基坑開挖對下伏既有地鐵隧道穩定性影響分析

李騰飛

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300000）

隨著城市基礎設施建設的推進，新建工程難以避免對周邊既有建（構）筑物造成影響[1～4]；尤其對于運營中的既有地鐵隧道，由于安全等級高，沉降變形控制標準嚴，若基坑開挖過程中產生較大的附加變形及作用力，將嚴重影響地鐵運營安全。在基坑開挖過程中，如何控制上覆地層開挖造成的卸荷作用對下方運營地鐵造成的影響，是目前地下工程領域亟待解決的關鍵問題[5～8]。

本文以長沙市桐梓坡路—鴨子鋪通道工程（湘雅路過江通道段）為例，結合數值模擬軟件，對基坑開挖所采取的加固措施與既有地鐵區間相互作用進行評估分析，供類似工程參考。

1 工程概況

桐梓坡路—鴨子鋪通道工程（湘雅路過江通道段）為城市主干道，設計速度50 km/h，線路先后下穿湘江大道、黃興路、蔡鍔路，全長約4.18 km，見圖1。

圖1 隧道總體平面位置

東岸明挖段與地鐵6號線文昌閣站共建的西側為明挖隧道與地鐵1號線、6號線區間相交節點。明挖隧道位于地鐵1號線上方并與1號線正交，隧道底與1號線隧道拱頂之間最小垂直距離為2.8 m；地鐵6號線位于地鐵1號線下方并與1號線正交，隧道拱頂與1號線隧道底之間的最小垂直距離為2.4 m。明挖隧道與地鐵6號線相平行。為確保隧道基坑開挖不會對運營中的地鐵隧道結構安全造成影響，設計采用袖閥管對地層進行加固處理，同時控制開挖量并設置抗拔樁。見圖2。

圖2 隧道節點處理措施方案斷面

2 數值模擬

2.1 模型的建立

建立三維有限差分模型，橫向（地鐵1號線開挖方向）取5倍以上基坑開挖深度，總計100 m；縱向（通道與地鐵6號線延伸方向）從6號線左右線的中線向兩側各取3倍以上洞徑，總計70 m；豎直方向由坑底至下截面取3倍以上開挖深度，總計50 m，模型尺寸為100 m×70 m×50 m。見圖3。

圖3 數值模擬計算模型

模型共分13個實體網格組，分別為雜填土地層，粉質黏土地層，粉質黏土地層，粉質黏土地層，中風化板巖地層，地鐵1號線左、右線開挖區，長沙地鐵6號線左、右線開挖區，明挖基坑上層，明挖基坑下層，明挖隧道結構，袖閥管注漿加固區，實體網格均為六面體單元形式；結構單元6個，分別為地鐵1號線左、右洞襯砌，地鐵6號線左、右洞襯砌，放坡開挖上、下層支護。

各地層及袖閥管注漿加固區采用摩爾-庫倫本構模型；新建隧道結構采用彈性本構模型；地鐵隧道襯砌、放坡開挖支護均為各項同性的殼單元。見表1。

表1 數值計算地層及結構物理力學參數

2.2 計算結果

2.2.1 基坑開挖卸載穩定性分析

1）地鐵1號線襯砌內力。既有隧道結構內力會受到卸載作用的影響發生應力重分布。襯砌結構的最大軸力為655 kN，發生在線路兩端隧道兩側邊墻處；最大正彎矩為78.7 kN·m，發生在線路兩端隧道拱頂處；最大負彎矩為88.5 kN·m，發生在線路兩端隧道邊墻處。見圖4。

圖4 挖卸載下地鐵1號線隧道襯砌內力

2）地鐵1號線襯砌安全性。根據基坑開挖卸載作用下地鐵1號線隧道襯砌內力，計算出隧道襯砌的安全系數［9］，明挖隧道基坑放坡開挖后，既有地鐵1號線隧道左線襯砌結構的最小抗壓安全系數為13.43，最小抗彎安全系數為5.11；隧道右線襯砌結構的最小抗壓安全系數為13.55，最小抗彎安全系數為4.84。左右線安全系數皆滿足“抗拉安全系數＞2.4，抗壓安全系數＞2.0”的要求［9］且有一定的安全余量。

3）地鐵1號線襯砌位移。既有隧道結構的位移場會受卸載作用影響發生應力重分布。在基坑開挖卸載影響范圍內，襯砌結構出現上浮現象，最大豎向位移3.13 mm，發生在基坑中線正下方隧道拱頂處；最大水平位移1.11 mm，發生在基坑中線正下方隧道兩側邊墻處。豎向位移與水平位移皆＜10 mm，滿足控制標準［10］。見圖5。

圖5 開挖卸載下地鐵1號線隧道襯砌位移

4）新建明挖隧道基坑穩定性。基坑上跨既有地鐵隧道時，其坑底周圍應力場與位移場的分布會受到既有隧道影響。基坑底發生隆起變形，最大隆起量10.59 mm；基坑周邊地表最大隆起量3.6 mm，最大沉降量為0.21 mm；放坡坡腳發生水平位移，最大值為2.43 mm。基坑底回彈、地表豎向位移、坡腳水平位移等變形較小，均滿足基坑及支護結構的監測預警值要求［11］。見圖6。

圖6 開挖卸載下新建基坑位移

2.2.2 基坑回填加載穩定性分析

1）地鐵1號線襯砌內力。既有隧道結構的內力會受到加載作用的影響而發生重分布。襯砌結構最大軸力690 kN，發生在線路兩端隧道兩側邊墻處；最大正彎矩83.7 kN·m，發生在線路兩端隧道拱頂處；最大負彎矩94.1 kN·m，發生在線路兩端隧道邊墻處。見圖7。

圖7 加載回填下地鐵1號線隧道襯砌內力

2）地鐵1號線襯砌安全性。根據基坑回填加載作用下的地鐵1號線隧道襯砌內力，計算出隧道襯砌的安全系數［9］，基坑回填后，既有地鐵1號線隧道左線襯砌結構最小抗壓安全系數為12.76，最小抗彎安全系數為4.29；隧道右線襯砌結構最小抗壓安全系數為12.83，最小抗彎安全系數為4.07。左右線安全系數均滿足“抗拉安全系數＞2.4，抗壓安全系數＞2.0”的要求［9］且有一定的安全余量。

3）地鐵1號線襯砌位移。既有隧道結構的位移場會受加載作用影響發生應力重分布。在基坑加載回填作用下，襯砌結構最大豎向位移為2.46 mm，發生在基坑中線正下方的隧道拱頂處；最大水平位移為0.83 mm，發生在基坑中線正下方的隧道兩側邊墻處。豎向位移與水平位移皆＜10 mm，滿足控制標準［10］。見圖8。

圖8 加載回填下地鐵1號線隧道襯砌位移

4）新建明挖隧道基坑穩定性。基坑上跨既有地鐵隧道時，基坑底周圍應力場與位移場分布會受到既有隧道影響。基坑周圍地表沉降最大值為9.93 mm，發生在新建隧道頂板右側；地表水平位移最大值為2.64 mm，發生在新建隧道頂板右側。新建隧道上方地表豎向、水平位移較小，均滿足基坑及支護結構的監測預警值要求［11］。見圖9。

圖9 回填加載下基坑地表位移

3 結論

1）對于既有地鐵1號線隧道，在開挖卸載作用下，襯砌結構安全系數滿足相關規范所規定的控制要求；開挖卸載影響范圍內，既有隧道結構會出現一定程度上浮，但襯砌結構的變形遠小于預警值，地鐵隧道襯砌結構仍具有較高的安全性。

2）對于既有地鐵1號線隧道，在回填加載作用下，襯砌結構安全系數滿足相關規范所規定的控制要求；回填加載作用會導致基坑下方的隧道結構出現豎向沉降，但襯砌結構的變形遠小于預警值，地鐵隧道襯砌結構仍具有較高的安全性。

3）對于新建明挖隧道基坑，開挖卸載會導致基坑坑底出現回彈現象，放坡坡腳會發生水平位移，坑底的豎向隆起與水平位移皆小于基坑變形的監測預警值；基坑周圍地表的隆起與沉降較小，滿足相關規范所規定的控制要求，新建明挖隧道基坑具有較好的穩定性。

4）對于新建明挖隧道基坑，回填加載后，基坑周圍地表的新建豎向及水平位移皆滿足相關規范所規定的控制要求，新建明挖隧道基坑具有較好的穩定性。