基坑施工引起下方既有隧道隆起控制措施參數的影響分析

張萬照 董天軍 胡志敏 卜康正 張龍云

(1 中鐵南方投資集團有限公司；2 廣州大學土木工程學院)

隨著城市快速建設，在地鐵保護區隧道上方的基坑工程項目數量大幅度增加。因此，研究地鐵隧道上方的基坑工程相關課題有著十分重要的實用價值。

劉國彬等[1，2]考慮基坑開挖后土體殘余應力的影響，計算得到基坑卸載影響范圍內土體的隆起量，并將其視為隧道隆起量；吉茂杰[3]考慮了基坑開挖時空效應的影響，在前者基礎上計算得到更符合實際工程的隧道隆起量。但兩者均未考慮隧道剛度的影響，計算得到隧道隆起量與現實仍有較大偏差。

鑒于此，A t t e w el l 等[4]將地下隧道管線視為W ink l er 地基梁，計算分析了基坑開挖對下臥管線的影響。T a k agi 等[5]將A t t e w el l 法運用于W in k l er 地基梁，計算得到基坑開挖引起地下隧道管道隆起量。該簡化計算結果雖與實測值相差較小，但仍忽略了基坑降水等因素的影響，基坑開挖引起地下隧道管道位移的計算方法還需深入探究。

By un GW 等[6]通過試驗的手段，研究了基坑卸荷對下方既有地鐵隧道結構變形特點和規律；梁發云等[7]通過離心實驗對比分析了開挖大基坑與分塊開挖小基坑引起地鐵隧道位移與內力的變化。

孔令榮等[8]整合并分析了前人基坑卸載引起相鄰隧道監測結果。分析發現，若隧道中軸線在坑底以上，隧道橫向位移較大，特別是當隧道中軸線與基坑側壁相距在4m 范圍以內時，隧道橫向位移會隨著距離的縮小而大幅度增加。

黃兆緯等[9]利用有限元軟件，研究了地基加固、分塊開挖等控制措施的作用效果。研究結果說明，在這幾種控制隧道隆起的措施中，地基加固效果最明顯。

可見，在目前的工程建設和學術探討中，隧道上方開挖對地鐵隆起的影響一直是巖土工程行業中研究的重點。小豎井工法在深圳前海地下開發工程中，第一次成功應用于控制隧道隆起。本文依托工程實例，通過數值模擬的手段，對小豎井工法的豎井寬度、加固形式、加固深度等參數進行優化設計，以期為地鐵保護區基坑的設計與施工提供借鑒。

1 工程概況

深圳市前海地區位于沿海區域，軟土層深厚，地質條件復雜，近來建設開發強度高，因此已建工程極易受損。本文依托深圳市前海地下公路隧道工程，已建地鐵5、11 號線在其下方，地下公路隧道基坑采用明挖施工，坑底離地鐵11 號線隧道最近處為3.3m。原方案運用分層分塊開挖基坑，造成下方隧道隆起超過警戒值。后來首次運用小豎井工法開挖基坑，極大地減小了下臥隧道隆起，確保了隧道結構安全。

豎井平面為矩形，豎井深度為6～12m，對于深度較大的豎井建設兩道中隔墻作支持，豎井平面布置見圖1所示。

小豎井主體結構包括頂部鎖口圈結構、井身圍護結構、底部抗浮板，小豎井剖面如圖2 所示。

圖1 豎井平面布置圖

圖2 小豎井剖面圖

2 橫向寬度變化的影響

利用Midas/gt s 有限元軟件對該工程項目進行模擬，土層參數數值取勘察報告中數值的平均值，具體如表1 所示。

整體模型橫向寬為210m，縱向長為160m，高度為35m。基坑坑底橫向寬為34m，縱向長為77m，兩側深度為10.4m，中部深度為7.5m，四周按1:1.5 放坡。每個小豎井橫向寬為15m，縱向長為5.5m，井深為10.4m，坑底與地鐵隧道中軸線距離為是7m，地鐵隧道管片外直徑為6m，厚度為0.3m。

其中，抗拔樁、鎖口圈梁、豎井圍護結構、底板等結構采用彈性本構模型，重度大小均取23.5k N/m3，彈性模量大小均取3×104M P a，泊松比均取0.22。地鐵隧道管片重度大小取24.5 k N/m3，彈性模量大小取3.45×104M P a，泊松比大小取0.22。

改變豎井橫向寬度，得到豎井橫向寬變化對隧道隆起變形影響的計算結果如圖3 所示。

圖3 豎井橫向寬變化對隧道隆起變形影響

由圖3 可知，隧道隆起最大值出現在基坑中點，豎井橫向寬度變化對下方既有地鐵隧道隆起的影響范圍始終為0.8 倍的基坑縱向長度。在相同的卸土量和施工條件下，當豎井橫向寬度大于11.5m 之后，隧道隆起量劇增，所以綜合考慮經濟與豎井橫向寬度變化的計算結果，小豎井最佳橫向寬度應在8.5～11.5m 之間為宜。

3 坑底加固方式變化的影響

按照圖4 改變坑底土體加固方式，得到坑底加固方式變化對隧道隆起變形影響的計算結果，如圖5 所示。

圖4 不同坑底加固方式

表1 巖土體參數

圖5 坑底加固方式變化對隧道隆起變形影響

由圖5 可知，3 種坑底加固方式下隧道最大隆起量為23.8mm、20.5mm、19.8mm，比不作坑底加固時隧道隆起量降低了15.7%，25.9%，27.8%，加固方式2 和3 的隧道隆起減少量接近。所以綜合考慮經濟與坑底加固方式變化的計算結果，應采用坑底加固方案2，即抽條加固，每條加固區域深4m，橫向寬2.75m，兩加固區域之間縱向相隔5.5m。

4 坑底加固深度的影響

在坑底全加固方式的基礎上，改變坑底加固深度，得到坑底加固深度變化對隧道隆起變形影響的計算結果，如圖6 所示。

圖6 坑底加固深度變化對隧道隆起變形影響

由圖6 可知，在坑底全加固深度大于2m 以后，坑底全加固對隧道隆起變形的減少量大幅度減小，曲線趨于穩定，所以綜合考慮工期與坑底加固深度變化的計算結果，坑底加固深度應為2m。結合圖5 可得，坑底加固應采取抽條加固，每條加固區域深2m，橫向寬2.75m，兩加固區域之間縱向相隔5.5m。

5 結論

本文通過數值模擬的方法，分析了豎井橫向寬度變化、坑地土體加固方式與加固深度變化對下方既有地鐵隧道隆起的影響，分析結果表明：

⑴隧道隆起最大值出現在基坑中點，豎井橫向寬度變化對下方既有地鐵隧道隆起的影響范圍始終為0.8倍的基坑縱向長度。在相同的卸土量和施工條件下，當豎井橫向寬度大于11.5m 之后，隧道隆起量劇增，所以小豎井最佳橫向寬度應在8.5～11.5m 之間為宜。

⑵3 種坑底加固方式下隧道最大隆起量，比不作坑底加固時隧道隆起量降低了15.7%，25.9%，27.8%，加固方式2 和3 的隧道隆起減少量接近；在坑底全加固深度大于2m 以后，坑底全加固對隧道隆起變形的減少量大幅度減小，曲線趨于穩定。所以綜合考慮經濟與坑底加固方式、坑底加固深度變化的計算結果，坑底加固應采取抽條加固，每條加固區域深2m，橫向寬2.75m，兩加固區域之間縱向相隔5.5m。●