基坑開挖對下臥地鐵隧道影響的數值分析與研究

歐陽順 陳 云 黃雪陽

（1.廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060；2.湖南省建筑設計院集團有限公司，湖南 長沙 410114）

0 引言

隨著城市地下工程建設的快速發展，城市地鐵網絡日益擴大，越來越多的新建地下工程項目需建設在已運營地鐵上方。為減少新建工程對既有地鐵隧道結構造成的不利影響，國內眾多學者和工程建設人員對該課題展開了大量的研究。張俊峰針對上海陸家嘴區域東西快速通道穿越下臥運營地鐵二號線工程，對基坑坑底、基坑外側和隧道兩側進行攪拌樁地基加固，并采用SMW工法將基坑分隔為21個小基坑，采用隔離墻、分隔墻的思路來減小基坑隆起變形[1]；海濱等采用人工抽條放坡+板錨支護對天河東路-天河路隧道（上跨廣州地鐵3號線）基坑進行支護，并采用有限元軟件進行數值模擬分析，成功驗證該工法能有效控制土體卸荷引起的基坑內土體回彈位移和下方地鐵隧道的變形[2]；郭鵬飛等對國內39例上跨隧道基坑工程進行對比分析，擬合得到隧道最大隆起預測模型，并總結出基坑面積、開挖深度、工程地質條件等因素對隧道隆起變形的影響[3]；劉君偉從基坑施工工序角度，合理安排施工順序，減小基坑開挖對地鐵運營的影響[4]。

目前國內對地鐵隧道上方基坑開挖的研究越來越多，但對昆明地區地鐵上方進行基坑開挖的研究較少。為探討昆明地區地鐵上方進行基坑開挖對下臥地鐵隧道結構的影響，在基坑開挖前采用有限元軟件對其進行了模擬分析，并將分析結果用于指導工程建設。本文就基坑開挖對下臥地鐵隧道影響的數值分析與研究進行總結介紹，為昆明地區其他類似工程提供了一定的借鑒作用。

1 工程概況

1.1 基坑概況

飛虎大道綜合管廊工程位于云南省昆明市，該工程在巫家壩片區與已運營的地鐵1號線平面位置斜交，且綜合管廊在跨越區域內正上方設置投料口。新建管廊基坑深度6.4m，下臥雙向地鐵軌道埋深19.5m。跨越地鐵的管廊基坑開挖長度為83m，開挖寬度為35m；基坑西側和南側均存在既有電塔，施工單位施工前需對該兩處電塔進行遷移。基坑西側規劃了地鐵8號線，需考慮地鐵后期盾構實施條件。新建綜合管廊基坑與地鐵1號線之間的平面位置關系見圖1，豎向位置關系見圖2。本項目地鐵1號線盾構管片外徑6m，內徑5.5m，環寬1.2m，厚0.35m，采用C50鋼筋混凝土。

圖1 飛虎大道綜合管廊跨越地鐵1號線平面圖

圖2 飛虎大道綜合管廊基坑剖面圖

1.2 工程地質

場地主要揭露第四系人工填土層（Q4m）l、全新統沖湖積層（Q4al+）l。本基坑工程涉及到的土層自頂向底依次為：①1雜填土：稍濕，松散，以黏性土為主；②1黏土：層狀或似層狀，濕，可塑~硬塑，中壓縮性，夾少量礫石；②2黏土：層狀或似層狀，很濕，軟塑，高壓縮性；③1泥炭質黏土：層狀或似層狀，很濕，軟塑，高壓縮性；③2黏土：層狀或似層狀，可塑偏硬塑，中壓縮性，局部相變為粉質黏土；④1黏土：層狀，可塑為主，中壓縮性，局部相變為粉質黏土。土層的力學性能參數見表1。

表1 土層物理力學參數

1.3 地下水

場地地下水類型主要有以下兩種：

（1）上層滯水：主要賦存于人工填土層中，人工填土層結構較疏松，含上層滯水，但含水量不大，其動態受季節性控制。上層滯水主要接受大氣降水和生活用水的滲入補給。

（2）孔隙承壓水：賦存于第四系全新統沖湖積層粉砂層、粉土層中，具承壓性。孔隙水主要接受大氣降水的滲入補給、上游地下水的側向補給。本范圍（跨越地鐵1號線區域）內基坑暫未出現。

根據鉆孔終孔24h后觀測，場地地下水穩定水位埋深一般為1.00~2.50m；鉆孔Gzk34揭露地下水水位埋深為1.0m。

1.4 綜合管廊基坑支護形式

該項目管廊基坑（上跨地鐵1號線范圍）支護安全等級按一級控制，基坑深度為6.4m，采用兩級1∶1.5放坡支護形式，第一級支護深度為2.9m，第二級支護深度為3.5m。基坑頂部采用Φ600@400mm攪拌樁進行止水，攪拌樁穿過填土層并進入下一層不少于1m。

2 計算模型與工況

選取模型計算范圍時，充分考慮基坑開挖和隧道實施引起的邊界效應。參考相關文獻，結合工程實踐經驗，計算模型幾何尺寸在X、Y方向分別取100m和40m。模型中土層利用二維平面應變單元模擬，地鐵襯砌采用梁單元模擬，掛網噴混利用梁單元模擬。模型中各層土采用均修正M-C(硬化)模型，相關結構則采用彈性本構模型。整體計算模型、顯示基坑開挖的計算模型如圖3~4所示，模型側向加水平位移約束，底部加豎向位移約束，頂面為自由面，不加任何約束。

圖3 整體計算模型

本次計算含4個工況，即4個計算步，地面標高取±0.00m，計算工況見表2。

圖4 顯示開挖計算模型

表2 計算工況

3 結構安全控制指標值

該項目位于云南省昆明市，因無當地執行標準，結合《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）[5]、廣東省標準《城市軌道交通既有結構保護技術規范》（DBJ/T 15-120-2017）[6]、天津市標準《天津市城市軌道交通結構安全保護技術規程》（DB/T 29-279-2020）[7]、浙江省標準《城市軌道交通結構安全保護技術規程》（DB33/T 1139-2017）[8]，可將本項目地鐵1號線結構安全控制指標設定為：隧道結構水平位移和豎向位移的預警值為10mm，控制值為15mm。

4 計算結果及分析

圖5為工況4的整體位移云圖，定義位移指向坐標正軸為正，反之為負。由圖5可知，基坑開挖引起的土層最大水位位移為3.73mm，指向基坑內，由不平衡壓力引起；土層最大豎向位移為8.22mm，由于基坑開挖卸載引起的回彈，坑外最大沉降為2.19mm，這是因為側移引起地層損失誘發所致。

圖5 整體位移云圖

圖6為工況4對應的既有地鐵隧道位移云圖，定義位移指向坐標正軸為正，反之為負。由圖6可知，基坑開挖引起的隧道結構位移主要體現在豎向，由基坑開挖卸載引起，最大豎向位移為3.87mm，小于《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）規定的變形預警值10mm。

圖6 隧道結構位移云圖

圖7為隧道結構內力云圖，由圖7可見，基坑開挖完，地鐵隧道結構最大軸力為1213.54kN，最大剪力為136.81kN，最大彎矩為202.21kN，總體內力水平較低，從一側面反映基坑放坡開挖對隧道結構影響較小。

圖7 隧道結構內力云圖

5 結束語

昆明地區地鐵上方要開展基坑開挖工程，本文利用數值分析研究基坑開挖對下臥地鐵隧道的影響，結論如下：

（1）跨越地鐵隧道上方的基坑開挖，對下方隧道產生了較大的隆起變形，該隆起變形從計算模擬結果來看，滿足結構安全控制指標值，且基坑開挖引起的既有地鐵隧道結構內力較低，對隧道結構影響較小。

（2）對比國內行業標準、地方標準以及企業內部標準，提出適應于本項目的評估依據，數值分析結果顯示，下臥地鐵隧道各項變形處于安全、可控范圍。

（3）目前，本基坑支護工程已完工，且已按設計圖紙要求施工管廊工程并回填基坑；本項目施工過程中，根據業主反饋，基坑及地鐵隧道監測數據正常，從一定程度上也驗證了本項目的數值分析模擬。