基坑上跨既有地鐵隧道施工擾動效應研究

鄭剛強，殷洪波，郭永發，劉正初

（中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，昆明 650200）

1 引言

隨著我國城市現代化建設的迅速發展和交通網絡日趨完善，基坑工程近距離上跨既有地鐵隧道施工案例也越來越多。基坑開挖引起的土體卸載將會破壞土體內部應力平衡，從而造成下方既有地鐵隧道出現整體隆起、襯砌開裂、掉塊坍塌等病害，嚴重影響行車舒適度、平穩性，加劇列車磨損甚至引發機車脫軌等安全事故[1]。因此，如何確保基坑上跨既有地鐵隧道施工過程中周圍土體的穩定，減小對隧道結構和周圍環境的影響是目前國內外學者關注的焦點。李瑛等[2]依托杭州鐵路東站基坑工程背景，采用三維數值模擬手段對基坑上跨既有地鐵隧道施工進行全過程動態模擬。魏綱等[3，4]采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維基坑模型，分析了基坑開挖對下方既有隧道隆起、轉動與錯臺變形的影響。張俊峰等[5]針對跨越運營地鐵隧道的超大面積深基坑建立了大型三維有限元模型，采用單純形反分析程序和有限元方法計算得到了相關土體參數，并預測了基坑開挖最終引起的隧道隆起量。施成華等[6]綜合考慮盾構管片接頭之間、管片襯砌與圍巖之間、螺栓與螺栓孔之間的相互作用，對基坑上跨既有盾構隧道坑底土體加固方式展開研究。

以某在建過江通道上跨既有地鐵隧道為工程背景，采用FLAC 3D 數值模擬，構建基坑上跨既有地鐵隧道三維數值計算模型，研究基坑施工過程中地表沉降和隧道的變形規律，以期為工程實踐提供理論支撐和技術指導。

2 工程背景

2.1 工程概況

某過江通道工程設計范圍為NK2+010～NK5+330（SK2+011.755～SK5+660）段，隧道主線明挖段為雙向四車道，盾構段為雙向六車道，其中，北主線隧道明挖敞口段長307 m，盾構隧道長1 426 m，明挖暗埋段為1 636 m，南主線隧道明挖敞口段長328 m，盾構隧道長1 426 m，明挖暗埋段為1 917.722 m，東、西岸共設置匝道4 條，匝道為單向單車道，匝道長度共計1 606.1 m。既有運營地鐵隧道采用盾構法施工，隧道襯砌采用單層鋼筋混凝土裝配式結構形式，盾構管片型式為平板型。管片外徑6 250 mm、內徑5 400 mm、管片厚度300 mm、環寬1.2 m。既有隧道變形監測的水平位移和豎向位移控制值為20 mm，預警值為14 mm。

2.2 工程地質條件

明挖隧道底板與運營地鐵隧道凈距2.8 m，地層自上而下為：雜填土，主要由建筑垃圾、生活垃圾組成，強透水，雜色，松散—稍密；粉質黏土，砂量含量高，干強度及韌性高，黃紅色，硬塑。既有地鐵隧道位于中—微風化板巖地層，板塊構造巖質較硬，破碎—較破碎，巖芯一般呈塊狀、大塊狀，少量短柱狀，灰色。

2.3 水文地質條件

隧址區地下水主要由上層滯水、基巖及構造裂隙潛水組成，穩定水位埋深2.8～17.6 m，水位標高30.9～62.7 m；東岸穩定水位埋深5.7～6.6 m，水位標高25.9～28.77 m。

3 數值模型及計算過程

3.1 數值模型

根據工程資料，采用有限差分軟件FLAC3D 進行數值模擬分析。根據已有研究成果[7]，模型橫向長度取5 倍基坑寬度，縱向取基坑5 倍縱向寬度，模型尺寸為：X=100 m，Y=60 m，Z=46 m。基坑、圍護結構及地鐵隧道均采用實體單元，支撐結構采用beam 單元模擬。約束計算模型左右兩側、前后邊界及底部的法向位移，模型頂面為自由表面。構建的基坑、圍護結構及地鐵隧道三維數值計算模型如圖1 所示。模型中各材料參考地質勘查報告試驗結果，各材料的物理力學參數見表1。其中巖土體材料遵循Mohr-Coulomb 破壞準則，圍護結構、既有線管片和支撐結構均采用線彈性本構關系。

圖1 三維數值計算模型

表1 模型材料物理力學參數

3.2 計算過程

根據本工程段實際開挖施工步序，數值模擬計算步驟如下：（1）根據土體分層情況，賦予各層土體材料參數，使模型在自重應力場達到初始平衡；（2）將第一步位移清零，一次性開挖既有隧道內土體，賦予既有隧道管片參數并計算；（3）由于本文著重論述基坑開挖對既有隧道的影響，因此，將第二步計算得到的位移歸零，隨后賦予圍護結構相應參數并計算；（4）將上一步施作加固措施及圍護結構所產生的位移歸零，施作第一道混凝土支撐并開挖第一部分基坑土體；（5）施作第二道鋼支撐并開挖第二部分基坑土體。計算過程中，于第（4）步開始，通過編制FISH 語言，記錄地表和既有隧道的變形規律。

4 數值計算結果分析

4.1 基坑結構及地表變形規律

開挖全過程基坑結構變形如圖2、圖3 所示，可以看出，基坑開挖引起土體卸載會破壞土體原有應力平衡，使得地應力重新分布，造成基坑底部隆起。隨基坑開挖深度增加，基坑底部隆起增大。當開挖基坑第一層土體時，基坑底部最大隆起量為18.72 mm；當開挖基坑第二層土體后，基坑底部最大隆起量為20.36 mm。

圖2 開挖第一層土體時基坑變形云圖

圖3 開挖第二層土體時基坑變形云圖

數值模擬基坑開挖的過程中，對基坑長邊一側的地表沉降進行監測。靠近基坑6 m 范圍內每隔1 m 布置一監測點，6 m 后每隔2 m 布置一監測點。各監測點的地表沉降情況如圖4 所示。可以看出：

圖4 地表沉降變化規律

1）基坑開挖全過程，地表沉降的變化規律基本一致，隨著距基坑距離的增加，地表沉降呈現先增后減的變化趨勢，在距基坑3～4 m 位置處，地表沉降達到最大。因此，在基坑上跨既有地鐵隧道施工過程中，應嚴格控制距基坑3～4 m 位置處的施工附加荷載。

2）隨著基坑開挖深度增加，地表沉降值逐漸增大。當開挖基坑內部第一層土體時，最大沉降值為12.39 mm；當開挖基坑內部第二層土體后，最大沉降值為16.47 mm。由此可見，在基坑上跨既有地鐵隧道施工過程中，地表沉降值基本處于沉降安全范圍以內。

4.2 既有隧道變形規律

開挖全過程既有隧道變形如圖5 和圖6 所示，可以看出，隨著基坑開挖深度增加，既有隧道隆起變形逐漸增大，當開挖基坑內部第一層土體時，既有隧道最大隆起量為12.48 mm，最大隆起位置為基坑正下方，隧道變形整體呈現中間大兩側小的趨勢。當開挖基坑內部第二層土體后，既有隧道最大隆起量為19.72 mm，最大隆起位置仍為基坑正下方。由此可見，基坑上跨既有地鐵隧道施工時，會導致隧道整體產生較大的豎向變形，且該豎向變形遠遠超過了預警值14 mm，嚴重影響隧道結構及列車運營的安全。

圖5 開挖第一層土體時隧道變形云圖

圖6 開挖第二層土體時隧道變形云圖

由于2 條隧道對稱分布，著重分析左側隧道的變形情況，通過內置命令記錄隧道拱頂、拱底、右邊墻和左邊墻Z 方向變形，記錄右邊墻和左邊墻X 方向變形，縱向上每隔2 m 布置一個監測點。提取各監測點的變形情況，如圖7 所示。可以看出：

圖7 既有隧道變形曲線

1）各監測點變化規律基本一致，隨著基坑上跨既有地鐵隧道施工，隧道整體產生隆起現象，且距基坑中心距離越小，隆起量越大。另外，隧道拱頂和拱底部位的隆起量較大，而隧道拱腰部位的隆起量非常小。由此可見，隧道隆起變形整體呈現中間大兩側小的變化趨勢。

2）隨著基坑開挖深度增加，隧道拱頂、拱底和拱腰的隆起均增大。當開挖基坑內部第一層土體時，拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的最大隆起量分別為12.48 mm、6.72 mm、1.21 mm 和0.21 mm，當開挖基坑內部第二層土后，拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的最大隆起量分別為19.72 mm、10.32 mm、1.57 mm 和0.45 mm。

5 結論

采用有限差分軟件FLAC 3D 進行數值模擬預測基坑結構、地表和既有隧道變形，得到基坑上跨既有地鐵隧道施工過程中基坑結構、地表和既有隧道變形量。其中，地表呈整體下沉趨勢，基坑開挖完成后，最大沉降值達到16.47 mm，處于沉降安全范圍以內；既有隧道呈整體隆起趨勢，基坑開挖完成后，拱頂最大隆起量達到19.72 mm，拱底最大隆起量達到10.53 mm。