑底；跳槽的開挖順序為：8（2）-7（3）-4（6）-5（1、9），由于基坑四周場地開闊，可進行放坡開挖。分區開挖結束后，應及時澆筑墊層與底板，減少基坑暴露時間，并在混凝土中添加早強劑。整個基坑開挖過程中，進行控制性降水，使水位控制在基坑開挖面以下0.5～1.0 m。

圖5 隧道內支撐加固示意圖Fig.5 Diagram of bracing reinforcement in tunnels

圖6 核心區分塊開挖示意圖（單位：mm）Fig.6 Diagram of part-excavation in core area（mm）

除上述施工控制措施外，施工過程中還可通過一些輔助措施來限制隧道結構上浮，如隧道周圍注漿加固，底板堆載反壓和沙袋護坡等。核心區基坑的施工順序依次為：①三軸攪拌樁地基加固及隧道內“米”字形支撐設置，② 工程樁及橋樁基礎施工，③ 第1層土體開挖，④ 第2層土體分區開挖并澆筑底板。

3 地鐵監測概況

隆起及收斂變形過大易引起隧道結構裂縫、管縫張開及滲漏水的發生，根據工程特點及地鐵保護要求，對地鐵隧道的沉降及收斂變形進行觀測，在基坑下方及兩側一定范圍內每環管片上均布置相應測點，如圖7所示，其中左線隧道沉降點從左至右編號依次為：L01-L90，共90個點，編號L01～L50等50個監測點位于開挖區域下方。右線位移觀測點，從左至右編號為R01-R128，共128個測點，右線R51～R100等50個測點位于開挖區域下方。每環隧道內的測點布置示意圖如圖8所示，其中隧道沉降測點布置在軌道板上兩條軌道中間，收斂變形則通過隧道圓環的水平直徑變化進行測量，所有監測項目的監測頻率均為每日一次。

圖7 變形監測點布置示意圖Fig.7 Diagram of distribution of distortion monitoring points

圖8 隧道內監測測點布置示意圖（單位：m）Fig.8 Diagram of distribution of tunnel monitoring points（m）

4 監測結果分析

在開挖卸載作用下，坑底土體發生回彈，兩側土體向坑內擠壓，進而引起下方隧道發生變形，隧道的主要變形特征有隆起變形、水平變形和收斂變形[10]，由于本工程的基坑核心區域位于盾構隧道的正上方，開挖區域關于隧道線路左右對稱，因此不會引起較大的水平位移。

4.1 隧道隆起變形

4.1.1 左線隧道

隧道隆起變形是上跨基坑施工控制的關鍵，圖9給出了整個過程不同階段的隧道豎向位移（圖中隆起為“＋”，沉降為“-”），可以發現，整個基坑施工過程中右線隧道的豎向位移均小于10 mm，滿足盾構隧道對變形的控制要求。攪拌樁施工結束后，隧道的豎向位移表現為沉降，隧道最大沉降變形為4.5 mm，發生在第35環，而不是在第25環，豎向位移曲線并不關于基坑中心對稱，且靠近車站一側的豎向位移明顯小于另外一側，證明地鐵車站對盾構隧道的豎向位移產生了一定的限制作用。在鉆孔樁及第1層土體開挖結束后，隧道的沉降變形略有減小，可見鉆孔樁及淺層土體的開挖對隧道豎向位移的影響不大。核心區第2層土體的分區開挖過程中，隧道發生明顯的隆起變形，開挖結束后隧道的最終豎向位移由沉降轉變為隆起，最大隆起量達5.5 mm。

圖10為基坑開挖引起的隧道豎向位移，即以鉆孔樁施工結束后的隧道位移作為初始值時，后續不同開挖階段盾構隧道的豎向位移變形曲線?？梢姡?層土體開挖引起的隧道隆起變形不大；后續對稱分區開挖工程中，隧道的豎向位移不斷增加，整個開挖階段引起的最大豎向位移為8 mm，發生隆起變形的盾構隧道范圍為10～65環，在臨近地鐵車站的0～10環內，豎向位移基本沒有變化，且在75～90環區域，隧道卻出現了反彎，發生了至少1 mm的沉降變形。

圖11為左線不同測點豎向位移隨施工時間的變化情況，其中第5，15，25，35，45環位于基坑施工范圍內，第65，85環位于開挖范圍外，攪拌樁施工結束后，除5，65和85環以外，其他測點均發生了明顯的沉降變形，在鉆孔灌注樁的施工過程中，各測點的豎向位移變形都不大?；娱_挖開始后，基坑開挖范圍內的第5，15，25，35，45環均發生隆起變形，而第85環則反而發生沉降變形，65環的豎向位移則沒有明顯變化。

圖9 左線隧道豎向位移曲線Fig.9 Vertical displacement curve of the left tunnel

圖10 開挖引起的左線隧道豎向位移曲線Fig.10 Vertical displacement curve of the left tunnel by excavation

圖11 左線典型測點的位移-時間曲線Fig.11 Displacement-time curve of typical points of left tunnel

4.1.2 右線隧道

右線隧道與左線隧道最大的差別在于，隧道左端距離地鐵車站較遠，與車站的最短距離約50環，車站對基坑下方區域盾構隧道的約束作用減弱。

圖12為右線隧道在基坑施工過程中不同階段的隧道豎向位移曲線，從圖中可以發現，整個施工過程中右線隧道的豎向位移均小于10 mm，滿足盾構隧道的變形要求。隧道50～100環位于基坑開挖范圍內，攪拌樁施工開始后，基坑及兩側一定范圍內的盾構隧道均發生了明顯的沉降變形，其中45～80環的沉降變形較大，最大沉降達7.5 mm，發生在60環左右，其余部分的沉降量均在-2 mm左右，最大位移發生在60環而不是75環（基坑中心），這可能與攪拌樁施工時，水泥旋噴的壓力控制有關。

鉆孔樁及基坑第一層開挖結束后，隧道的沉降變形逐漸減小，當第二層分區開挖結束后，0～60環范圍內的豎向位移幾乎為0，而70～130范圍內的最終豎向位移表現為隆起，最大隆起值達7.7 mm，發生在80環附近。

圖13為以鉆孔樁施工結束后的隧道位移作為初始值，基坑開挖引起的右線盾構隧道豎線位移。從圖中可以發現，基坑開挖開始后，隧道不斷發生隆起變形，尤其在基坑開挖范圍內，隧道隆起變形更加明顯，由于每次開挖都關于基坑（75環）對稱，因此隧道的變形曲線也基本關于75環對稱，越靠近基坑中線，隧道隆起變形越大，基坑開挖結束后，由開挖引起的最大隧道變形為6.3 mm，明顯小于左線的最大隆起變形8 mm，這與開挖結束后隧道的上覆土厚度有關，右線隧道的上覆土厚度（4.3 m）大于左線的覆土厚度（3.3 m）。

圖14為右線部分圓環豎向位移隨施工時間的變化情況，其中第55，65，75，85，95環位于基坑施工范圍內，第15，35環位于基坑外靠近地鐵車站一側，第115環則位于開挖范圍以外遠離車站一側。由圖可知，攪拌樁施工結束后，所有測點均發生了一定的沉降變形，在鉆孔灌注樁的施工過程中，多數盾構圓環的沉降數值逐漸減小?；娱_挖開始后，除基坑開挖范圍外的第15，35，115環外，多數測點的隆起變形速率迅速增大。

圖12 右線隧道豎向位移曲線Fig.12 Vertical displacement curve of the right tunnel

圖13 開挖引起的右線隧道豎向位移曲線Fig.13 Vertical displacement curve of the right tunnel by excavation

圖14 右線典型測點的位移-時間曲線Fig.14 Displacement-time curve of typical points of right tunnel

4.2 隧道管片收斂

4.2.1 左線隧道

對于盾構隧道的收斂變形，同樣是上跨基坑施工控制的關鍵，圖15為三軸攪拌樁施工結束及基坑開挖結束兩個階段左線管片的收斂變形，監測時只對管片的水平收斂進行了監測，其中“＋”代表直徑增大，“-”代表直徑減小。從圖中可以發現，三軸攪拌樁施工結束后，幾乎所有管片的水平收斂變形值均為“＋”，即水平直徑增大，管片圓環變形形態表現為“橫鴨蛋”,產生這種變形的主要原因是攪拌樁加固后隧道上方土體容重和剛度增加，相當于對隧道截面進行豎向加載，此外攪拌樁施工過程中的攪拌壓力同樣會引起隧道發生豎向收斂變形。文獻[11，12]采用有限元和理論計算的方法對基坑施工引起下臥隧道的收斂變形進行了計算分析，結果表明，基坑開挖卸荷作用下，下臥隧道會發生明顯的“豎鴨蛋”式收斂變形，即水平收斂變形顯著減小。而圖15表明，當隧道上方進行開挖卸載后，在基坑開挖結束后，所有盾構圓環的水平收斂變形并無太大變化，只是略有減?。? mm），證明盾構隧道一旦在外部擾動作用下發生收斂變形，將很難發生可逆變形。

圖16為不同隧道圓環水平收斂在不同施工階段的發展變化情況，同樣說明，一旦盾構隧道在攪拌樁施工影響下發生“橫鴨蛋”式收斂變形，在進一步的開挖卸荷作用下，收斂變形將很難恢復。

此外從圖15還可發現，整個施工過程中，水平收斂變形最大值為6 mm，發生在攪拌樁施工結束后，施工結束后，盾構圓環最終的收斂變形為5 mm。收斂變形沿隧道軸向的變化與隆起變形相類似，在0～10環范圍內，由于地鐵車站的約束作用，收斂變形很小，多在1 mm左右，基坑范圍內的15～55環則較大。

圖15 左線隧道收斂變形曲線Fig.15 Convergence deformation curve of the left tunnel

圖16 收斂變形隨時間的變化曲線（左線）Fig.16 Development curve of convergence deformation with different time(the left tunnel)

4.2.2 右線隧道

圖17為攪拌樁及開挖結束時右線隧道的收斂變形曲線，從圖中可以發現攪拌樁施工結束后，隧道水平收斂變形同樣為“＋”，即隧道截面發生“橫鴨蛋”式變形，水平收斂變形較大的測點范圍為30～120環，既除基坑下方的盾構圓環外，基坑兩側各20環范圍內同樣會發生一定的收斂變形，只是收斂變形量有所減小。開挖結束后，隧道的水平收斂變形并無太大變化，基坑施工完成后隧道收斂變形的最大值為7 mm。

圖18為特定測點收斂變形隨施工進度的變化曲線，從圖中可以發現，攪拌樁施工結束后，所有測點均發生了一定的收斂變形，且越靠近基坑中心，隧道圓環的收斂變形越大。如左線隧道一樣，在鉆孔灌注樁及基坑開挖施工階段，隧道的收斂變形略有減小，但變化不大。

圖17 右線隧道收斂變形曲線Fig.17 Convergence deformation curve of the right tunnel

圖18 收斂變形隨時間的變化曲線（右線）Fig.18 Development of convergence deformation of the right tunnel

5 結論

文章詳細介紹了金沙湖綠軸下沉廣場上跨杭州地鐵1號線基坑施工時的隧道變形控制措施，并對監測數據進行分析，分析了施工過程中的隧道隆起及收斂變形，得到如下結論：

1）上跨地鐵隧道的基坑施工時，對基坑下方土體進行“門”式三軸攪拌樁加固，坑底設置抗拔樁，對隧道結構進行“米”字形支撐加固，采用分區對稱開挖方式進行施工，能有效控制下臥隧道的隆起變形和收斂變形，施工過程中左線隧道的豎向位移變化范圍為-4.5～5.5 mm，右線豎向位移的變化范圍為-7.5～7.7 mm，施工結束后，左右線隧道的最終最大豎向位移分別為5.5 mm和7.7 mm，均表現為隆起變形，且左右線隧道的隆起變形均能滿足規范給定的豎向位移要求。

2）攪拌樁施工時隧道發生沉降變形，且隧道的最大沉降變形量與攪拌樁施工控制有關，攪拌樁施工結束后，左右線隧道的最大沉降量分別為-4.5 mm和-7.5 mm，鉆孔灌注樁距離隧道較遠，施工時對隧道的豎向位移影響不大，基坑開挖開始后，隧道豎向位移快速增加，并由隧道沉降逐漸轉變為隆起，開挖引起的左右線隧道豎向位移分別為6.3 mm和8 mm，右線略大于左線，這與基坑開挖結束后左右線隧道的上覆土厚度有關。

3）淺層土體開挖引起的隧道豎向位移明顯小于深層土體開挖，開挖過程中隧道的隆起變形影響范圍為基坑兩側20環以內，且在兩側20環以外，隧道會出現反向的沉降變形，基坑開挖引起的隧道隆起變形曲線基本關于基坑中線左右對稱。

4）由于加固后上方土體容重和剛度的增加，加之，施工中攪拌壓力的作用，攪拌樁施工過程中隧道發生水平直徑增大豎向減小的“橫鴨蛋”式收斂變形，左右線隧道的最大水平收斂變形分別為6 mm和7 mm。與隧道的豎向位移不同，隧道收斂在后續施工過程中的變化不大，水平收斂變形只略有減小，即鉆孔樁與基坑開挖階段隧道的收斂變形并無太大變化，說明隧道橫斷面一旦在外部擾動作用下發生收斂變形，將很難再在外力作用下發生逆向的收斂變形，治理起來將會非常困難，這已在此類的治理案例中得到了驗證[13-15]。

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Measurement analyses on the deformation of shield tunnels due to excavation-induced unloading

YANG Longcai，GUO Pengfei，YU Zheng
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092）

To safely excavate a pit over the existing tunnel,it is of great importance to control the deformation of the downside tunnel during the excavation construction process.Measuring analysis method is used in this paper to introduce in detail about the deformation control measures of the lying tunnel in the process of pit excavation. The measures mentioned above include mixing piles strenthening before excavation,setting anti-floating plies and setting ‘star shape’support inside the tunnel.Conclusions have been drawn from the analysis of the deformation mechanism of the lying tunnel during pit excavation process：the cement mixing process will cause slight settlement of the tunnel;pit excavation will lead to whole-slab lifting and convergence of the tunnel itself;the cement lifting method and the anti-floating piles can effectively control the uplifting deformation during the tunnel construction process,while the asterisk support inside the tunnel have a strong effort on minimizing the convergence deformation of the tunnel;the construction of mixing piles will cause ‘oval shaped’of deformation of the tunnel,while the pit excavation afterwards has little influence on the deformation.

pit excavation,underling tunnel,uplift deformation,convergence deformation

TU470

A

1005-0523（2017）02-0020-09

（責任編輯 王建華）

2016－09－29

國家自然科學基金項目（51478353，41472247）

郭鵬飛（1987—），男，博士研究生，主要從事地基處理及基坑方面的研究工作。