軟弱地層基坑開挖對下臥既有隧道的影響分析

李趙九 （中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000）

1 引言

隨著城市地下空間開發進程的加速，地下工程施工過程中經常會遇到與既有地下構筑物近接施工的問題，尤其是對既有運營線的影響更是備受關注。

由于現階段地鐵運營區間的變形控制量較小，基坑施工過程中較容易產生上浮，加上地鐵運行過程中的震動等因素的影響，盾構區間的變形變化是個動態過程，如何較合理評估基坑開挖對盾構的影響一直是個難點。

本文以深圳前海雙界河基坑施工對下臥既有運營盾構為依托，采用二維有限元法研究基坑開挖對既有盾構隧道的影響，并對影響程度進行評估，為類似工程問題提供參考。的平順性，因此本工程施工時需要采取適當的保護措施，以減少對既有地鐵隧道的不利影響。雙界河地下道路與地鐵線路的平面關系如圖1 所示。

擬開展的地鐵保護區域位于前海雙界河路段，北端接南坪二期快速路，南接聽海路，東臨地鐵樞紐范圍（未動工），西面空曠，距離雙界河南側邊界最近約80m。該區原始地貌為濱海灘涂，后來進行了人工填海造地。2008 年開始地鐵大面積施工，雙界河路段區域土方挖、填量較大，標高變化大且無規律，后經多次無序填筑，地表以人工填土為主，現狀地面標高在5.3～9.2m 之間，大部分區域較平整，11 號線范圍以上大部分存在臨時堆土包，標高在8.9～9.2m 之間。雙界河路地下道路結構距地鐵11 號線最小距離約3.25m。雙界河路與11 號線地鐵隧道的剖面位置關系如圖2 所示。有厚層的填土（石），再根據上述集水井分析結果，可以推斷，線路范圍K0+000～K2+570 段所測水位主要為上層滯水水位。由于受季節變化、降雨及海水水位變化的影響，地下水水位會有所變化。

4 計算范圍及內容

4.1 計算范圍

3 巖土力學參數

2 工程概況

前海雙界河地下道路K0+650 ～K0+930 段主線及匝道在11 號線上方大角度斜交，且垂直距離較近。本項目施工過程中，由于基坑開挖的卸載作用，會導致既有地鐵隧道出現上浮，上浮嚴重時可能會超過隧道最大允許變形值，進而影響隧道襯砌結構的安全性和地鐵軌道

根據地勘報告，結合深圳地區經驗，基坑支護設計有關力學等參數建議按照表1 選取。

勘察期間測得全線混合穩定水位埋深為0.20～9.60m，混合穩定水位高程為- 1.90～11.51m。線路范圍水位變化較大，且線路范圍內大部分表層均分布

雙界河路地下道路結構距地鐵11號線最小距離約3.25m，11 號線的基坑開挖深度達11.8m，開挖土方卸載量也最大，因此在相同施工法的情況下，以地鐵11 號線最容易受到雙界河路基坑施工的影響。本評估文件主要針對基坑開挖對既有下臥11 號線的影響進行評估計算，因著重考慮12、13 號工作井對盾構的影響，報告中選取2- 2 斷面進行計算，從最不利的角度考慮，選取平面應變的角度進行模擬計算。

根據規范和工程經驗，區間隧道的安全保護控制區范圍為結構外側50m，明挖基坑的影響區為兩倍開挖深度，盾構隧道的影響范圍為3～5 倍洞徑。因此，本次評估范圍寬度方向為基坑外側3 倍開挖深度，評估對象為地鐵11 號線隧道結構。

4.2 計算內容

圖1 雙界河地下道路與地鐵線路關系平面圖

圖2 雙界河路與地鐵11 號線結構剖面圖

基坑支護設計有關力學等參數表 表1

建立二維計算模型，模擬雙界河基坑施工過程，計算該施工作業引起地鐵11 號線區間隧道結構和軌道的變形及位移；分析基坑施工作業對區間隧道結構的影響。

5 計算方法及原則

5.1 計算方法

本次評估主要采用數值計算法進行數值模擬計算和分析預測；結合專家評議和工程類比法，對計算模型建立、地層參數取值、評估結果的合理性進行比較和驗證。

數值模擬計算中，用于地下結構理論計算的力學模型可歸納為兩種：

①連續介質模型，即地層- 結構模型；

②作用- 反作用模型，即荷載- 結構模型。

這兩種力學模型各有特點，地層-結構模型由于考慮地層與結構的共同作用，多用于地層及結構的應力和變形分析；荷載- 結構模型只將結構作為計算對象，多用于結構內力分析。考慮到基坑開挖施工造成土體擾動，區間隧道結構變形與受力變化，該影響程度與地層關系密切，故本次采用地層- 結構模型進行分析。

本次數值模擬計算選用采用Midas/GTS NX 建立二維地層- 結構模型，采用優化的摩爾庫倫模型，模擬雙界河基坑施工步序，分析基坑施工對11 號線盾構區間受力和變形的影響。

5.2 計算原則

5.3 計算假定

①假定區間隧道結構及基坑支護結構為線彈性材料；

②假定基坑支護結構及周邊土體和區間隧道結構之間符合變形協調原理；

③初始地應力的計算只考慮初始自重應力，未考慮構造應力，基坑開挖后土體應力瞬間釋放；并且本評估分析的前提是施工處于正常良好控制的條件下。

6 基坑施工對地鐵盾構區間影響分析

6.1 計算模型

6.1.1 網格劃分

圖3 計算模型土體網格劃分

圖4 模型約束示意圖

計算模型X 軸方向長82m，Y 軸方向長40m。土體采用2D 單元，采用摩爾- 庫倫模型；區間盾構管片、抗拔樁、基坑支護、抗拔板采用梁單元模擬。對有限元模型進行剖分，模型單元總計1604個。模型網格劃分如圖3。

6.1.2 邊界條件

在模型底部施加位移約束，模型四個側面分別施加垂直側面方向的水平位移約束，如圖4 所示。

這種“叛逆”的特質首先體現在“我”對讀書的堅持上，這一點是與兄弟姊妹們的形象直接形成對比的。面對強硬而冷淡的父親，“我”并不退縮，反而出言頂撞：“你不是說，萬般皆下品，唯有讀書高嗎？”幼時對父親權威的“叛逆”，為“我”爭來了可貴的教育啟蒙，也讓“我”明白了堅定自我的必要性。事實上，“我”與賀玉的相識同樣源于“叛逆”之舉——如果沒有離家出走，“我”就不會在與賀玉相知相愛。

6.1.3 計算參數

計算模型中各土層計算參數根據地質勘查報告選取，并對物理性質參數相近的土層進行合并；由于本次勘探深度小于計算模型高度，所以模型底部土層參數取自勘探范圍最下層土體參數，鋼筋混凝土結構彈性模量均采用等效剛度法進行換算。具體見表2、表3。

6.2 施工工法

為了減少設計放坡開挖卸載大量土方造成地鐵隧道上浮，地鐵11 號線可采用“豎井間隔開挖”方案，開挖到底后及時施工抗拔樁冠梁和抗浮板。抗浮保護措施的主要施工工序如下：

計算用巖土層力學參數表 表2

計算用支護及加注漿加固力學參數表 表3

①分塊施工抗拔樁、地基加固注漿鋼管樁（樹根樁），抗拔樁沿地鐵隧道兩側設置，采用Φ1000@3000mm 鉆孔灌注樁，抗拔樁采用搓管機全護筒跟進施工，注漿鋼管樁鉆孔孔徑為Φ130mm，孔內放Φ80 鋼花管，最后注水泥漿；

②豎井間隔開挖施工抗浮板，地鐵11 號線左右線各設置7 個豎井，11 號線豎井尺寸為15.5×5.5m，5 號線豎井尺寸為14.5×5.5m，豎井采用間隔開挖，開挖到底后施工抗浮板和連梁；

③施工剩余抗浮板，地鐵11 號線豎井間隔全部施工完后，對豎井中間基坑沿地鐵隧道橫向放坡分臺階進行開挖施工抗浮板。

地鐵11 號線左右線各分為7 個豎井，開挖按照先施工左線，再施工右線的施工順序，左右線開挖各分為3 個循環，左線豎井開挖順序為：第一循環11- 1、11- 5；第二循環11- 3、11- 7；第三循環11- 2、11- 4、11- 6。右線豎井開挖順序為：第一循環11- 8、11- 12；第二循環11- 10、11- 14；第三循環11- 9、11- 11、11- 13。豎井平面布置圖如圖5 所示。

圖6 地鐵11 號線豎井支護剖面圖

地鐵11 號線上部基坑豎井間隔開挖施工步 表4

圖5 地鐵11 號線豎井平面布置圖

11 號線豎井平面為矩形，豎井內凈斷面15.5×5.5m，豎井深6.5～11.8m，因豎井較深中間設置兩道30cm 厚格柵網噴臨時支撐。豎井由鎖口圈、井身、井底三部分組成。豎井支護剖面圖如圖6所示。

6.3 計算工況

6.3.1 邊界條件

圖7 工后豎向和水平位移云圖（單位：m）

首先建立初始自重應力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下，已經固結沉降完畢，在此基礎上進行基坑開挖，需要將已經固結沉降完成的原狀土作為后續開挖步的初始狀態。因此，在利用Midas NX模擬基坑開挖過程時，若要達到天然土層的初始狀態，必須平衡初始的應力，使得在土體模型中只存在初始應力場而不出現初始位移。模型中第一階段為土體未開挖的初始階段，計算出土體在自重的作用下的位移場和應力場，通過Midas NX 的位移清零功能消除已經完成的沉降位移，并構造初始應力場。

6.3.2 基坑開挖與支護過程模擬

地鐵11 號線上部基坑總體上通過7 步完成，其中每一步又由若干子步構成。這7 個主要施工步的定義如表4 所示。

6.4 變形計算結果分析

基坑開挖至施工完成過程中，開挖將引起周邊土層受力狀態改變，地層出現變形，進而引起臨近地鐵區間隧道結構產生變形和位移，以及受力狀態發生改變。模擬計算綜合樓基坑施工作業過程，提取各開挖分區施工后區間隧道結構和道床的變形云圖（圖7）。

在基坑分區開挖施工過程中，由于基坑開挖卸載導致區間隧道臨近施工分區部位產生上浮。對于水平位移，隨著基坑開挖坑周土體向坑內產生位移，區間隧道臨近施工分區部位產生水平位移最大。

在本工程基坑施工至回筑并完成上部結構的過程中，隧道結構的最大上浮量為16.2mm；隧道結構的最大水平位移為5.8mm。

6.5 受力計算結果

工后受力云圖如圖8 所示。

根據基坑施工引起區間隧道位移分析，提取區間右線結構內力，對其承載力和裂縫寬度進行驗算，評價基坑施工過程及完成上部結構后，隧道結構是否安全。

統計各施工階段隧道結構彎矩和軸力的最大值如表5 所示。

由上表可知，在基坑開挖及完成上部結構整個過程中，區間隧道結構產生的彎矩最大值為+57.05 kN·m（每延米）和- 52.34 kN·m（每延米），軸力最大值為- 618.88 kN（每延米）。

根據以上彎矩計算結果，參照《混凝土結構設計規范》（GB 50010- 2010）（2015 年版）對結構進行配筋及裂縫驗算。

區間盾構管片環寬1.2m，管片厚300，保護層外側50mm，內側40mm；采用C50 混凝土，采用8 根HRB335 直徑18 的鋼筋，重要性系數1.1。

各階段隧道結構彎矩、軸力最大值統計 表5

圖9 地鐵區間管片斷面配筋圖

①配筋驗算

M=57.05×1.2=68.46kN·m；需配鋼 筋 AS=1082.37mm2， 實 配 鋼 筋2036mm。

②裂縫驗算

按照彎矩最大值核算裂縫寬度為Wmas=0.042mm，基坑施工開挖引起的地鐵隧道結構的最大裂縫寬度滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》的相關規定。

7 結論

圖8 工后受力云圖（kN）

經模擬基坑施工并完成上部結構過程，計算分析盾構區間隧道結構的變形、內力，并且對隧道結構配筋和裂縫進行驗算，結論如下：

隧道結構的最大上浮量為16mm；隧道結構的最大水平位移為5.8mm。

在基坑開挖至回筑完成上部結構整個過程中，區間右線隧道結構產生的彎矩最大值為+57.05 kN·m（每延米）和- 52.34 kN·m（每延米），軸力最大值為- 618.88 kN（每延米）；原設計的配筋面積滿足現工況條件，隧道結構的最大裂縫寬度Wmas=0.042mm，滿足使用要求。

以上模擬計算在參數選取、工況簡化、土層劃分等方面與現場實際存在一定誤差，僅提供一定程度的參考。整個施工過程均應嚴格按規范和設計要求進行，加強監控量測，認真按技術規程操作，必須及時采取應對性措施，保證既有地鐵區間隧道結構的安全。