外滩通道对下卧大直径隧道的开挖影响分析

谢 明，姚 坚，孙 巍

（上海市政工程设计研究总院，上海市200092）

0 引言

在软土地层中开挖基坑引起的基坑隆起，导致下方已有建构筑物的变形，从而对其使用功能和安全性产生影响甚至造成严重危害[1-2]。随着城市建设的发展，近年来越来越多的基坑工程骑跨于已运行地铁隧道之上，例如已经完工的上海东方路下立交工程[3]、上海广场基坑工程、新世界商厦基坑工程、上海新金桥广场基坑工程，正在建设中的上海东西通道三穿地铁2号线工程，在这些工程中依靠有针对性的设计，施工中遵循“时空效应”原理，辅以适当的土体加固，运营中的隧道得到了较好的保护。然而，地铁隧道的直径仅为6.2 m左右，而本文中，延安东路隧道的直径约10 m，为大直径隧道，上跨外滩通道坑深约10 m，坑底距隧道顶最近处仅5 m，对于10 m直径的越江公路隧道的保护标准缺乏共识。该工程在借鉴类似上跨地铁隧道基坑工程的基础上，进一步深入系统研究，分析深基坑开挖对大直径隧道的影响及隧道本体的保护标准，科学地进行基坑设计。

1 工程概况

1.1 外滩通道上跨延安东路隧道节点概述

外滩通道断面为上下双层，结构净宽9.55 m，通道底板厚度为800 mm；与延安路南线隧道相交处通道底板底面标高为-7.115 m，与延安路北线隧道相交处通道底板底面标高为-7.061 m。北线隧道正上方的基坑开挖平均深度约为10.3 m，通道底板与延安路北线隧道顶最小距离约5.24 m；南线隧道正上方的基坑开挖平均深度为10.1 m，通道底板与延安路南线隧道顶最小距离约6.90 m。外滩通道工程跨越延安路隧道区域，相互关系见图 1、图 2。

图1 地下通道与延安路隧道平面关系

延安路北线隧道结构采用单层装配式钢筋混凝土衬砌，衬砌内径为9.9 m，厚度0.55 m，每一米宽的衬砌下部设两根下拉杆。整环共分为8块，由1块封顶块、2块邻接块和5块标准块组成，封顶块采用全纵向插入方式。采用通缝拼装的方式，衬砌环之间采用32根M36的环向螺栓相连接。南线隧道结构采用了与北线隧道同样的衬砌结构型式，但取消了下拉杆的设置。不过北线拉杆的作用在考虑特殊荷载下起作用，从安全计，计算中不予考虑。

纵缝中防水采用氯丁橡胶密封垫，接缝防水控制指标为：在0.8 MPa水压下，错位15 mm，纵缝张开8 mm，环缝张开5 mm。

由于延安路南北线隧道处于同样的土层中，且在施工通道中，北线隧道的覆土要浅于南线隧道，加之北线隧道施工较南线隧道早好几年，因此显而易见，北线隧道结构在施工中的危险性要高于南线隧道结构。在本文分析中，主要针对北线隧道结构进行分析。

1.2 工程地质和水文地质

1.2.1 工程地质条件

拟建工程沿线场地标高-74.64 m范围内土层由第四系全新统至上更新统沉积地层组成。各土层分布详见图3。

1.2.2 水文地质条件

工程沿线陆域浅部土层中的地下水类型为潜水。勘探期间测得潜水稳定水位埋深为0.90～2.50 m（绝对标高为0.81～2.66 m），平均埋深为1.55 m（平均标高为1.76 m）。

工程沿线场地揭示的承压水分布于⑦（⑦1、⑦2）层和⑨层中，⑦层为上海市第一承压含水层，根据实测资料，⑦层承压水水位埋深为5.35～10.31 m（绝对标高为-2.26～-7.23 m）。

1.3 基坑支护设计

1.3.1 施工分区

为保护延安路隧道，该段基坑采用划大为小的原则，将通道基坑分为五个施工区，如图4所示，由南向北分别为 4A、4B1、4B2、4B3、4B4，其中延安东路隧道南线、北线分别位于4B1、4B3区，施工顺序按与施工单位协调后工程筹划为4B2→4A→4B4→4B1→4B3，各分区间采用Φ1000@800钻孔咬合桩隔断墙。

1.3.2 围护结构方案

基坑采用明挖顺做施工，采用钻孔灌注桩＋三轴搅拌桩截水帷幕方案，后结合现场清障要求，经各方讨论后确定为Φ1000@800钻孔咬合桩+Φ650@450三轴搅拌桩帷幕方案，桩顶设置钢筋混凝土圈梁，竖向设置一道混凝土支撑及二道钢管撑，混凝土支撑水平间距约6～7 m，钢管支撑水平间距约3.6 m。围护结构典型断面见图5。

受基坑下延安路隧道的限制，南北线隧道上方围护结构底部设于延安路隧道顶0.8 m，插入比小于0.5。为减少相邻基坑开挖对延安路隧道的影响，各分区间隔断桩桩底位于延安路隧道底以下2.5～3.5 m，底标高 -27.00 m，并为满足隧道上方通道抗浮要求，在隔断桩内部分加长至-40.00 m。

2 基坑施工对延安东隧道影响分析

上部土体卸载对下卧隧道的影响表现在以下三个方面：（1）对隧道管片内力产生影响；（2）引发隧道纵向不均匀沉降；（3）隧道横断面变形。

2.1 环向隧道结构计算

2.1.1 计算模型

按自由变形的弹性匀质圆环计算结构内力。在计算中重要考虑的荷载有两大部分，第一部分为通常隧道结构计算荷载，第二部分为外滩通道施工时的卸荷，最终的结果是第一和第二部分计算结果的叠加值。

2.1.2 内力计算及结果介绍

通过对封顶块的裂缝开裂宽度和衬砌块接头螺栓强度进行验算，表明了考虑施工影响后的隧道结构环向内力满足安全要求（见表1）。

表1 叠加后结果

2.2 隧道结构纵向影响计算

2.2.1 计算模式

位于软弱土层中的隧道，当隧道上方增加地面荷载或卸载时，会敏感地增加隧道变形和不均匀变形。当隧道下部压缩土层较软弱时，则隧道增加的变形和不均匀变形更大。隧道局部荷载作用下分析简图见图6。

图中q为增加的隧道局部荷载值，r为局部荷载作用范围，k、G代表均匀地层的基床系数和剪切模量。q=p×D，p为作用在隧道上的荷载，单位是kPa;D为隧道直径。

2.2.2 计算结果及分析

延安东路隧道的结构参数和材料参数见表2。

表2 延安东路隧道的结构、材料性能参数

在综合考虑盾构推进所产生的地层损失对盾构隧道所造成不均匀沉降影响后，通过上述模型及参数的分析，得到隧道一次等效弯曲刚度Eeq=3.79e8kN·m-2,弹性极限弯矩 My=8.17e4kN·m，相应的隧道极限曲率半径ρ=4.64e3m。

通过后述连续介质力学的数值模拟，由于上部基坑开挖在隧道竖截面内所产生的附加弯曲变形曲率半径为107 399 m，经过计算分析，隧道纵向螺栓的所产生的附加应力不超过螺栓允许应力的10.0%。在综合考虑其它不利因素影响后，可以认为基坑开挖卸载后的隧道结构的安全是有保障的。另外，通过对纵向接缝的最大张开量进行分析，接缝张开量小于8 mm。

2.3 连续介质三维有限元计算

由于基坑施工边界的复杂性，很难通过解析的方法来求解基坑开挖对周边环境的影响，数值方法则为这种问题的求解提供了有力的工具。报告中对整体结构的分析采用了连续介质有限元法进行计算分析，考虑土体、桩基和隧道之间的相互作用，将它们作为一个整体结构考虑[4]。

2.3.1 三维有限元计算模型

抽象出的三维模型总尺寸为110 m×60 m×70 m。模型中，钻孔咬合桩、混凝土支撑、钢支撑、隧道衬砌以及通道混凝土结构按各向同性弹性材料考虑。土体按理想弹塑性体对待，采用Drucker-Prager屈服准则，通过单元的“生死”实现土体开挖、结构施作等施工过程。模型网格如图7所示。

2.3.2 隧道衬砌结构变形

（1）竖向位移

图8给出了延安东路隧道南北线衬砌结构特征点竖向位移随施工模拟工况步的变化情况。北线隧道特征点最终竖向位移为15.76 mm，南线隧道特征点最终竖向位移为16.25 mm。

（2）水平位移

水平位移的量值均在毫米级，最大值约为1.89 mm，远小于竖向变形值，不会对隧道结构安全产生影响。因此，竖向位移值才是控制隧道衬砌变形的主要因素。

（3）纵向变形

图9、图10分别给出了竖向位移发生极值工况下隧道衬砌结构上表面沿纵向的变形图，北线最大差异变形为4.19 mm，相对弯曲1/14 320，纵向变形曲线曲率半径107 399 m；南线最大差异变形为2.85 mm，相对弯曲1/21 052，纵向变形曲线曲率半径157 894 m。

图9 北线隧道衬砌沿纵向的竖向位移变形图

图10 南线隧道衬砌沿纵向的竖向位移变形图

2.3.3 保护性设计施工措施的数值分析

在设计施工方案中，采用的保护性设计施工措施主要有：（1）加大封堵墙的插入深度；（2）土体加固；（3）设置抗拔桩；（4）抽条开挖。通过对以上措施的有限元计算，以计算结果数据来分别说明各措施采用后对延安东路隧道的保护效果。以下分析均以北线隧道衬砌结构发生位移极值的特征点的竖向位移作为考察物理量，图11～图14给出了比较结果。

3 延安东路隧道保护控制指标

隧道的实际安全性态主要取决于管片接头的安全性态，隧道接缝的张开量的大小对隧道的防水及隧道安全运营产生重要影响，引发隧道接缝张开量不断发展的主要原因是由于隧道的纵向不均匀沉降，且纵向不均匀沉降产生的应力集中对管片连接螺栓的受力十分不利，因此控制隧道的纵向沉降及隧道的曲率半径对控制隧道的防水和结构安全具有重要意义。

从工程类比角度分析，众所周知，对于地铁区间隧道，在已建隧道两侧顶上进行加载或卸载建筑施工时，必须满足如下隧道保护的技术标准。

（1）任意点的附加位移和沉降小于等于2 cm。

（2）施工引起的隧道的附加曲率半径大于15 000 m，相对弯曲小于1/2 500。

这一标准已用于西藏南路隧道等工程的隧道保护，取得了一定的成功经验。

在长江隧道工程项目中，长江隧桥公司提出了隧道结构变形为+1 cm～-1 cm，且工后沉降小于1.5 cm的控制标准。这里虽然考虑了预先留轨道交通的因素，但将施工与工后沉降叠加可达2.5 cm。长江隧道直径为15.0 m，而延安路隧道结构直径为11.0 m，从力学角度类比，延安路隧道结构可以承受2.5 cm以下的绝对沉降。

考虑到延安路隧道为公路隧道，因此，其对路线变形的限制标准应该小于轨道交通。

在本项目中，通过前述的计算分析可知，当隧道结构拱顶沉降小于3cm时，其接缝张开量小于2mm，加上因施工误差使接缝张开的3 mm，可满足环向接缝防水要求；对于纵向而言，由于线路误差使接缝张开3 mm，施工阶段受力又使得接缝张开3 mm，要使得隧道纵向曲率半径也满足纵向接缝防水要求，隧道纵向曲率半径仅需大于4 680 m；对强度而言，10 000m隧道纵向曲率半径即可满足螺栓强度要求。

考虑到施工部门已广泛了解了地铁隧道保护的技术标准，并且在考虑适当的安全储备后，可确定延安东路隧道的保护标准为：

（1）任意点的隆起小于等于2 cm。

（2）施工引起的隧道的附加曲率半径大于15 000 m。

4 结论

（1）通过环向隧道结构计算和分析，对裂缝开裂宽度和衬砌接头螺栓强度进行验算，表明了考虑施工影响后的隧道结构环向内力满足安全要求。

（2）通过纵向隧道结构计算和分析，得到隧道弹性极限弯矩My=8.17e4kN·m，相应的隧道极限曲率半径ρ=4 640 m。

（3）建立连续介质三维有限元计算，计算得到北线隧道特征点最终竖向位移为15.76 mm，南线隧道特征点最终竖向位移为16.25 mm；水平位移很小，不会对隧道结构安全产生影响；纵向差异位移，北线为4.19 mm，相对弯曲1/14 320，纵向变形曲线曲率半径107 399 m，南线为2.85 mm，相对弯曲1/21 052，纵向变形曲线曲率半径157 894 m。此外通过计算比较，发现将长条基坑化整为零，形成小基坑实施，对控制下卧隧道变形是有利的；采用封堵墙加深、土体加固、抽条开挖、设抗拔桩等措施可以在很大程度上控制下卧隧道的位移变形，抗拔桩的设置对竖向位移的控制作用非常明显。

（4）通过研究，确定延安东路隧道的保护标准为：任意点的隆起小于等于2 cm；施工引起的隧道的附加曲率半径大于15 000 m；而在基坑开挖施工影响下，计算得到的结果均满足该保护标准。

[1]吉茂杰.地铁隧道上方基坑施工影响研究[D].上海：同济大学，2000.

[2]况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响[J].岩土工程学报，2000，22（3）：285-289.

[3]李志高，刘国彬，曾远，等.基坑开挖引起下方隧道的变形控制[J].地下空间与工程学报，2006，2（3）：430-433.

[4]王卫东，吴江斌，翁其平.基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟[J].岩土力学，2004，25（增刊）：251-255.