淺埋段地鐵隧道正上方基坑施工對隧道變形的影響

趙鶴泉 梁昊慶 錢煒駿

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

目前，地下空間開發與施工的研究主要集中于緊鄰地鐵隧道或車站的工程，而未來越來越多的項目開發將涉及地鐵隧道正上方區域的施工與保護[1-4]。本文基于某實際工程的地鐵隧道上方基坑開挖及底板施工過程的記錄與地鐵變形結果的分析，研究基坑暴露時間對隧道上方加固區域的變形影響，以及基坑施工方案的優化。通過建立數值模型分析變形趨勢并與實時監測數據進行對比，驗證了模型數值分析的正確性與施工方案的優化效果。

1 施工時間及分塊對隧道的影響

1.1 工程概況

某大型商業綜合體項目位于上海市中心城區，周邊環境極為復雜。北側有眾多商業辦公樓及居民住宅區，南側包括超高層建筑、受保護的學校及居民區等。此外，對施工制約最大的還有南側的市政核心道路以及緊密相關的2條地鐵線路。其中東側為某地鐵線路車站，與基坑東側共用基坑地下連續墻，北側的另一地鐵區間隧道橫臥于施工場地下方，基底距隧道正上方約5 m。在地鐵隧道正上方進行開挖施工，會對地鐵結構造成諸多影響，比如：基坑卸土造成土體應力減小而產生變形對隧道結構的影響、樁頭破除時的振動對土體結構的擾動等。基于安全考慮，此區域施工必須嚴格按照地鐵管理方的要求，在每日地鐵停運后開始施工，并需要在次日地鐵運營前完成開挖區塊的底板混凝土澆筑。該區域的底板共分為165塊，基坑地板分區如圖1所示。

圖1 基坑開挖分塊平面示意

1.2 施工時間的影響分析

對區間隧道而言，基坑施工影響最大的便是卸載的工況，盡管該施工區域已完成門式滿堂加固，但仍會造成隧道整體的垂直位移以及管片的徑向收斂變形。基于以上分析，此區域基坑最后一皮土方與底板施工于23時開始開挖。開挖方案為每次施工上行線或下行線隧道上方的3 m×17 m單塊底板，并在此范圍東西兩側留置一定的加固土坡。

盡管主要的卸載過程為挖土，但直至混凝土澆筑完成之前，僅有預制的底板鋼筋籠有一定的壓重作用，因此開挖至澆筑混凝土完畢前均認為是卸載影響時段。

另一方面，每個施工日（按照地鐵管理方要求，原則上每周的施工窗口期僅為3 d）前后2次的地鐵監測報表需悉數匯總。數據從監測方法上分為“人工監測”與“自動化監測”，變形數據重點關注點主要為“管徑收斂”與“垂直位移”。

人工監測報告的頻率一般為一周3次，同一個點的累計變化量可能未能準確表達施工當日的影響。而自動化監測則是每日更新，可以更直觀地看到當日的變化情況。自動化的監測頻率高，可以準確分析出施工當日前后的變化。但是根據數據分析結果（圖2），自動化監測大多數觀測數據均為0，可認為短時間的影響較小，故認為此類變形數據監測可以人工監測為主。

圖2 施工時間對管徑收斂的影響（自動化監測數據）

將施工時間按照升序排列后，將其與垂直位移與管徑收斂數據進行比較，比較結果如圖3～圖5所示。

圖3 人工監測下施工時間對垂直位移的影響

圖4 自動化監測下施工時間對垂直位移的影響

圖5 人工監測下施工時間對管徑收斂的影響

對圖3～圖5進行分析可知，首先，盡管人工監測數據出現了部分下沉的情況，但幾乎絕大部分數據都反映了隧道結構上浮的結果。并且施工時間與上浮程度呈正相關，這一點在自動化監測結果中更得到了清晰的顯現。

雖然每次施工對于結構垂直位移的影響只有0.5 mm左右，但施工時間確實是地鐵區間隧道變形的主要影響因素。出于保護地鐵結構安全的原則，應該合理調整施工的搭接并提高工作效率以減少基坑暴露時間和地鐵區間隧道周邊土體卸載時間。

從圖5中，還可以看到，大部分的管徑收斂數據為負數，代表著基坑開挖施工導致的隧道上方空間卸載會引起隧道管片的左右徑向收縮，呈橢圓狀。因此出于對地鐵保護的考慮，需要加固隧道兩側的土體強度。

1.3 施工方案的比對

由于本工程本身的工期壓力比較緊張，而且地鐵管理單位也同樣提出了較高的施工工期要求。因此項目部提出之前并未開展過的施工安排，即從原來的僅施工上行線或下行線隧道上方的單塊底板，改為同時施工上下行線隧道上方的兩塊底板。從時間上來說，由于鋼筋籠都是提前預制，相較原施工方案的區別僅為土方開挖時間，而經過施工搭接磨合后，現場施工團隊也已可以做到較好的施工同步性。因此，重點考慮因素為開挖范圍擴大是否會導致區間隧道周圍土體變形增大。實際情況如圖6～圖8所示。

圖6 人工監測下施工時間對管徑收斂的影響

圖7 人工監測下施工時間對垂直位移的影響

圖8 自動化監測下施工時間對垂直位移的影響

從圖6、圖8可以看出，新施工方案變形影響略有增大，但圖8中的垂直位移變形兩者區別較小，采用新方案之后，暴露時間確實略有增加，綜合來看，盡管開挖的區域變大，但是整個窗口期（地鐵停運期間）的卸載時間卻并沒有較為明顯的增加，而且同步施工的另一好處就是可以保證上、下行線垂直方向微小位移的同步性，不會超過設計允許的差異位移要求。

綜上所述，優化施工后的“上、下行線同步開挖”方案，與原方案對地鐵造成的變形影響較為一致，且能較早地完成施工，以及合理地安排夜間施工的人、機、物料組織，是一個可以借鑒的新型地鐵隧道上方基坑施工的方案。

2 基坑-隧道相互作用數值模擬計算

通過有限元分析，建立和施工情況相近的數值模型。分別模擬基坑原始情況與開挖施工后的卸載工況。如圖9、圖10所示。通過模擬該工況下的地下空間變形情況，可看到地下加固區域的變形趨勢及隧道結構自身的變形趨勢。由于模型均參照實際工況以及地下土的門式加固情況，因此該模擬下的數值變化對于實際施工具有指導意義。

圖9 基坑（加固）數值模型

圖10 基坑開挖數值模型

而針對隧道本身，同樣也模擬了其施工狀態前后的變形區別，如圖11、圖12所示。從結果上來說，斜橢圓的變形模式可能是基坑中間到兩側隆起量不同所造成的。

圖11 開挖前的隧道形態

圖12 開挖后的隧道形態

3 基坑-隧道相互作用數值模型驗證

通過以上施工監測數據分析，基坑施工時區間隧道變形主要以水平徑向收縮為主。而數值模型所體現的斜橢圓變化形態與實際監測隧道變形數據相符。但需要指出數值模型無法精確預測隧道變形量，體現為計算值高估了隧道實際變形，這一現象主要是因為所采用的本構模型不能完全地描述土體復雜的非線性特征所致。

但考慮到現場地層情況的復雜性，通過本文所介紹的數值模型可以幫助理解基坑開挖對下臥地鐵隧道影響的機理，初步設計階段可對優化加固方案、施工時序等方面提供建議和指導。

在原位土體試驗數據的支撐下，可采用能考慮土體加卸載非線性以及固結特性的精細化土體本構模型，同時精確模擬周邊環境邊界的狀態，以得到更為準確的計算結果，為設計與施工提供指導。

4 結語

1）通過施工記錄與地鐵監測報告的整理分析，明確了地鐵區間隧道在上部土方開挖工況的變形以上浮以及隧道徑向收縮為主。

2）通過施工方案的調整比對以及2個不同施工方案下的地鐵變形趨勢的分析，得出跨上、下行線，一次施工2個基坑的方案是合理的，對于地鐵結構的變形在可控范圍之內，同時可加快施工進度，減少影響地鐵區間隧道變形的絕對時間。

3）通過有限元數值模擬分析，將數值分析結果與施工實際監測數據進行對比，發現地鐵區間隧道變形趨勢一致，數值分析對于橫臥基坑下方的地鐵隧道在施工期間的變形趨勢預判將有較大的指導意義，可對施工工況引起的地鐵區間隧道變位進行預測。