基坑开挖对下卧隧道变形影响分析及合理加固范围研究*

王定军王尉行刘俊景 段 罗王举伟 徐前卫

（1.中铁二局第五工程有限公司，610091，成都；2.同济大学交通运输工程学院，201804，上海∥第一作者，工程师）

近年来，越来越多的基坑工程位于已建地铁隧道的上方，而且随着基坑规模越来越大，基坑越挖越深，离地铁隧道的距离则越来越近，由此带来很大的施工风险。基坑开挖过程中，必然会引起基坑坑底一定范围内的地层发生回弹，而地层的回弹变形对地下已建地铁隧道将产生上浮的作用，使其产生竖向的上抬变形以及水平方向的收敛变形［1-6］。一般来说，基坑内被动区加固能有效控制下卧隧道的位移，但加固的效果与加固体的性质、加固深度和加固范围等因素有关［7］。

深圳市桂庙路快速化改造工程前海段下沉式隧道基坑与地铁的重合距离达到了420 m，基坑开挖对地铁隧道变形产生的叠加效应使得隧道的最终隆起量难以控制；基坑距离隧道最近处仅9.62 m，开挖对隧道的影响较大。为此，本文用FLAC有限元软件分析了不同旋喷桩地基加固情况下基坑开挖对下卧隧道结构受力和变形的影响，在此基础上针对本工程基坑提出了合理的地基加固宽度和深度，最后经现场实测数据加以验证。

1 工程概况

1.1 工程背景

深圳市桂庙路快速化改造工程西起规划的振海路，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。该下沉式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，分为A1～A9共9个区域，K1+410～K1+620采用U型槽结构，分为B1～B5共5个区域。桂庙路与地铁11号线关系如图1、2所示，其中11号线左线在下沉式隧道工程里程K1+200处开始逐步进入开挖基坑正下方。

图2 基坑隧道结构空间位置示意图

基坑围护采用悬臂式支护桩+放坡开挖的方式施工，支护桩选用Φ 100@110 cm钻孔灌注桩。支护桩顶设有冠梁，截面为100 cm×100 cm。放坡开挖时坡率为1∶1.75，坡面采用挂网喷混防护。主路桩号K1+040～K1+620设置旋喷桩复合地基。旋喷桩直径600 mm，桩间距1 200 mm，布置在基坑底板以下。

1.2 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素填土、人工填石、杂填土；第四系冲积淤泥；第四系全新统海积淤泥；第四系全新统冲洪积黏土、粗砂；第四系晚中更新统残积砂质黏性土以及下覆加里东期混合花岗岩。图3给出了区间隧道典型断面处的地层剖面图。

图3 地层剖面示意图

1.3 施工难点

地铁隧道保护要求极高，所以在基坑开挖时必须采取相应措施控制隧道变形。地铁隧道对变形的要求极其严格，隧道的回弹变形量不能超过15 mm、最大位移的绝对值不能超过20 mm、隧道变形曲率半径必须大于15 000 m以及相对变形必须小于1/2 500［8］。在本工程中，下沉式隧道长距离、斜角度上跨已建的深圳地铁11号线，地铁左线隧道距离该基坑中线最近处仅为3.19 m，距离基坑底部最近处仅为9.62 m，基坑开挖对隧道变形和受力影响较大。为确保隧道施工期间的安全，需重点研究旋喷桩地基加固情况下基坑开挖对下卧隧道结构受力和变形的影响，并据此给出合理的地基加固范围。

2 基坑开挖对下卧隧道影响分析

2.1 计算模型

2.1.1 几何模型

选取基坑K1+300～K1+360段建立计算模型进行计算模拟，计算模型如图4所示。计算模型的水平边界长120 m，竖向边界长55 m，沿隧道纵向边界长60 m。计算模型除底面全部约束外，其余各侧面均施加法向约束。

图4 K1+300～K1+360段计算模型示意图

2.1.2 计算参数

在计算模型中，基坑主体结构、围护结构及隧道衬砌均假定为线弹性体，加固地层、地基土体视作均质、各向同性体，并将其简化为理想弹塑性体，采用Mohr-Coulomb屈服准则。钻孔灌注桩、隧道衬砌重度取2 500 kN/m3，弹性模量取30 GPa，泊松比取0.2。各土层的物理力学参数见表1。

表1 地层的物理力学参数

2.2 模拟工况

K1+300～K1+360段首先进行地基加固，加固时注意避开隧道周围3 m范围内的保护区域。地基处理采用高压旋喷桩加固，旋喷桩直径0.6 m，桩间距1.2 m，布置在基坑底板以下。地基加固示意如图5所示，地基加固后进行放坡开挖，再进行钻孔灌注桩加固，之后依次开挖第一、二层基坑。为比较不同地基加固情况下隧道变形和受力情况，分别开展了如表2所示的几种不同地基加固工况的计算。其中加固宽度38 m和19 m是对整个基坑底和左线隧道所在的这一半基坑底进行加固，加固深度10，15，20 m是分别从基坑底加固至隧道中心上方5 m、隧道中心附近、隧道中心下方5 m。根据工程实际施工经验和相关参考文献［7，9-10］，选取了相关的加固宽度和深度。

图5 地基加固范围示意图

表2 各工况加固范围表

由于旋喷桩数量过多，模拟较为繁琐，本次数值模拟采用等效刚度法［9］，给桩土混合体赋予等效换算模量，等效换算模量算法见式（1）：

式中：Ep，Es——旋喷桩、土体的弹性模量，MPa；Ap，As——旋喷桩、所加固土体的面积，m2。

2.3 结果分析

2.3.1 拱顶竖向位移分析

因为左线隧道较右线隧道距基坑中心线更近，竖向位移受基坑开挖的影响更大，所以本文研究竖向位移时均只考虑左线隧道。

图6给出了各工况下基坑开挖结束后左线隧道拱顶竖向位移，图中正值代表上浮，负值代表下沉。由图6可见，整体竖向位移最大的是没有加固的工况1，最大竖向位移为14.1 mm，发生在K1+360断面，即与基坑竖向距离最小的断面；整体竖向位移最小的是加固深度20 m、宽度38 m的工况7，其最大竖向位移为8.6 mm，发生在K1+360断面。可以看出，随着加固深度和加固宽度的增加，隧道周围将有更大范围的土体回弹模量增大，土体抗变形能力增强，回弹量减小，故隧道拱顶竖向位移值减小；随着基坑里程增加，隧道距基坑底部越近，受基坑开挖的影响越大，竖向位移值增大。

图6 基坑开挖结束后左线隧道不同断面拱顶竖向位移

按照工况7进行地基加固，基坑开挖结束后，隧道结构的整体竖向位移云图如图7所示。图中靠右侧的隧道为实际工程的左线隧道，其竖向位移较右线隧道大，最大值为8.6 mm，发生在靠近拱顶的位置。

因为左线隧道K1+360断面的拱顶竖向位移相对较大，所以对不同工况下该断面在不同施工阶段的拱顶竖向位移值进行研究，得到如图8所示的竖向位移变化曲线。显然，在地基加固阶段，上方土体自重加大，隧道随着土体下沉；在放坡开挖阶段，土体卸荷，地层回弹，隧道上浮；施做钻孔灌注桩时，隧道再次略微下沉；在基坑开挖阶段，开挖卸荷，隧道上浮。随着地基加固深度和宽度的增加，放坡开挖和基坑开挖阶段的隧道上浮位移值会减小。

图7 工况7基坑开挖结束后的隧道竖向位移云图

图8 不同工况下K1+360断面拱顶竖向位移

综合分析各种工况，可以看出：在工况1～3以及工况5中，K1+360断面拱顶处竖向位移在基坑开挖过程中均超出控制值10 mm；在工况4以及工况6～7中，K1+360断面拱顶各阶段的竖向位移值均在控制值10 mm以内，其中工况7拱顶处竖向位移值相对较小。工况7的K1+360断面在地基加固阶段下沉2 mm，放坡开挖阶段上浮7 mm，施做钻孔灌注桩阶段下沉0.2 mm，而基坑开挖阶段又上浮3.5 mm。

2.3.2 拱顶与仰拱收敛变形分析

基坑开挖时，隧道拱顶和仰拱均向上隆起，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。在数值模拟过程中，分别对隧道拱顶、仰拱以及两侧拱腰处的变形值进行了监测，其中拱顶与仰拱的变形值较大，故以下只对拱顶与仰拱处收敛变形值进行研究。基坑内第二层土体开挖结束后，不同工况下隧道各断面的拱顶与仰拱处竖向收敛变形值如图9所示，其中正值表示管径扩张，负值表示管径缩小。可以看出，不加固时的管径竖向扩张值最大，而随着加固深度增加，管径竖向扩张值相对减少，其中以加固深度20 m、宽度38 m即工况7的竖向扩张值最小，说明此种加固方案对于减小隧道变形最为有利。

以K1+360断面为例，不同工况下各施工阶段的拱顶与仰拱之间的竖向收敛变形值如图10所示。可以看出，在地基加固阶段，管径呈现竖向收缩变形，而随着土体开始卸荷，管径呈现竖向扩张变形，且卸荷量越大，扩张值越大，其中加固宽度与深度最大的工况7在各施工阶段的管径收敛变形值均处于一个相对较小的范围内，最大不超过1.2 mm。

图10 K1+360断面在不同施工阶段的竖向收敛变形值

3 监测结果分析

为配合施工，在桩号里程K1+180～K1+640范围内布置隧道变形监测断面，共计监测断面47个，间距10 m。左、右线隧道断面监测点布置如图11所示，在每个监测断面的隧道内布置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11 左右侧隧道监测点布置图

隧道 K1+300、K1+320、K1+340、K1+360断面处拱顶在2015年10月5日至2016年5月30日施工期间的累计竖向位移变化曲线如图12所示。各断面在上部基坑开挖时呈现上浮的趋势，基坑卸荷对下卧隧道的影响以造成向上的竖向位移为主。拱顶最大上浮值9.4 mm，发生在K1+360断面基坑开挖完成后，小于控制值10 mm，满足施工要求。结合前文分析，K1+360断面的隆起量相对较大，故对其竖向变形的数值模拟值与实测值进行比较，如图13所示。由图13可见，整体变化趋势和最大隆起值基本一致，数值模拟中基坑加固使下卧隧道下沉更明显。

图12 各断面拱顶竖向位移图

图13 不同施工阶段K1+360断面拱顶竖向位移比较

综上所述，施工各阶段的监测数据与数值模拟得到的结果变化范围与趋势相符。监测数据值略大于数值模拟值，原因是数值模拟时各种条件偏理想，没有考虑实际现场施工因素对结果的影响。

4 结论

（1）基坑开挖卸荷将引起下卧隧道的变形。若不进行地基加固就直接开挖基坑，将导致地铁隧道变形过大，剪切应变增量过大，最小曲线半径过小等问题，从而严重危及地铁运营安全。

（2）地基加固增大了隧道周围土体的变形模量，提高了土体的抗变形能力，减小了基坑开挖时土体的回弹变形，控制了隧道的变形。

（3）现场实测结果验证了数值计算结果的可靠性，并证明按照本文推荐的加固范围进行施工，能满足隧道变形的控制要求。

（4）本文选择了加固宽度相对较大、深度较深的地基加固方案作为最佳方案。但对于不同的工程实践，就控制下卧隧道变形而言，应区别对待，并非地基加固范围均是越大越好。

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