大型地下環路工程基坑施工對既有地鐵隧道的影響

盧文頔

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

引言

隨著我國城市發展迅猛與土地資源短缺的矛盾越發突出，越來越多的城市將交通網絡、公共基礎設施向地下擴張。多功能復合、多層交織的城市地下空間雖然有效緩解了地面空間緊張的問題，但也不可避免地造成上跨、下穿既有地鐵隧道的工程增加，給既有地鐵隧道的安全運營帶來了考驗。宗翔等[1-2]采用理論分析、數值計算、現場監測等方法對基坑施工引起其上跨的地鐵隧道變形進行了研究。張治國等[3]基于Mindlin 應力解提出了軟土中雙基坑開挖引起鄰近既有地鐵隧道縱向變形的簡化解析法。徐國元等[4]基于Mindlin 經典解推導了基坑開挖卸荷作用在隧道處附加應力的計算公式，提出簡化公式并通過數值模擬進行了驗證。葉新豐等[5]利用數值模擬手段提出了控制地鐵上方基坑明挖施工過程地鐵結構變形的加固措施。

1 工程概況

1.1 項目概述

武漢市某地下環路工程于地下1 ～2 層布置了單向三車道、首尾閉合的環路，設置了“五進六出”8條接地匝道，數十個出入口，與主要道路、越江區間及周邊地塊銜接，臨近長江，采用明挖法施工，兩次上跨武漢市兩條地鐵的越江區間（以地鐵L1 和地鐵L2 代稱），環境復雜，風險較高。其中地鐵L1 越江區間隧道采用圓形斷面，內徑13.9 m，外徑15.2 m，隧道管片結構厚度650 mm，采用C60 鋼筋混凝土。地鐵L2 越江區間隧道斷面為圓形，采用雙層襯砌結構，外徑12.1 m，內徑11.1 m，管片厚度0.5 m，內襯厚度0.3 m，采用C50 鋼筋混凝土。

1.2 相互位置關系

該環路兩次上跨地鐵L1 和地鐵L2 的越江區間隧道，與地鐵L1 區間隧道在平面上近似正交，與地鐵L2 區間隧道在平面上分別以80°和89°的角度相交。1 號節點處隧道覆土埋深約23.378 m，環路結構底板底與左、右線盾構隧道結構頂的最小豎向凈距約為11.543 m，圍護樁樁底與左、右線盾構隧道結構頂的最小豎向凈距約為4.543 m，見圖1。1 ～4號節點處環路與隧道的相互位置關系的數據見表1。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202—2013），對4 個節點處外部工程作業對既有地鐵隧道結構的影響進行分級。

圖1 地下環路與既有地鐵隧道相互位置關系

表1 地下環路與既有地鐵隧道相互位置關系及外部作業影響等級

1.3 工程地質條件

項目所在場地屬長江I 級階地，地勢較平坦，場地地面高程為22.9 ～27.1 m。本場地在勘探深度范圍內所分布的地層：表層分布雜填土（Qml），下地層主要為第四系全新統沖積成因（Q4al）黏性土、黏性土夾粉土、砂土層，下伏基巖主要有白堊-下第三系（K-E）的礫巖，志留系（S）的泥巖、細砂巖。

2 計算模型及參數取值

2.1 計算模型

選取了該環路與既有隧道最為接近的1 號節點和2 號節點進行數值分析，依據地下環路與地鐵L1、地鐵L2 區間隧道交叉處的空間位置關系，建立三維有限元模型。地層采用實體單元模擬，服從修正Mohr-Coulomb 屈服準則，鉆孔灌注樁按等剛度原則用地下連續墻模擬。為保證節點耦合，地下連續墻通過三維實體單元析取板單元獲得，內支撐、冠梁及圍檁則通過節點擴展成梁單元獲得，盾構隧道管片采用彈性模型，通過三維實體單元析取板單元獲得。1 號節點處模型X 向范圍為156 m，Y 向范圍為169 m，Z 向范圍取75 m；2 號節點處模型X 向范圍為114 m，Y 向范圍為84 m，Z 向范圍取55 m，見圖2。

圖2 300 t 汽車吊裝工況/cm

圖2 三維有限元模型

2.2 參數取值

模型涉及到的地層物理力學參數，均依據該工程地勘報告給出的數據進行取值，僅對于某些缺少的數據，通過參考地質工程手冊進行取值。

3 數值分析

3.1 基本假定

鑒于巖土介質構成復雜，三維有限元模型難以完全還原巖土材料的剛度特性。結合工程實際情況對分析模型進行適當簡化與假定：（1）假定既有隧道在施工前處于良好狀態；（2）將土層簡化為各向同性、均質的連續介質材料。

3.2 模擬結果

根據地下環路明挖基坑施工工序，先施做地下連續墻和土體加固，再分層開挖土體并架設內支撐，接著按順作法施工環路主體結構，結構施工完畢后進行頂板覆土。選取1 號、2 號節點，利用有限元軟件Midas/GTS 對地下環路施工期最不利工況下的隧道變形進行模擬，得到該工況下既有隧道的位移云圖，見圖3。

圖3 既有隧道位移云圖

地下環路工程上跨地鐵L1 越江區間隧道1 號節點處，隧道管片的豎向最大位移為4.206 mm，水平最大位移為-0.753 mm；地下環路工程上跨地鐵L2越江區間隧道2 號節點處，隧道管片的豎向最大位移為4.604 mm，水平最大位移為0.625 mm。結果表明，上跨既有隧道的基坑施工產生了明顯的卸荷作用，使隧道產生了一定程度的隆起變形。雖然計算結果均能滿足運營地鐵隧道變形控制標準，但實際施工中還應考慮既有隧道的既有變形，綜合確定適用于本項目的變形控制標準。

3.3 施工建議

（1）該地下環路工程臨近長江，地下水位高，基坑開挖、結構施工及覆土回填均應在非汛期施工完畢。（2）施工前應收集節點處盾構隧道的既有變形值，綜合確定最終的變形控制標準。（3）施工中應嚴格控制地面堆載、基坑開挖、降水、加固等對隧道的影響，對隧道管片的附加應力≯20 kPa。（4）施工期間應加強監控監測，實現信息化施工，若結構變形較大、變化速率較快、發現異常等，應及時采取跟蹤注漿、糾偏等合理措施。

4 結語

（1）明確了地下環路工程與地鐵L1、地鐵L2越江區間隧道的相互位置關系，并就外部工程作業對既有軌道交通結構的影響程度進行分級，1 ～4 號節點處的外部作業影響等級均為特級。（2）利用有限元軟件Midas/GTS 創建了合理范圍的有限元模型，并選取了兩處最接近既有隧道結構的節點，對地下環路施工期最不利工況下的隧道變形進行數值模擬，結果顯示既有隧道的變形均能滿足運營地鐵隧道變形控制標準。（3）鑒于實際施工過程中存在諸多可變因素，數值模擬并不能完全覆蓋，因此，還需在地下空間環路工程施工期間控制好基坑支護、土方開挖范圍，并加強施工期間的監測，確保既有地鐵線路的運營安全。