临近既有地铁隧道新建基坑的数值计算分析

陈思明，欧雪峰，韩雪峰，张学民，冯涵

(1. 中铁建设投资集团有限公司，广东 深圳 518055；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



临近既有地铁隧道新建基坑的数值计算分析

陈思明1，欧雪峰2，韩雪峰1，张学民2，冯涵2

(1. 中铁建设投资集团有限公司，广东 深圳 518055；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

针对上部及侧方位基坑开挖对邻近既有地铁隧道安全运营的影响问题，采用有限元法对深圳地铁11号线站基坑及其风道基坑临近-上跨既有1号线区间隧道的施工关键保护区域进行了三维模拟计算分析，并通过与实测自动化监控数据的对比，验证模拟计算的有效性。基于风道基坑施工中下卧隧道的变形及受力计算结果，获得既有隧道结构在基坑施工过程中的受力特征和变形规律，确定施工中应重点监测的隧道关键部位，施工中采取了针对性保护措施，获得结论对今后类似工程具有参考价值。

既有隧道；基坑工程；有限元；自动化监控

近年来，随着我国城市轨道交通的快速发展，受场地限制等影响使得新建基坑位于既有运营隧道上方的工程案例不断增多。基坑开挖必将产生卸载效应，打破原有土体应力平衡，使得基坑周围土体内部产生应力重分布。当新建基坑底部存在既有隧道结构时，基坑开挖必然引起既有隧道产生附加应力和附加变形。当既有隧道产生过大附加位移时，将导致隧道结构产生开裂或渗漏等危险，直接影响隧道结构安全与地铁正常运行，如台北某基坑开挖因周边地层变形过大，造成临近隧道出现较大位移而引起了隧道管片结构的脱开，直接影响了既有线路的运营安全[1]。因此，围绕基坑开挖对下伏既有地铁隧道安全影响等相关问题的研究，逐步受到工程界技术人员的高度重视。针对此类问题，国内外相关学者采用解析计算、数值模拟、现场实测等手段开展了大量研究，如陈郁等[2-3]采用理论解析方法推导出由于开挖卸荷引起隧道结构的附加应力，进而通过弹性地基梁理论给出了隧道隆起变形的定量计算方法；郑刚等[4-6]分别采用数值计算手段分析了不同位置关系工况下基坑施工对下卧隧道变形及受力的影响；鲁四平等[9-10]从施工安全控制角度出发研究了相关施工方法、加固技术、监控方案及其技术方案的可行性和有效性。从上述研究可以看出，数值模拟方法可以有效地分析复杂地质条件基坑开挖引起的卸载作用及其对下卧既有隧道结构受力和变形规律。同时，由于我国地域广阔，不同地区地层特性差异较大，类似研究结论无法直接照搬用于指导工程设计与施工。为此，本文依托车公庙枢纽工程，采用数值计算和现场实测对比分析相结合的研究方法，分析了深圳地区新建基坑对下卧既有运营地铁隧道的影响，以进一步论证设计方案的可靠性和合理性，指导工程安全施工并为类似工程提供参考。

1　工程概况

11号线车公庙站位于深南大道与香蜜湖立交桥交叉口的西侧，其北侧近接1号线车公庙站，南侧紧邻丰盛町地下阳光街。与丰盛町地下阳光街平行设置，与1号线采用站厅换乘。11号线车公庙站为地下2层岛式站台车站，车站长368.17 m，标准段基坑宽26.8 m，开挖深度为16.6～19.72 m。本站设东、西两风道，其中西端风道位于1号线车公庙站西侧，本风道宽约19.4 m，长约35.8 m，基坑深约8.1 m。工程平面图如图1所示。

西风道基坑围护结构采用800 mm厚地连墙，其中左侧与11号线共用连续墙，深度为24 m，而右侧连续墙受下卧1号线区间隧道限制，嵌固深度仅2.3 m。风道底板下设两排抗浮桩，采用直径1 000 mm钻孔灌注桩，嵌固深度12 m，单桩抗拔力特征值520 kN。

图1　工程平面图Fig.1 Engineering plan

根据深圳市《深圳城市轨道交通地下工程监测技术规范》[11]规定，当近接地铁隧道施工时，既有隧道结构最大位移不能超过20 mm，隧道最大上浮位移不能超过 15 mm，相对弯曲不应超过1/2 500。为了减少基坑开挖对既有隧道的影响，采取φ600@450MJS旋喷桩对基底进行满堂加固，与抗拔桩一起形成门式抗浮承载体系。上、下行线影响宽度范围内加固深度为2.3 m，其他区段加固深度为5 m。围护结构及地层加固范围见图2。

(a)加固范围平面图；(b)加固范围剖面图图2　西风道加固范围平面图Fig.2 Reinforced range plan of the west air duct

2　工程地质

11号线车公庙综合交通枢纽工程位于深圳市福田区深南香蜜湖立交附近。所在地区为海积平原内的冲积阶地和低台地地貌，总体地势平缓，其土层分布如表1所示。

3　三维模型建立及参数选取

根据工程概况建立如图3所示的数值计算模型，模型中除重点考虑11号线车站西风道外，同时还考虑了邻近新建11号线车站基坑及既有丰盛町地下商业街结构的影响，由于现场并无地面起卧情况，模型将地面考虑为水平，考虑到消除边界的影响，整个模型长160 m，宽100 m，高50 m；模型周围采用水平约束，下部采用竖向约束，上部边界为自由边界。网格采用6面体网格，构筑物周围网格取为1 m。根据土层物理力学性质，采用Mohr-Coulomb(MC)本构模型；基坑地连墙、车站结构板以及隧道衬砌均采用板单元，立柱及抗拔桩均采用柱单元模拟。有限元模型见图4，模型包含单元数为111 278，节点数为108 094。

(a)计算模型及网格划分;(b)基坑结构模型图4　计算模型Fig.4 Calculation model

3.1模型参数选取

模拟计算中土体、地连墙、车站结构及区间隧道的物理力学参数具体如表2所示，其中风道基坑底部旋喷桩满堂加固采用提高隧道上方土体物理力学参数的方法处理。

3.2模拟步骤

数值模拟步序严格按照现场实际施工步序进行，为了获得上部基坑即西风道施工对下卧既有1号线隧道的影响，在地应力平衡后，进行位移清零，然后施工完既有1号线隧道、11号线车站立柱、西风道抗拔桩、基底旋喷桩满堂加固及丰盛町地下商业街后，再进行一次位移清零，然后按以下顺序进行新建车站及西风道的施工，具体计算步序如下：11号线车站顶板位置土方开挖⟹11号线车站顶板施作⟹11号线车站顶板上方土方⟹西风道基坑顶部土方开挖⟹风道基坑混凝土支撑的施作⟹风道基坑开挖4 m⟹风道基坑施作钢管支撑⟹风道基坑开挖至基坑底并施作底板⟹风道基坑拆掉顶部支撑施作顶板⟹风道基坑回填土方，随后11号线车站基坑继续开挖施作中板，然后开挖底板土方并施作底板，整个模拟施工过程完成。

表2　土层分布、结构物及其物理力学参数

4　基坑开挖对下卧隧道影响三维结果分析

4.1基坑分步开挖竖向位移

图5为风道基坑开挖过程中整个有限元模型风道位置的剖面的竖向位移云图。关于模型位移的正负值，本节约定：位移方向与整体坐标系中的正方向相同时取正值，与整体坐标系中的正方向相反则取为负值，整体坐标系指的是结果云图的XYZ轴(其中蓝色轴线为Z轴，绿色轴线为Y轴，红色轴线为X轴)，下同。

(a)11号线顶板施工完成；(b)风道基坑顶部土开挖；(c)施作顶层支撑；(d)风道基坑施作钢支撑；(e)开挖完成施作底板；(f)拆除支撑施作顶板；(g)回填顶板以上土体图5　计算模型竖向变形云图Fig.5 Vertical deformation cloud images of the simulation model

从图5可以看，西风道下卧的2条既有隧道一直处于基坑开挖的影响范围内，变形最大的为基坑底部土体，其最大隆起值达43.6 mm；竖向变形从基坑底部向外辐射，逐步减小，随着基坑开挖深度的增加强影响区范围不断下移，土体位移对下卧隧道影响也逐步增大。在基坑顶板上方进行土方回填后，基坑底部的红色影响区有些回落，土体的竖向变形，尤其是隧道顶部竖向变形产生了一定的下降。

4.2隧道纵向变形

表3统计了风道基坑施工过程中几个施工节点下卧隧道的竖向变形云图，从云图中可以看出风道基坑的开挖对下卧隧道上行线影响较大，变形最大区段位于风道基坑正下方，沿着隧道纵向逐步减小，模拟结果整体变化趋势与自动化监测的结果基本一致，模拟施工过程中隧道的大部分变形发生在基坑开挖到基坑中部，达到11.3 mm，基坑开挖完成后隧道的变形值达到最大值，为12.6 mm，超过规范规定的10 mm预警值，接近15 mm的报警值，在风道基坑完成后，回填上部土方变形有一定的回落，降到9.82 mm。

表3隧道衬砌结构的竖向变形云图统计

Table 3 Vertical deformation cloud images of tunnel lining statistics

(a)风道基坑顶部土开挖(b)风道基坑开挖6m上行线隧道最大上浮为3.76mm上行线隧道最大上浮为11.3mm(c)风道基坑开挖完成(d)风道基坑土方回填上行线隧道最大上浮为12.6mm上行线隧道最大上浮为9.82mm

根据图6中既有隧道的竖向变形曲线，正负16 m范围内为风道基坑施工范围，从曲线图可以看出，隧道的上浮变形沿纵向变主要发生在基坑区域内，沿纵向向两边呈”正态分布曲线”形式向两侧衰减，影响范围在沿基坑中心向两侧各36 m左右，基坑地连墙位置处隧道变形曲率最大。在图中右端隧道有约1 mm左右的上扬是由于前期一旁的11号线车站基坑的施工造成的。

(a)上行线隧道竖向变形模拟曲线；(b)下行线隧道竖向变形模拟曲线图6　既有隧道竖向变形-计算步曲线图Fig.6 Vertical deformation curve of the simulation tunnel

4.3实测结果对比验证

施工期间采用测量机器人无接触式自动化实时监测系统监测420 m长区段内既有车站及区间隧道结构变形。监测项目主要包括隧道结构沉降、变形缝差异沉降、轨道结构沉降等指标，以指导现场施工。在地铁夜间停运天窗时间段，采用人工监测对结构变形进行复核，同时通过轨检车对地铁线路进行检测，确保轨道几何参数满足安全运营标准。通过提取既有隧道轨面测点的竖向位移监测数据(见图7～8)，对比4.2节中的隧道模拟位移，从变形趋势和变形大小均相当一致，从而验证了模拟的有效性。

图7　上行线既有隧道实测沉降变形曲线Fig.7 Measured settlement curve of the existing tunnel

图8　下行线既有隧道实测变形曲线Fig.8 Measured deformation curve of the down line

5　结论

1)既有地铁隧道上方基坑施工，是一个多次“卸载—加载”的过程，下卧既有隧道呈现出明显的变位叠加效应。该叠加效应与基坑群和既有隧道两者之间的空间关系、地层条件、施工步序等有着直接关系。

2)隧道在基坑范围内变形较大，并沿纵向向两侧递减，在基坑两端位置衰减较快，导致基坑两端对应的下卧隧道结构出现较大的变形曲率，隧道衬砌结构上出现较大剪力，不利于隧道结构安全，施工中应加强该部位的监控量测工作。

3)西风井基坑开挖引起下卧隧道最大上浮变形量为10 mm，小于深圳市《深圳城市轨道交通地下工程监测技术规范》规定的近接地铁隧道施工最大上浮位移不能超过 15 mm的限值，表明现场采取的地层加固措施与土方开挖方案具有较好的技术效果，可供类似工程参考。

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QB/SZMC-10102—2010, Shenzhen urban rail transit underground engineering monitoring technical specifications [S].

Numerical analysis of the influence of the excavation ofexcavations upon and beside the existing tunnel

CHEN Siming1, OU Xuefeng2, HAN Xuefeng1, ZHANG Xuemin2, FENG Han2

(1. China Railway Construction Investment Group Co., Ltd.，Shenzhen 518055, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In this paper, the finite element software was used to conduct the three-dimensional simulation analysis for the construction of key protection area in Shenzhen Metro Line 11 Chegongmiao station. The excavations are designed upon and beside the No. 1 line interval tunnel. Through comparison with measured automatic monitoring data, the validity of the simulation was verified. By extracting the calculated results of the deformation of tunnel structure caused by construction of air duct, the deformation behavior of existing tunnel structure in this case was understood, and the affected key part of existing tunnels was given. The conclusions will be helpful for proposing the security protection measures in the process of the construction, and can provide beneficial reference for the similar projects in the future.

existing tunnel; foundation pit engineering; finite element method; automatic monitoring

2016-04-22

中国中铁股份有限公司科技开发计划重点课题(2012-19)；国家自然科学基金资助项目(53178505，51408067)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAK24802)

欧雪峰(1990-)，男，湖北钟祥人，博士，从事地下工程方面研究； E-mail：ouxuefeng@csu.edu.cn

TU91

A

1672-7029(2016)08-1585-08