基坑開挖對緊鄰下臥地鐵隧道變形的影響與控制研究

吳劍秋 孫 旻 蔡慶軍 杜佐龍 王朝龍

1.中國建筑第八工程局有限公司 上海 200135；2.中國建筑第八工程局有限公司華南分公司 廣東 廣州 510663

隨著城市地下空間的大規模開發和軌道交通網絡的不斷完善，已建地鐵隧道與新建地下工程之間的沖突日益突出，在運營地鐵隧道上方進行的基坑工程不斷出現。

已建隧道上方基坑開挖，必然破壞原有土體應力平衡，引起坑內土體回彈，造成隧道發生較大位移和變形。隧道變形過大，輕則引起接縫漏水、管片開裂，重則導致地鐵無法安全運營，所以對已運營地鐵隧道的變形控制要求極為嚴格，隧道變形的控制好壞決定著工程的成敗。因此準確預測和有效控制地鐵隧道的變形已經成為此類工程成功的關鍵。

近年來，眾多學者對地鐵上方基坑工程施工引起的隧道變形及相應的控制措施進行了大量的研究和實踐工作。陳仁朋等[1]研究了大型地下通道開挖對下臥地鐵隧道上浮的影響，研究表明，下臥地鐵隧道的上浮變形與卸載率近似呈線性關系；郭鵬飛等[2]對國內39例上跨隧道基坑工程進行了分類總結，分析了隧道最大隆起變形與基坑開挖深度、卸荷比和基坑開挖面積等因素的關系，并給出了隧道最大隆起變形的預測模型；鄭剛等[3]對緊鄰地鐵上方基坑工程的施工過程進行了動態數值模擬，分析了隧道兩側土體加固、澆筑底板與抗浮樁形成“保護箍”及堆載等措施對地鐵隧道的影響及其有效性；溫鎖林[4]、李健津等[5]對緊鄰地鐵上方基坑開挖的保護措施進行了數值模擬研究。

本文在綜合前人研究的基礎上，以深圳機場衛星廳中區基坑工程為背景，采用Plaxis 3D有限元軟件對衛星廳基坑開挖的動態施工過程進行了模擬[6-8]。在此基礎上，研究了不同開挖方案對下臥地鐵隧道變形的影響，對比分析了轉換板和轉換梁2種措施對緊鄰下臥地鐵隧道上浮變形的控制效果。

1 工程概況

深圳機場衛星廳位于已建深圳機場T3航站樓及待建深圳機場T4航站樓之間，建筑面積238 900 m2，分為西北指廊、西南指廊、東北指廊、東南指廊和中央指廊5塊區域。深圳機場衛星廳中區基坑工程是深圳機場衛星廳及其配套工程的一部分，位于機場衛星廳中央指廊中段。中區基坑工程包括中央指廊基坑及其兩側與機場捷運（APM）和行李通道連接區間基坑。工程所處地質自上而下依次為：素填土、淤泥質粉質黏土、砂質黏性土、全風化巖、強風化巖、中風化巖和微風化巖。工程所在處地下水較為豐富。

衛星廳中央指廊基坑底板與地鐵隧道頂板最短距離不足0.3 m。為控制下臥地鐵隧道上浮變形，擬施做轉換板或轉換梁結構。衛星廳及中區基坑平面布置如圖1所示。衛星廳中區基坑與地鐵隧道的位置關系平面如圖2所示。明挖地鐵隧道斷面如圖3所示。

圖1 衛星廳及中區基坑平面布置

圖3 明挖地鐵隧道斷面

1.1 基坑開挖方案

基坑開挖階段，充分利用基坑開挖“空間效應”可有效控制坑底土體的隆起變形和下臥隧道上浮變形，即應減小隧道上方土體卸載量。因此，中區基坑施工采用分層分塊開挖。具體開挖方案如下：首先，基坑整體向下放坡開挖2 m，施工降水井、轉換板（梁）下嵌巖樁及攪拌樁止水帷幕；然后，分段開挖地鐵11號線上方留土。參考以往工程經驗，提出3種分段開挖方案：

1）方案一：從中間向兩端開挖。從基坑中間向兩端開挖，轉換板分24段12組施工，分段寬度約6.0 m，基坑土體開挖順序按照①—12編號進行，底板按①—12順序分段施工，澆筑混凝土底板，形成抗浮板體系。方案一基坑開挖順序如圖4所示。

圖4 分段開挖方案一橫截面

2）方案二：從兩端向中間開挖。從基坑兩端向中間開挖，轉換板分24段12組施工，分段寬度為6 m左右。基坑土體開挖順序按照①—12編號進行，底板按①—12順序分段施工。方案二基坑開挖順序如圖5所示。

圖5 分段開挖方案二橫截面

3）方案三：跳倉開挖。將基坑隔塊開挖，轉換板分24段4組施工，分段寬度為6 m左右。基坑土體開挖順序按照①—④組編號進行，底板按①—④組編號分段施工。方案三基坑開挖順序如圖6所示。

圖6 分段開挖方案三橫截面

1.2 地鐵保護方案

為控制基坑開挖引起的下臥地鐵隧道上浮變形，提出在基坑底部設置轉換板或轉換梁的方案。

1）轉換板方案。中區轉換板及北端APM區間轉換板為兩跨板式結構（跨度12.5 m），南端轉換板為單跨板式結構（跨度25.0 m）。板厚為1.6 m，局部1.2、2.0 m。轉換板下方布置3排樁基（南端APM區間布置2排樁基）。樁基沿隧道縱向布置，間距約6 m，樁長38 m，嵌入微風化巖中不少于0.5 m。兩側樁基樁徑為1.5 m，中間樁基樁徑為1.2 m。所有樁基均采用鉆孔灌注樁。轉換板結構平面如圖7所示。

圖7 轉換板結構平面

2）轉換梁方案。轉換梁為兩跨結構（跨度12.5 m），采用梁式結構。橫梁寬2.5 m、厚2.0 m（局部寬3.6 m、厚2.0 m），縱梁寬1.8 m、厚2.0 m。樁基的布置形式與轉換板結構相同，也采用鉆孔灌注樁施工。轉換梁結構平面如圖8所示。

圖8 轉換梁結構平面

2 基坑開挖對下臥地鐵隧道變形的影響分析

2.1 幾何模型建立

本文采用Plaxis 3D軟件對既有地鐵隧道上方的基坑開挖施工過程進行動態模擬。計算模型尺寸取為400 m×300 m×80 m，模型中基坑底部開挖范圍為144 m×30 m，基坑開挖深度為7.5 m，基坑放坡系數取實際值1∶3。模型中土層利用實體單元，采用土體硬化模型（HS模型）。明挖隧道結構采用plate單元進行模擬，板單元截面尺寸與實際尺寸相同。為分析不同基坑開挖方案對下臥地鐵隧道變形的影響，本節計算模型未考慮地鐵保護措施，根據3種不同開挖方案建立3個基坑模型。基坑整體有限元模型如圖9所示。

圖9 基坑整體有限元模型

2.2 材料參數確定

根據地質勘查報告提供的試驗成果，結合工程實踐經驗，計算模型的主要土層物理力學參數如表1所示。隧道結構的彈性模量為33 500 MPa，重度為25 kN/m3，泊松比為0.2。計算中假設地下水位線為地表面。

2.3 計算工況

為分析基坑開挖對下臥隧道變形的影響，根據不同基坑開挖方案，分別建立3種計算工況，如表2所示。

2.4 計算結果分析

由數值分析結果可知，工況1隧道結構最大豎向（隆起）位移為7.78 mm，最大側向位移為3.61 mm；工況2隧道結構最大豎向位移為7.79 mm，最大側向位移為3.52 mm；工況3隧道結構最大豎向位移為7.69 mm，最大側向位移為3.40 mm。不同工況隧道豎向位移隨基坑卸載率的變化曲線如圖10所示。對比3種開挖方案，跳倉法施工的隧道最終豎向隆起最小，且施工過程中基坑卸載造成的隧道隆起明顯小于其他方案。圖11～圖13為3種工況各施工步左右兩側隧道的最大位移。從圖中可以發現，跳倉法施工造成的兩側隧道差異沉降（隆起）最小。

表1 主要土層物理力學參數

表2 基坑開挖計算工況

圖10 不同工況隧道豎向位移隨基坑卸載率的變化曲線

圖11 工況1各施工步左右兩側隧道豎向位移

圖12 工況2各施工步左右 兩側隧道豎向位移

圖13 工況3各施工步左右兩側隧道豎向位移

3 基坑開挖對下臥地鐵隧道變形的控制分析

3.1 有限元模型建立

為對比分析轉換板和轉換梁2類不同結構對下臥地鐵隧道變形的控制效果，在方案一模型的基礎上，分別增加轉換板結構和轉換梁結構模型。其中，轉換板采用plate單元模擬，轉換梁采用beam單元模擬，鉆孔灌注樁采用embedded beam單元模擬，轉換板和轉換梁結構模型尺寸參照實際工程。轉換板和轉換梁結構模型如圖14和圖15所示。轉換板和轉換梁均采用C20混凝土。梁板結構彈性模量為25 500 MPa，重度為24.5 kN/m3，泊松比為0.2；鉆孔灌注樁彈性模量為30 000 MPa，重度為24.5 kN/m3，泊松比為0.2，樁端反力為10 000 kN。

圖14 轉換板結構模型

圖15 轉換梁結構模型

3.2 計算工況

為分析基坑開挖過程中轉換板和轉換梁結構對下臥隧道變形的控制效果，分別建立2種計算工況，如表3所示。

表3 計算工況

3.3 計算結果分析

由數值分析結果可知：施做保護結構后，工況4隧道結構最大豎向（隆起）位移為6.54 mm，最大側向位移為3.50 mm；工況5隧道結構最大豎向位移為6.88 mm，最大側向位移為3.42 mm。不同工況隧道豎向位移隨施工步的變化曲線如圖16所示。

圖16 不同工況隧道豎向位移隨施工步的變化曲線

對比有無保護結構的計算結果發現，轉換梁和轉換板結構可有效減小隧道隆起；對比轉換板和轉換梁，由于轉換板結構自重對下臥隧道隆起的抑制作用，故施做轉換板結構的隧道隆起更小。此外，在轉換梁結構施工中，梁分段澆筑，節點較多，鋼筋綁扎及混凝土澆筑的難度大，不利于分段分層施工。同時，轉換梁施工速度慢，基坑暴露時間長，不利于控制地鐵隧道回彈。因此，綜合考慮隧道變形控制效果和施工便利性，轉換板方案在施工質量保證、施工速度和安全性等方面更具有優勢，在實際施工中推薦采用。

4 結語

通過深圳機場衛星廳基坑開挖卸載對下臥地鐵隧道影響與控制的數值分析，可得到以下結論：

1）基坑開挖對其下部的地鐵隧道有明顯的影響。基坑開挖卸荷使土體發生變位，帶動土體中的隧道產生位移，由于隧道相對土層的剛度較大，故隧道的變形以剛體變位為主，且體現為豎向上抬。

2）計算表明，“分層分塊”和對稱開挖能將基坑開挖引起的地鐵隧道變形控制在允許范圍內，但施工中仍應加強隧道結構變形的監測。對照3種不同開挖方案，跳倉開挖引起的隧道最終隆起變形和兩側隧道差異沉降最小，實際施工時應優先考慮。

3）根據計算結果，在基坑開挖施工中，施做轉換梁或轉換板結構可有效減小地鐵隧道隆起變形。對比分析2種結構，轉換板在控制效果、施工便利性和施工速度方面更具優勢。