地铁盾构区间上方深基坑开挖对隧道的影响分析

陈晓燕

(杭州地铁集团有限责任公司 杭州 310020)

地铁盾构区间上方深基坑开挖对隧道的影响分析

陈晓燕

(杭州地铁集团有限责任公司 杭州 310020)

在已建地铁盾构隧道上方近距离开挖深基坑工程中，隧道上浮、基坑回弹隆起和隧道结构变形是施工过程中控制的难点。利用三维数值计算方法，研究基坑开挖过程中盾构隧道的变形规律，并提出可采取的加固措施，分析如何运用时空效应原理，分层、分段开挖基坑，以减小基坑回弹量，确保盾构隧道结构的安全。

地铁盾构隧道;近距离;深基坑;三维数值分析

随着城市建设的高速发展，出现了不少基坑开挖工程骑跨在已建地铁隧道的上方，特别是相互间距离很小的情况。由于地铁隧道变形控制极为严格，如何采取有效措施控制隧道的变形，是值得摸索和研究的课题。

在已建地铁盾构隧道上方开挖大面积的基坑工程，对隧道上浮、基坑回弹隆起和隧道结构变形成为施工过程中控制的难点。笔者试图通过计算分析研究基坑开挖过程中盾构隧道的变形规律，提出合理的基坑开挖深度，以及运用时空效应原理开挖基坑，对基坑开挖的时序和分层、分段、分块开挖尺寸加以限制，以减小基坑回弹，确保盾构隧道结构的安全。

1 工程概况

1.1 工程规模与概况

杭州地铁1号线某盾构区间隧道下穿大型地下商业开发物业，原设计隧道顶部与上部物业开发基坑坑底的最小距离为1.8 m，上部基坑开挖深度为14.5 m，盾构隧道在物业开发基坑下的长度达300多m。

原工期安排为地下商业开发先期实施，预留地铁盾构隧道后期穿越，后物业开发基坑因管线迁改、施工围挡及分期建设等原因，其施工工期相对滞后于地铁1号线，施工时序调整为地铁1号线盾构隧道先行通过，后期开挖上部物业深基坑。物业的基坑采用放坡开挖，自流深井降水。降水后的水位控制在坑底下1 m，抗浮按照地面下0.5 m水位控制。

地铁盾构隧道与物业开发地下室结构的平面、纵剖关系如图1～图2所示。

地铁盾构隧道外径6.2 m，内径5.5 m，采用6块管片拼装，管片壁厚35 cm。

图1 1、4号线与物业开发地下室的平面关系图

1.2 工程地质条件

本盾构大部分位于淤泥质黏土中掘进，上部为粉砂土，下部为淤泥质粉质黏土层。

地层参数见表1。

图2 1、4号线与物业开发地下室的纵剖关系图

2 基坑开挖的抗浮计算分析

盾构隧道与物业开发结构底板距离较近，同时地铁隧道和物业开发地下室在空间上存在立体交叉，物业开发大基坑开挖暴露范围大，基坑大面积卸载后对盾构隧道的影响不容忽视。为分析基坑开挖对盾构隧道的影响，采取三维计算进行分析。

2.1 抗浮计算分析

盾构抗浮力计算时，为了安全考虑，一般不计算螺栓的抗剪、管片的摩擦及盾构横断面上部覆土的抗剪。所以在计算抗浮最小埋深时，一般就按照受力平衡，只是考虑向上浮力、向下的管片自重及上覆土重力(见图3)。

单位长度管片自重G，有

图3 隧道抗浮计算简图

单位长度管片所受浮力F浮，有

单位长度管片上部土体有效质量W，有

由力的平衡可知，管片稳定的条件为

式中，R为管片外径，m;r为管片内径，m;γg为水的容重，kN/m3;γC为管片容重，kN/m3;γ'为上覆土体有效容重，kN/m3;

取 γC=24.5 kN/m3，γg=9.8 kN/m3γ'=7.4 kN/m3R=6.2 m，r=5.5 m，根据原设计要求，h=1.8 m，由计算可知，管片上覆力为 917.5 kN;管片抗浮力为1 207 kN。

917.5 kN＜1 207 kN，不满足抗浮条件。

由式(1)～式(3)推导，有

可得隧道最小埋深h为5 m。

2.2 工程措施

考虑通常的降水条件下，基坑开挖中隧道抗浮不能满足要求，工程采取措施如下:

考虑地铁盾构施工与物业地下施工工序的调整，已经实施完成的地铁隧道上方(隧道中心线两侧30 m)的商业地下室由地下3层调整为地下2层，调整后的商业地下室开挖深度为9.6 m。

取h=9.6 m，其余数值不变代入式(1)～(3)，得出:管片上覆力为1 633 kN;管片抗浮力为1 183 kN，管片上覆力大于管片抗浮力。

物业的基坑支护、降水方式不变，降水后的水位及抗浮水位控制值不变。

基坑开挖底部时，可满足地铁抗浮要求。

3 基坑开挖的数值计算分析

盾构隧道与物业开发结构底板距离较近，同时地铁隧道和物业开发地下室在空间上存在立体交叉，物业开发大基坑开挖暴露范围大，基坑大面积卸载后对盾构隧道的影响不容忽视。为分析基坑开挖对盾构隧道的影响，采用了卸载模量，取弹性模量的1/3作为卸载模量。采取三维计算进行分析。

3.1 计算程序及建模

采用Flac3D岩土专业软件，隧道管片采用Liner单元，如图4所示。土体单元采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。

图4 Liner单元界面特性

3.2 数值计算模型

3.2.1 计算模型及工况

Flac3D中模型建立如图5，模型长150 m，高50 m，宽45 m。盾构外径D为6.2 m，管片壁厚0.35 m。

数值模拟中采用Flac3D的Liner衬砌单元模拟盾构隧道衬砌结构，土体用Solid45实体单元来模拟。Flac3D有限元模型网格划分如图5所示，隧道结构网格如图6所示。

图5 Flac3D模型网格划分

图6 Flac3D中盾构隧道管片结构单元

3.2.2 计算参数

该地层上部为15～20 m厚的③层砂质粉土地层，下部为20 m厚的淤泥质粉质黏土层，软弱层主要有④3、⑥1、⑥2、⑧1层。物业开发结构底板坐落于③6层，盾构隧道穿越地层主要为④3层。计算时为了简化模型，将相近土层合并成一层进行计算。模型总共分为4个土层，分别是填土、砂质粉土、淤泥质粉质黏土、黏土。数值模拟计算的土层参数见表2。

表2 计算物理力学指标

3.2.3开挖过程的模拟

首先，建立模型。有限元建立模型如图5所示，横向长度为150 m，其中边界距离隧道边缘均超过了3D(D为隧道直径):纵向上总长度为45 m，隧道底部至下边界的距离为23 m，上部边界取至了地表。

根据现有成果，满足前述边界条件，认为边界的位移为零。因此，有限元模型左右边界约束水平位移，下部边界约束竖向位移，上部边界自由，不进行任何约束。

该模型计算考虑多种开挖模式，包括整层开挖和分段开挖。

计算过程中采用分层分块开挖的方法，施工顺序为:

1)大面积分层开挖土方至地表下4 m，即绝对标高2.00 m。

2)施工围护桩和加固区域。要求先施工止水帷幕，再施工钻孔桩，工程桩已先行施工区域，加固体采用高压旋喷桩施工。

3)围护桩达到设计强度且地下水位到位后，沿盾构线纵向基坑分槽跳挖施工，分隔成的每一个槽分别沿长边再次分层分块施工，挖土至基坑底部。

为了比较基坑分块施工对盾构隧道的影响，本次计算分别假设每槽宽度分别为:18、12、15、9、6 m 及一次性开挖完成等6种工况。

3.3 数值计算结果

3.3.1 未采取分段开挖的计算结果

当采用整体开挖的方式时，隧道整体上浮约28 mm。

3.3.2 采取分段开挖的计算结果

当分块长度为15 m时，隧道整体最大上浮量仅约18 mm，基本符合隧道上浮安全要求。采用分层分块开挖的方法可以有效控制隧道管片的上浮量。

基坑开挖时，块体的长度越小，隧道上浮量也随之减少，经多次试验，块体长度低于15 m时，隧道上浮量相对较小。综上所述，从安全及施工工艺等各个角度考虑，将开挖块体长度定为15 m，同时采取如在隧道内堆载等方式，可以进一步有效减少隧道的上浮量，见图6～图7。

表3 基坑开挖后盾构隧道整体上浮量

图7 基坑开挖竖向位移云图

可以看出，基底竖向回弹量随着开挖步距的增加而增大。开挖到坑底时，基底竖向回弹值达到了28 mm。采取加固措施后，合理分区开挖后，基地竖向最大回弹值达到了18 mm。在实际实施时，分层高度为3 m，分段开挖长度为6 m。利用时空效应开挖，有效地控制了隧道上浮。

4 结论

在已建盾构隧道上部开挖深基坑对隧道结构的变形控制是岩土工程领域一个新的研究课题，通过对杭州地铁已建盾构隧道上部开挖深基坑工程的三维有限元计算分析，得出如下结论:

1)利用三维数值分析方法建立起来的隧道变形计算模型，能够较准确地预测隧道的隆起变形。

2)运用时空效应原理开挖基坑是减小基坑工程下已运行隧道隆起变形的最有效、最经济的措施。

3)适当的隧道加固措施有利于减小因基坑开挖引起的隧道隆起变形。

4)类似工程均有开挖面积大以及与地铁隧道距离近的特点，开挖过程中运用时空效应原理合理安排开挖土方的尺寸，尽量减小每步开挖无支撑暴露时间，严格按照“分层、分块、分段、对称、平衡、限时”开挖基坑，能有效控制隧道变形。

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Impact of Excavation of Deep Foundation Pit on the Underlying Metro Running Tunnel

Chen Xiaoyan
(Hangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310020)

Abstract:During the excavation of a deep foundation pit above and adjacent to the constructed shield tunnel of metro，pit uplift，tunnel upheaval and structural deformation in the construction process are difficult to control.Adopting threedimensional numerical analysis，the paper studied the tunnel deformation regulations during pit excavation，and put forward the reinforcement measures to be taken，as well as the application of time-space effect principle，i.e.，excavating the pit by parts and segments，so as to reduce resilience and ensure the safety of underlying shield tunnel structure.

Key words:metro shield tunnel;adjacency;deep foundation pit;three-dimensional numerical analysis

U451

A

1672-6073(2013)02-0084-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.022

收稿日期:2012-10-11

2012-11-28

作者简介:陈晓燕，女，本科，工程师，从事地铁设计管理，cxy@hzmetro.com

(编辑:郝京红)