地铁隧道上方长距离并行基坑开挖的施工影响及变形控制*

龙宏德刘俊景王定军 张 建王尉行 徐前卫

（1.深圳市地铁集团有限公司，518026，深圳；2.中铁二局第五工程有限公司，610091，成都；3.同济大学交通运输工程学院，201804，上海∥第一作者，高级工程师）

近年来，随着经济发展和城市地下空间开发规模的日益增大，出现了越来越多在既有地铁隧道上方进行基坑开挖的工程案例，基坑与地铁距离也越来越近。基坑开挖相当于土体卸荷，卸荷对下卧地铁隧道的影响分为两个方面：土体卸荷能引起基坑下方地层回弹变形；基坑两侧土体挤压围护结构引起下卧地铁隧道变形，两者相互作用［1］。因此，如何采取有效措施控制隧道的变形，已经成为众多专家学者研究的热点课题。文献［2-12］的研究对于隧道上方基坑开挖的施工影响和变形控制具有很好的指导作用，但是涉及到的基坑与隧道在空间上重叠或相交的范围相对有限，随着地铁网络的日益完善和建设规模的不断扩大，在施工中逐渐会遇到基坑与下卧隧道大规模、长距离交叠的现象，而目前在这方面较为系统的研究尚不多见。本文结合深圳市桂庙路快速化改造工程，针对超长基坑与下卧地铁隧道长距离并行交叠这一难题，采用有限元软件分析了基坑施工对下卧地铁隧道结构受力和变形的影响，在此基础上提出了分层、分段、分时开挖及控制开挖长度等措施，现场实测数据验证了这些措施安全有效，有效控制了地铁隧道区间的竖向变形和水平位移，保证了施工安全。

1 工程概况与难点

1.1 工程背景

深圳市桂庙路快速化改造工程西起规划振海路，止于后海滨路，全长约4.9 km，其中与已建的地铁11号线并行共线的前海段全长580 m，起点桩号K1+040、终点桩号K1+620，全部采用明挖基坑法施工。桂庙路下沉段与地铁11号线关系如图1所示，其中地铁11号线左线在桂庙路下沉式隧道里程K1+200处开始逐步进入开挖基坑正下方。桂庙路下沉段隧道主体结构分为闭合框架和U型槽两种结构形式，其中K1+040—K1+410段采用闭合框架结构，K1+410—K1+620段采用U型槽结构。

闭合框架段、U型槽段的宽度均为38.2 m，基坑围护采用悬臂式支护桩+放坡开挖的方式。围护结构选用φ100 cm@110 cm钻孔灌注桩+φ600 mm高压旋喷桩+桩间挂网喷混，桩顶设冠梁，放坡坡率为1∶1.75，坡面采用挂网喷混防护。坑内采用大口径管井进行降水，横向设置两排，纵向间距15 m。下卧地铁11号线盾构隧道的直径6.6 m、衬砌厚度0.3 m、混凝土强度等级C30。

图1 桂庙路下沉段与地铁11号线平面位置关系图

1.2 主体结构设计

桂庙路下沉段隧道主体结构采用双孔闭合框架结构。如图2所示，结构内轮廓净宽17.55 m、净高7.9 m，结构全宽38.2 m、全高10.5 m。

图2 桂庙路下沉段闭合框架横断面图

桂庙路主线下沉段起点端开口段采用“U”型槽路堑结构，结构净宽36 m，如图3所示。结构主体采用现浇钢筋混凝土结构、C35防水混凝土（补偿收缩）。

图3 桂庙路下沉段U型槽横断面图

1.3 基础处理设计

根据现况地勘资料，本工程在主路桩号K1+040至K1+620段采用旋喷桩加固地层。加固范围为底板38.2 m宽度内，旋喷桩布置在底板以下，设计桩径600 mm，桩顶高程为结构底高程，桩底高程为地铁隧道结构以下2 m，桩长从17.76～21.21 m。

1.4 工程地质

根据地质勘察报告，前海段场地范围内地质条件较为复杂。地层自上而下依次为人工填土；黏土，以可塑状为主，干强度高，韧性高，局部含砂；粗砂，局部以黏性土为主,饱和,主要呈松散—稍密状态，局部中密，级配良好，分选性差；砂质黏性土由下伏混合花岗岩风化残积而成，原岩结构可辨，干强度中等，韧性高。图4为K1+440断面处工程地质剖面图。

图4 K1+440断面工程地质剖面图

勘察区内水系发育，隶属珠江三角洲入海口水系。地表水主要为海水、河流及少量池塘水、沟渠水。地下水类型主要有第四系松散层中的上层滞水、孔隙潜水两种，地下水位埋深在2～8 m左右。

1.5 工程难点

振海路明挖基坑位于地铁区间正上方，基坑施工存在距离近、卸载量大等特点，并且在基坑施工的加卸载过程中，地铁隧道附近土体应力场以及位移场均会发生相应的变化，可能会导致地铁隧道局部的、短期的不均匀沉降，甚至导致隧道结构或者接头部位因变形过大而破坏，进而引发渗漏水和涌砂、涌泥现象，从而影响地铁使用寿命和运营安全。加之本工程在地处深圳市前海，现状地貌为填海造地形成，自然沉降时间短，地层包含大量的生活垃圾、建筑垃圾、流塑状淤泥及不规律分布的淤泥包，在这种地质条件下，长距离（共线段长440 m）、近距（最近9.1 m）并行上跨既有线的情况几乎未曾有过，可供借鉴的施工方法不多。

此外，在工程施工过程中，因为工期紧的缘故，需要对K1+410—K1+550的U形槽采取一次性开挖。随基坑开挖里程的增大，在水平方向上，左线地铁隧道距离基坑中心线越来越近，由8.1 m减小到3.6 m；在竖直方向上，基坑开挖深度离地铁隧道埋深逐渐减少，地铁隧道距基坑底板的距离保持由10 m增大到15 m。因此，为确保地铁隧道施工期及运营期安全，结合现场实际施工状况，针对该明挖区间与地铁隧道的特定关系，需要对基坑施工对下卧地铁隧道结构受力和变形的影响进行分析。

2 基坑开挖对下卧地铁隧道影响分析

2.1 计算模型

U型槽开挖深度较闭合框架小，但地铁隧道与基坑底部的竖直距离依然较小。根据现场施工需要，选择U型槽K1+410—K1+550段进行模拟，建立三维计算模型，如图5所示。计算模型沿隧道纵向取140 m，沿隧道横断面方向取80 m，竖向高度最大为46 m；除底面全部约束外，其余侧面均施加法向约束。

图5 U型槽K1+410—K1+550区段三维计算模型

基坑主体结构，地铁隧道衬砌及加固地层采用线弹性模型，地基土采用Mohr-Coulomb模型。钻孔灌注桩弹性模量25 000 MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2；地铁隧道衬砌弹性模量30 000 MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2；旋喷桩加固地层弹性模量10 000 MPa，重度22 kN/m3，泊松比 0.25。各土层的物理力学参数详见表1。

表1 地层的物理力学参数

2.2 模拟工况

按原设计要求，K1+410—K1+550段在基坑开挖前首先进行地层加固，然后再放坡开挖；放坡开挖结束后，施作基坑围护用钻孔灌注桩；之后进行基坑内土方开挖，基坑开挖过程中同时进行底板施工；最后，进行框架结构施工。因此，本次数值模拟计算主要分为3个阶段：①坑顶放坡开挖；②基坑开挖和底板施工；③U型框架结构施工。

K1+410—K1+550段基坑在放坡开挖时，由于现场施工需要，先对坑顶右侧进行一次性放坡开挖，纵向开挖长度140 m，然后以每段纵向长度20 m分段开挖左侧放坡地层。由于开挖土体的卸载量大，这势必影响到下卧地铁隧道的安全。有鉴于此，分别对4种不同的土方放坡开挖施工顺序进行模拟：工况1是从中间向两边挖；工况2是从两边向中间挖；工况3是跳着挖；工况4是从小里程向大里程开挖。根据计算结果，从中优选出合理的基坑放坡施工方案。

在前述已优选的基坑放坡方案基础上，再次优化基坑内部土方的合理开挖工序，从而减小开挖引起的卸荷效应。根据设计建议，基坑内土方开挖分两层进行，第一层开挖深度2 m，第二层开挖深度1.5 m，这里分别考虑6种不同的基坑开挖工况：工况5先一次性开挖第一层基坑，然后再一次性开挖第二层基坑，最后施工底板，此工况作为对比组。工况6先在基坑内进行第一层土的开挖，即沿小里程到大里程纵向开挖60 m；再进行第二层土的开挖，沿小里程往大里程纵向开挖40 m；然后浇筑底板；并在底板完成后继续开挖第一层土，开挖长度40 m，依次循环。工况7—10中，第一层、第二层基坑每次纵向开挖长度均为20 m，在前一段基坑的第二层土开挖完毕后浇筑底板，再开挖后一段基坑的第一层土，然后再依此循环。

2.3 结果分析

由图1地铁隧道与基坑的平面位置可知，左线隧道位于基坑正下方，其竖向隆起位移受基坑开挖卸荷影响较右线隧道大；K1+410段附近左线隧道离基坑底的竖直距离相对较小，其竖向位移受基坑开挖的影响较大，故后文研究隧道竖向位移时主要研究左线隧道K1+410段。

2.3.1 放坡开挖

K1+410—K1+550段地层加固后，一次性开挖右侧放坡地层，地铁隧道最大竖向位移1.52 mm。开挖左侧放坡地层时工况1～工况4左线隧道K1+410段拱顶不同施工步累计竖向位移如图6所示，放坡开挖顺序对隧道最大竖向位移值影响不大，隧道最大竖向位移均小于7 mm。工况4是左侧放坡地层沿小里程到大里程开挖，比其他工况更利于实际现场施工，所以实际施工中采用了工况4建议的先一次放坡开挖右侧地层，再从小里程到大里程开挖左侧地层，每次纵向开挖长度20 m。

图6 不同工况下地铁隧道拱顶竖向位移

2.3.2 基坑开挖

放坡开挖结束，开始进行钻孔灌注桩的施工。若按照工况5进行施工，第一层基坑开挖结束后，地铁隧道最大竖向位移8.46 mm；第二层基坑开挖结束后，地铁隧道最大竖向位移10.34 mm；而灌筑底板结束后，隧道最大竖向位移则为8.39 mm。

工况6每一施工步对应的地铁隧道最大竖向位移如图7所示。由图7可以看出，地铁隧道最大竖向位移基本在8.4 mm左右。只有在第2步，即开挖K1+410—K1+450段第二层基坑后，K1+410—K1+435地铁隧道竖向位移在拱顶达到最大值10.15 mm。工况6相比于工况5，地铁隧道最大竖向位移较小，但均超过控制值10 mm，故不宜采用。

图7 工况6各施工步地铁隧道最大竖向位移

图8给出了工况7施做底板后地铁隧道竖向位移和水平位移云图。由图8 a）可以看出，最大竖向位移发生在K1+410段左线隧道拱顶附近，为8.1 mm，小于控制值10 mm；由图8 b）可以看出，最大水平位移发生在K1+410段左线隧道拱腰拱底位置，为1.4 mm，小于控制值10 mm。工况7～工况10各施工步骤最大位移发生位置与图6有类似的规律，故对左线地铁隧道K1+410断面拱顶进行竖向位移研究，并对左线地铁隧道K1+410断面拱顶与拱底的竖向位移差值进行竖向收敛变形研究。数值模拟的结果发现，基坑开挖对地铁隧道水平变形的影响较小，各工况各施工步骤地铁隧道水平位移均小于2 mm，故后文不进一步研究地铁隧道水平变形。

图8 工况7地铁隧道竖向、水平位移云图

工况7～工况10左线地铁隧道K1+410断面拱顶竖向位移如图9所示。工况8～工况10中，最先开挖的是K1+410—K1+450段基坑内的土层，当开挖第3步即开挖K1+410—K1+430基坑内第二层土时，拱顶竖向位移达到整个开挖过程中的最大值9.42 mm；工况7先开挖中间段K1+470—K1+490，然后再往两边开挖，第18步开挖K1+410—K1+430基坑内第二层土时，拱顶竖向位移达到最大值9.22 mm，如图10所示。

图9 不同工况下K1+410断面地铁隧道拱顶竖向位移

图10 工况7第18步地铁隧道竖向位移云图

在工况7～工况10中，当基坑内第1、2层土开挖时，相当于土体卸荷，故隧道上浮；当浇筑底板时，相当于在土体上方施加附加荷载，故隧道上浮值减小。由此可见，工况7～工况10中基坑开挖引起的地铁隧道竖向位移以上浮为主，在浇筑底板时会有所下降。地铁隧道最大竖向位移均小于10 mm，这说明地铁隧道变形在容许范围内。

基坑开挖时，地铁隧道拱顶和拱底均向上隆起，若拱顶的隆起值大于仰拱的隆起值，则隧道表现为扩张；若拱顶的隆起值小于仰拱的隆起值，则隧道表现为收敛。工况7～工况10各施工步对应的左线隧道K1+410断面竖向位移如图11所示，其中正值表示管径扩张，负值表示管径缩小。由图11可以看出，工况7～工况10各施工步隧道均表现为扩张，即拱顶竖向位移大于拱底竖向位移，且最大值不超过1.35 mm，在安全控制范围之内。

图11 不同工况下K1+410断面地铁隧道拱底竖向位移

不同工况下各施工步隧道剪应变增量如图12所示。工况7～10各施工步骤最大剪应变增量均小于0.000 22，满足安全范围，且工况7各步骤最大剪应变增量总体相对较小。

综合各工况的计算结果分析，并结合现场实际施工情况，最终选择工况7作为推荐方案，即从基坑中部向两边开挖，每次开挖纵向长度20 m，前一段基坑开挖完毕建好底板后再开挖下一段基坑。

图12 不同工况下各施工步的地铁隧道衬砌最大剪应变增量

采用Matlab软件对工况7施工完毕后的地铁隧道拱顶处竖向位移值进行4次曲线插值拟合，得到地铁隧道最大曲率为3.65×10-6m-1，即最小曲率半径为2.7×105m，大于地铁隧道设计与施工技术管理中的15 000 m保护要求。

2.3.3 主体结构施工

图13～14为按照工况7施工结束后，主体结构U型槽侧壁的竖向应力云图和水平应力云图。可以看出，主体结构最大竖向应力为0.18 MPa，发生在K1+410—K1+450段侧墙内侧中下部靠近底板处；最大水平应力为0.15 MPa，发生在K1+410—K1+480段右侧侧墙的底部。

图13 U型槽主体结构竖向应力云图

图14 U型槽主体结构水平应力云图

3 监测结果分析

根据设计文件，从桩号里程K1+200起，地铁11号线左线隧道往东率先逐渐进入基坑影响范围。在实际施工中，在桩号里程K1+180—K1+640间布置地铁隧道变形监测断面，监测断面共47个，间距10 m。在每个监测断面上，左、右线隧道各布置4个测点，其中1、3号测点位于隧道侧壁，2号测点位于拱顶，4号测点位于地铁轨面上方。图15为左右线隧道断面监测点布置图。

图15 地铁左右线隧道监测点布置图

本文选取与K1+410—K1+550段基坑开挖范围相对应的地铁隧道ZDK16+590—ZDK16+730区间的监测数据进行分析，验证建议的施工措施能否保证地铁隧道竖向位移在控制值10 mm以内。由于地铁左线隧道比右线隧道更靠近基坑中心，受基坑开挖影响更大，故选取左线隧道上有代表性的测点，绘制其在整个施工阶段的累积竖向位移折线图，如图16所示。由图16可以看出，地铁隧道左线大致趋势为上浮，但当施工基坑底板、侧壁等结构时，隧道隆起量会有所降低。在基坑开挖过程中，L24-1测点处（对应基坑K1+410断面）隧道拱腰发生最大累积上浮变形为9.2 mm，小于控制值10 mm。

图16 地铁左线隧道施工阶段累计沉降

现场按照工况7进行施工的时间是2016年3月到6月，选取L24-2测点（即对应基坑K1+410断面拱顶）这段时间的实测数据与工况7数值模拟值进行对比，得到图17。施工各阶段的监测数据与数值模拟得到的竖向位移值基本一致，变化趋势相符。监测数据值略大于数值模拟值，因为数值模拟时各种条件偏理想。

图17 K1+410段地铁左线隧道拱顶竖向位移

4 结语

本文依据深圳市桂庙路快速化改造工程中的下沉段基坑工程实例，利用数值分析软件对基坑施工全过程进行了动态模拟，对比分析了不同土方开挖方案对下卧地铁隧道的影响，并得出如下结论：

（1）基坑开挖相当于土体卸荷，引起坑底土体回弹和两侧土体挤压围护结构。坑内土体位移以竖向为主，坑外土体变形呈现不均匀状态。

（2）段内地铁隧道大部分发生隆起变形，且距离坑底越近，隆起越明显。左线隧道更靠近开挖基坑的中心线，受基坑卸荷影响更大。

（3）根据计算结果提出了基坑分段开挖、控制基坑一次纵向开挖长度、前一段基坑开挖完毕后迅速施工底板等施工控制措施。

（4）采取建议的施工方案后，下卧地铁隧道拱顶竖向位移最大值9.22 mm，小于控制值10 mm，证明了所选方案的合理性。

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