長距離共線基坑下臥隧道上浮控制措施及效果研究

陳福斌，祁恒遠，張稱呈

（1.深圳市交通公用設施建設中心，廣東深圳 518041；2.湖南大學土木工程學院，長沙 410082）

1 研究背景

近年來，隨著城市化的快速發展，城市人口急劇增加，給交通運輸行業帶來了極大的壓力，地面交通已遠遠不能滿足人們的出行需求。為了緩解這一壓力，突破地面交通發展的瓶頸，越來越多的城市開展地下快速道路網的建設[1]。這些地下城市快速道路建設中不可避免地出現近接既有地鐵運營線路施工的情況。城市地下道路埋深淺，往往采用明挖法施工。基坑開挖將引起鄰近地鐵隧道周邊土體卸載，土體應力發生重分布[2]，使得隧道產生附加變形和內力，導致隧道發生位移變形、襯砌結構開裂、滲漏水等病害，影響地鐵正常運營[3]。因此，研究基坑開挖對隧道的影響及變形控制措施至關重要。

針對基坑開挖對既有隧道的影響，國內外學者基于模型試驗、數值模擬、現場實測及理論解析等手段進行了大量研究。魏少偉[4]通過模型試驗研究了基坑開挖對既有隧道結構附加變形及內力的影響。王平豪等[5]和徐海惠等[6]通過三維有限元模擬基坑近接下臥既有盾構隧道開挖，建議基坑采取短分塊、小坡率的開挖方法。黃茂松等[7]提出了上方基坑開挖引起下臥隧道縱向變形分析方法，并利用大量的有限元算例進行研究，通過與工程案例的實測結果對比，驗證了所提出方法的可行性。胡海英等[8]利用廣州某深基坑鄰近既有地鐵隧道開挖案例，研究了基坑近接隧道施工對襯砌結構的影響。王衛東等[9]基于多個基坑開挖案例的數值模擬結果，提出了適用于上海地質條件的HS-Small 模型參數，并驗證了參數的合理性。吳龍梁等[10]針對某橋梁承臺深基坑工程，開展下臥地鐵隧道在基坑施工期間的變形監測，研究了不同施工工況對地鐵隧道位移和變形的影響規律。況龍川等[11]通過實測數據分析發現基坑開挖將導致既有隧道周圍土體應力發生重分布，引起隧道結構發生位移變形，威脅地鐵服役和運營安全。王理想等[12]通過Mindlin 解計算基坑開挖引起的作用于盾構隧道上的附加荷載，建立了基坑卸載下盾構隧道的隆起變形微分方程，并和實測數據、既有理論方法進行了對比，驗證所提方法的適用性。綜上，當前針對基坑開挖對既有隧道變形影響規律的研究較多，但針對地下道路基坑開挖長距離共線既有下臥地鐵運營隧道的變形影響及控制措施的研究鮮見報道。對于基坑長距離共線地鐵隧道開挖，施工作用效應相互影響、疊加，隧道位移變形大，結構病害突出，是設計施工重點關注的問題之一。

本文依托深圳桂廟路快速化改造工程，針對基坑長距離共線下臥地鐵11 號線施工期間隧道上浮問題，提出了適應不同區段的差異化變形控制措施，并通過實測數據分析了隧道上浮變形規律及措施的有效性，為類似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 基坑及既有隧道概況

深圳市桂廟路快速化改造工程道路全長為4.8 km，工程主路采用下沉式隧道設計，明挖法施工。明挖基坑與地鐵11 號線在振海路與南海大道之間平面共線，共線長度為3.09 km，如圖1 所示。

圖1 基坑與隧道平面相對位置關系示意Figure 1 Plan view of the relative position of the excavation

基坑最大開挖寬度為52.7 m，最大開挖深度約18.0 m，結構形式為閉合框架及U 型槽兩種，其中閉合框架段長1 984.5 m，U 型槽段長357 m，如圖2 所示。地鐵11 號線位于基坑斜下方，為既有運營盾構隧道，隧道內徑為6.0 m，外徑為6.7 m，管片厚0.35 m，環寬1.5 m，基坑與隧道豎向凈距為6.0～20.6 m。

圖2 基坑與隧道橫剖面相對位置關系示意(K1+560)Figure 2 Cross-sectional view of the relative position of the excavation and the tunnel at section K1+560

2.2 地質概況

桂廟路快速化改造工程位于深圳前海地區，該區域原始地貌為海沖積平原及濱海灘涂地貌單元，后經改造形成現狀道路。區域地表平均高程為3.55 m，地下水位位于地表以下2 m。基坑段淺層主要以人工填土為主，局部位置存在淤泥、粗砂及黏土，較深層以淤泥質黏土、粉質黏土和礫砂為主。地鐵11 號線高程范圍內地層主要為礫質黏性土和全風化粗粒花崗巖。基坑底部到隧道頂部間的土層主要有礫質黏性土、全風化粗粒花崗巖、強風化粗粒花崗巖。

3 基坑開挖隧道上浮控制措施及效果

3.1 K1+180～K1+620及K2+643～K2+857區間

里程K1+180～K1+410 段基坑為閉合框架結構，K1+410～K1+620 段為U 型槽結構。K1+180～K1+620段基坑最大開挖寬度為52.7 m，最大開挖深度為12.5 m，隧道最小覆土9.5 m；K2+643～K2+857 段基坑為閉合框架結構，基坑最大開挖寬度為41 m，最大開挖深度為16 m，隧道最小覆土6 m。

本區域隧道變形控制措施采用“縱向分段+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”。縱向分步、分層開挖，開挖步長不大于10 m，開挖層厚不大于2 m，左右分幅開挖，并預留覆土反壓30 kPa，如圖3 所示。采用?600@1 200 mm 的旋噴樁加固隧道周圍土體，旋噴樁采用正方形布置，水平豎直方向距離隧道不小于3 m，樁底伸入隧道底以下不小于3 m。基坑加固橫剖面如圖4 所示。

圖3 基坑縱向開挖方案示意Figure 3 Schematic illustration of the longitudinal excavation scheme

圖4 基坑坑底加固橫剖面Figure 4 Cross-sectional view of the ground reinforcement below the excavation base

K1+180～K1+620段基坑(見圖4)開挖使土體卸載回彈，隧道上浮變形不斷增加，越靠近基坑中心上浮變形量及土體卸載率越大(由于土拱效應)。如圖5～6所示，當基坑開挖至坑底時，隧道上浮量達到最大值約為7.0 mm，土體最大卸載率為0.52。隨著基坑主體結構施工及覆土回填，土體出現沉降變形，沉降變形量大于卸載回彈量。這表明閉合框架基坑結構型式和覆土回填可有效補償前期土體開挖卸載回彈效應，進而顯著降低隧道上浮量。K2+643～K2+857 段隨基坑不斷開挖，下臥隧道上浮量持續增加，最大約為13.4 mm。如圖7～8 所示(序號表示開挖順序)，當基坑開挖區域距離隧道大于30 m 時，開挖作用效應對隧道變形基本無影響。當基坑主體結構開始施作時，土體出現持續沉降變形，表明采用分段、分層、分幅的開挖方案可有效降低基坑開挖引起的下臥隧道變形。

圖5 左線隧道上浮量隨時間變化(K1+240)Figure 5 Development of the left tunnel heave at cross section K1+240

圖6 距基坑中線不同距離處土體卸載率Figure 6 Variation in unloading ratio at different distances from the excavation center line

圖7 基坑開挖平面Figure 7 Plane view of the excavation

圖8 左線隧道上浮量隨開挖順序變化(K2+830)Figure 8 Development of the left tunnel heave at cross section K2+830

3.2 K2+390～K2+643 區間

里程K2+390～K2+537 段基坑為U 形槽結構，基坑最大開挖寬度為38 m，最大開挖深度為12.5 m，最小覆土10.5 m。本段隧道變形控制措施采用“縱向分段+豎向分層+左右分幅”方案。縱向開挖步長不大于8 m，開挖層厚不大于2 m，采用左右分幅開挖。縱向上，開挖區域、底板、側墻、頂板、覆土結構間間距不應大于一個開挖步長。基坑開挖橫剖面示意如圖9 所示。

圖9 基坑開挖橫剖面示意(K2+400)Figure 9 Cross-sectional view of the excavation at section K2+400

基坑開挖完成至主體結構施工期間，隧道上浮量持續顯著增加，增加速率約為0.15 mm/d，由于采用分段、分層、分幅方案施工，且縱向上控制了結構間的間距，隧道最終上浮量僅為7.9 mm，表明采取的施工措施有效地控制住了隧道的變形。隧道上浮量主要集中于基坑開挖完成后的一段時間內，基坑開挖到底時，隧道頂上浮量與最終上浮量的比值平均為61.8%，這表明基坑開挖完成后的隧道持續上浮變形是不可忽視的，設計中應加以考慮。

3.3 K2+857～K3+476 區間

K2+857～K3+476 段基坑為閉合框架結構，基坑最大開挖寬度為40 m，最大開挖深度為18.0 m，隧道最小覆土6.2 m。本區段采用“豎井跳挖+抗隆起框架”的方案控制隧道上浮。如圖10 所示，豎井采用“隔三挖一”方案施工，豎井尺寸為15.6 m×7.2 m。抗拔樁深度為18 m，抗浮板厚1 m，豎井開挖現場如圖11 所示。

圖10 豎井跳挖縱剖面示意Figure 10 Schematic illustration of spaced shaft excavation

圖11 抗隆起框架Figure 11 Anti-heave frame

由圖12 可知，豎井開挖階段，隧道最大上浮量達到4 mm，隨后由于覆土回填，上浮變形量回落至2 mm。基坑開挖階段，由于抗隆起框架(抗浮板+抗拔樁)作用，隧道最大上浮量僅為8.0 mm。主體結構施工后，由于荷載反壓作用，隧道上浮量出現波動回落，最大回落至6 mm。

圖12 左線隧道上浮量隨時間變化(K2+899)Figure 12 Development of the left tunnel heave at cross section K2+899

3.4 整體效果分析

針對基坑長距離共線下臥地鐵隧道開挖期間隧道上浮問題，本文提出適應不同區段的差異化隧道上浮控制措施，并對施工期間的隧道上浮量進行了監測，如表1 所示。K1+180～K1+620 區間基坑開挖寬度大，隧道覆土相對較厚，采用“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”的變形控制措施后隧道上浮量最大為7.0 mm；K2+390～K2+643 段基坑開挖范圍小，隧道覆土厚，采用“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅”施工方案后隧道上浮量最大為7.9 mm；K2+643～K2+857 段基坑開挖深度較大，隧道覆土較小，采用“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”方案后隧道上浮量最大為13.4 mm；K2+857～K3+476 段基坑開挖深度大，隧道覆土較小，采用“豎井跳挖+抗隆起框架”的強化加固措施后，隧道上浮量最大為8.0 mm。綜上，各區段所采用的基坑坑底加固措施有效地減小了隧道上浮，隧道上浮量均小于規范規定的20 mm 控制標準。

表1 不同區段隧道變形控制措施及監測數據統計Table 1 Different sections of the tunnel deformation control measures and statistics of monitoring data

4 結論

本文依托深圳桂廟路快速化改造工程，針對基坑開挖長距離共線下臥地鐵11 號線隧道上浮問題，提出了相應的變形控制措施，并通過實測數據分析了隧道上浮變形規律及控制措施的有效性，主要結論如下：

1) 越靠近基坑中心，隧道上浮變形量及土體卸載率越大，基坑主體結構施工和覆土回填使得隧道沉降量大于上浮量。表明閉合框架結構和回填土可有效補償土體開挖卸載回彈效應，顯著降低隧道上浮量。

2) 隧道上浮量在基坑開挖至坑底時達到最大值，當開挖區域距離隧道大于30 m 時，土體卸載對隧道變形基本無影響。

3) 對不同區段所采取的“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅”、“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”及“豎井跳挖+抗隆起框架”的施工加固方案有效減小了隧道上浮，隧道上浮量均小于規范規定的20 mm 控制標準。