地鐵深基坑開挖對下部既有公路隧道的影響分析

孟小偉

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司,昆明　650200)

隨著城市軌道交通的快速發展，擬建軌道交通工程不可避免與周邊既有建構物發生相互影響關系，軌道交通深基坑工程騎跨、緊鄰、下穿既有隧道結構的情況越來越多，而騎跨于正在運營公路隧道的基坑工程，由于基坑的開挖卸載會引起坑內巖土體的回彈，進而導致隧道的上抬變形[1-2]，如何準確分析預測隧道襯砌變形、并制定及時有效的治理隧道上抬變形方案成為巖土工程近些年來亟需解決的問題[3-4]。

近些年來，大量學者專家從定性及定量角度研究了基坑開挖施工對既有隧道安全性的影響，文獻[5]提出小變形情況下隧道與土層位移一致理論；文獻[6]得出坑內加固及基坑時空效應控制基坑下隧道隆起變形結論；文獻[7]利用Null空間模型研究巖質基坑開挖對隧道襯砌變形的規律；張麗娟等[8]對比研究抗拔樁、坑底加固及開挖方式對降低隧道隆起變形的影響。

本文依托昆明地鐵3號線西山公園站深基坑施工對下方既有公路隧道的工程，結合現場監測通過二維有限元分析，研究深基坑工程下的運營公路隧道的變形和控制方法，為以后同類工程的設計、施工提供了十分寶貴的資料，有很大的理論與實踐意義。

1　工程概況

西山公園站是昆明地鐵3號線西延線的起點站，車站為地下兩層島式站臺車站，車站北臨昆瑞公路，南靠裸露的西山高邊坡(邊坡坡高為20～30 m，近直立)，上跨昆楚高速公路碧雞關隧道，隧道頂板距車站底板距離分別為9.48 m和8.84 m。見圖1、圖2。

圖1　車站總平面示意

圖2　地鐵車站基坑與碧雞關隧道剖面關系(單位：m)

車站深基坑開挖形狀接近長方形，長約252 m，寬約25 m，最大開挖深度為18.5 m，根據周邊環境的復雜程度及地鐵的保護要求，結合工程地質條件，在保證緊鄰高邊坡下深基坑安全前提下最大限度減少深基坑開挖對下方公路隧道產生的影響，針對深基坑采取如下技術措施。

(1)在車站深基坑施工前對南側西山邊坡采用錨索框架梁進行永久邊坡治理。

(2)車站深基坑南側采用抗滑樁支護，其余各邊采用土釘墻支護，邊坡坡率為1∶0.5。

(3)基坑開挖前隧道周邊巖土體進行注漿加固，以提高隧道上部及周邊巖土體的變形模量和抗剪強度指標，增加其抵抗變形的能力，以減少隧道結構的隆起變形。注漿加固方案：①豎向-隧道范圍內豎向加固至隧道頂3 m處，隧道兩側加固至隧道底下1 m處；②水平-注漿加固寬度為隧道兩側各取1.0倍洞徑范圍；③注漿采用地面袖閥管注漿。注漿采用單雙液結合，注漿孔間距1.5 m×1.5 m，水灰比(1∶0.8)～(1∶1)，水玻璃濃度為30～40 Be′，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

基坑開挖范圍內主要土層為：(1-2)人工填土，(16-1)全風化玄武巖，(16-2)強風化玄武巖，(16-3)中風化玄武巖。

2　數值模型及施工工況

采用Midas/GTS進行二維數值分析，模擬基坑開挖過程中近鄰公路隧道結構內力和位移的變化情況，重點對比分析不加固及加固措施情況下隧道二次襯砌結構變形和受力的影響。

目前尚缺少地鐵隧道上跨高速公路隧道沉降控制統一標準[9]，本文控制標準參照地鐵隧道保護條例[10]：累計變形控制值為20 mm，隧道變形曲線的曲率半徑必須大于15 000 m，相對彎曲不大于1/2 500；同時針對主要影響因素，并以此為基礎研究基坑開挖對既有隧道結構的影響，假定如下[11-15]。

(1)同一土層是均質連續、各項同性，巖土層采用莫爾-庫倫彈塑性模型，隧道初期支護和二次襯砌、邊坡支護及基坑支護結構采用線彈性模型。

(2)既有隧道初期支護和二次襯砌均采用梁單元計算，土釘采用植入式桁架單元模擬。

(3)隧道開挖、初期支護和二次襯砌三階段應力釋放率分別為20%、20%和60%；不考慮錨桿等的作用，將其作為對隧道圍巖擾動的補償。

2.1　計算參數(表1)

表1　地層及支護結構物理力學參數

注：全風化加固層參數取為原土層彈性模量的2.0倍，黏聚力的1.5倍；強風化加固層參數取為原土層彈性模量的1.5倍，其余參數不變。

2.2　計算工況

施工模擬主要流程為：(1)計算場地初始地應力場；(2)隧道開挖(應力釋放20%)；(3)施做初期支護(應力釋放20%)；(4)施做二次襯砌(應力釋放60%)；(5)自上至下分層分塊對稱開挖基坑土體，基坑土體共分為6層，每層開挖深度分別為2.15、2.15、2.86、3.04、3.04、2.46 m，每層分為8塊(左右兩層對稱開挖)，每塊長度不超過30 m。如圖3所示。

圖3　基坑分層分塊開挖順序

2.3　計算模型及計算結果

2.3.1計算模型

模型范圍取水平方向236.5 m，模型底部取至隧道底以下48 m。平面有限元計算整體網格見圖4。計算模型的邊界條件為：模型底部為Y方向約束，兩側為X方向約束。

圖4　模型網格

2.3.2未加固計算結果及分析(圖5～圖10)

圖5　基坑開挖結束后豎向位移云圖

圖6　基坑開挖前(左)后(右)左線的軸力云圖

圖7　基坑開挖前(左)后(右)左線的彎矩云圖

圖8　基坑開挖前(左)后(右)右線的軸力云圖

圖9　基坑開挖前(左)后(右)右線的彎矩云圖

圖10　隧道位移變化示意

由計算結果可知。

(1)基坑開挖卸載導致隧道襯砌受力狀態發生明顯變化。基坑開挖前后，左線隧道襯砌結構軸力降低82.8%，彎矩降低76.3%，右線隧道襯砌結構軸力降低88.8%，彎矩降低86.0%。

(2)從隧道結構內力和變形分布看，右線隧道圍巖分布對稱，其內力和變形分布呈現對稱分布；左線隧道左右側圍巖相差較大，故其內力和變形分布極不均勻對稱。

(3)基坑開挖卸荷引起隧道結構的變形以豎向隆起變形為主。左線隧道最大豎向位移為18.0 mm，右線隧道最大豎向位移為19.6 mm。右線隧道隆起變形值已接近隧道位移控制值。

2.3.3加固后計算結果

考慮地層加固下的計算模型、計算假定和基本計算參數同前，區別僅在于本工況考慮了隧道上方及周邊一定范圍內進行注漿加固。

圖11中紅線范圍即為模擬注漿加固范圍。注漿加固深度從全風化層底開始至強風化層，在距離隧道頂部3 m處結束，若遇到中風化層，則不需加固，另外，在隧道兩側注漿深入至中風化玄武巖頂；注漿加固寬度為隧道兩側各取1.0倍洞徑范圍，即加固寬度48 m，深27 m。加固后計算結果見圖12～圖17。

圖11　隧道注漿加固范圍

圖12　開挖結束后豎向位移

圖13　基坑開挖前(左)后(右)左線的軸力云圖

圖14　基坑開挖前(左)后(右)左線的彎矩云圖

圖15　基坑開挖前(左)后(右)右線的軸力云圖

圖16　基坑開挖前(左)后(右)右線的彎矩云圖

圖17　隧道位移變化

由計算結果可知。

(1)地層加固條件下，基坑開挖前后，左線隧道襯砌結構軸力降低76.6%，彎矩降低69.5%，右線隧道襯砌結構軸力降低82.8%，彎矩降低78%。

(2)基坑開挖卸荷引起隧道結構的隆起變形，在基坑開挖結束后襯砌位移達到最大。左線隧道最大豎向位移為14.8 mm，右線隧道最大豎向位移為15.9 mm，其值均在隧道位移控制值之內。

隧道加固前與加固后及監測值對比分析見圖18～圖20。

(1)地層加固后，隧道襯砌結構隆起變形量明顯減少。較未加固情況，加固條件后左、右線隧道襯砌的最大隆起變形量分別減少了3.2 mm和3.7 mm，降幅約為18%。

(2)地層加固后，隧道內力襯砌結構內力有所降低，但隨著開挖加深后，隧道加固前后內力變化趨于一致。較未加固情況，加固條件后左線隧道襯砌的軸力和彎矩分別降幅約為11.2%、8.7%。右線隧道襯砌的軸力和彎矩分別降幅約為15.3%、14.5%。

圖20　隧道彎矩變化曲線

(3)監測數據與數值模擬結果變化趨勢一致，整體規律較為吻合，均滿足隧道變形控制要求。但數值模擬結果整體大于實測監測值。

3　結論與建議

(1)不考慮地層加固工況，通過二維動態數值模擬計算表明：在基坑開挖引起隧道結構的隆起變形量已接近隧道結構對變形控制的要求。

(2)計算及監測數據表明：對隧道周邊巖土體進行注漿加固結合基坑開挖空間效應等措施，相對未加固工況，位移降幅約為18%，軸力最大降幅約為15.3%，彎矩最大降幅為14.5%。

(3)由于地質差異以及基坑開挖卸荷過程導致的偏壓效應，使得隧道結構的內力分布不對稱，基坑開挖引起左線隧道的偏壓效應較右線隧道明顯。

(4)數值模擬結果略大于實際監測結果，但二者變化趨勢一致，主要因為數值模擬過程中，尚未考慮巖體地應力、結構面、地下水等不利因素。

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