既有地铁隧道上方基坑开挖特性研究

曹 前

(长沙市轨道交通集团有限公司，长沙 410000)

1 概述

随着我国城市经济的飞速发展和日益恶化的交通状况，地铁建设成为各个大城市交通治堵的良策[1-3]。因为地铁线路常穿过城市中心地带，土地利用价值高。所以不可避免会遇到城市的地下空间开发选择在既有地铁车站旁或既有地铁隧道上方。这种基坑的开挖卸载会使周边土体发生内力重分布，造成旁边的地铁车站或下方的区间隧道结构产生相应的变形和应力，从而影响地铁的正常运营和安全，需引起高度关注。

国内外已有部分学者对已建地铁隧道上方进行基坑开挖的工程案例进行了分析研究。文献[4]针对多伦多某已建地铁隧道上方的基坑开挖案例进行了研究分析，并提出了基坑开挖过程中地铁隧道的保护措施。刘国斌等[5]结合上海广场基坑工程案例，探讨了利用坑内加固以及基坑时空效应等措施来控制坑底之下隧道位移的有效性。吉茂杰等[6]通过监测数据提出了坑底隧道位移的预测方法。杨国祥等[7]结合上海东西通道工程3次上穿运营中地铁2 号线基坑施工， 在现有技术基础上研究了既有地铁隧道上方基坑施工的新技术。魏钢[8]对杭州地铁1号线区间上方某通道基坑开挖的监测数据进行了分析。陈郁等[9]，李志高等[10]，王如路等[11]也根据基坑下卧隧道的变形监测结果提出了相应的工程措施。然而，目前已有的研究多是根据工程案例的监测结果提出定性的分析，缺少对整个开挖过程中隧道结构变形的数值模拟分析。

结合长沙轨道1号线隧道上方的某地下空间开发工程案例，通过Plaxis 3D有限元软件对基坑开挖引起下方隧道结构变形以及管片内力进行了数值模拟分析。研究每一开挖工况下隧道结构的变形以及管片结构的内力，并据此提出了合理的分仓开挖宽度等施工措施，得到了一些有益的结论，对类似工程具有借鉴意义。

2 计算模型的建立

2.1 工程概况

本项目为长沙轨道1号线侯家塘站与田汉大剧院对接地下空间开发建设工程项目。项目用地位于侯家塘商圈，西侧为1号线侯家塘站，车站和本项目距离约5 m，北侧为田汉大剧院，南侧为凯华大厦。项目地理位置如图1所示。

图1 项目地理位置示意

本地下空间开发项目位于劳动西路正下方，无上部结构。项目为地下二层结构，地下负二层层高4.5 m，负一层层高为4.5 m，局部层高3.6 m。基坑东西方向长度约为90 m，南北方向宽度约为35 m，深度为10.1 m。1号线区间隧道下穿本地下空间开发项目，地下空间结构底板与1号线隧道顶板的净距离为6.3 m，考虑到底板以下0.2 m的垫层厚度及一定的施工误差，则基坑底部与隧道顶净距离为6 m。本基坑开挖时，区间隧道土建工程已经完成，正在计划铺轨及后续工作。地下空间结构与轨道1号线盾构隧道横断面关系见图2。

图2 地下空间结构与轨道1号线盾构隧道横断面关系(单位：mm)

本项目场地内的地层主要有人工填土层、第四系更新统河流相冲积层粉质黏土、粗砂、圆砾、卵石及残积成因的粉质黏土，下伏基岩为白垩系上统的泥质粉砂岩。本项目基坑坑底位于卵石层。场地内粗砂、圆砾、卵石属强透水性地层，人工填土属弱～中等透水性地层，除此之外其他各地层均为弱透水性地层。本站地下水位埋深约1.5 m，坑底赋存承压水。

根据勘察成果，场地岩土设计参数建议采用表1中数值。

根据现场条件提出了以下基坑设计方案，如图3所示。

围护结构在南、北和东三面采用800 mm厚地下连续墙，连续墙各幅之间采用工字钢接头，止水效果好，西侧围护墙采用钻孔桩方案；基坑的支撑采用支锚设计，即预应力锚索结构和角部采用φ800 mm钢管支撑；同时为了满足基坑的抗突涌稳定要求，基坑四周的止水帷幕均应穿透强透水层(圆砾、卵石)，并进入全风化岩层不小于1 m。具体的基坑止水帷幕布置如下：基坑南北侧800 mm厚的地连墙直接落底至岩层不小于1 m，而与隧道相交的东西侧围护墙不能直接落底止水，西侧靠近侯家塘车站的钻孔桩深度为坑底以下4 m，但是其止水是通过南北侧连续墙延伸至侯家塘车站东侧的连续墙，具体见图4；而东侧是通过悬挂式连续墙+隧道范围内局部冻结法形成落底的止水帷幕：在隧道两侧1.5 m范围内连续墙底在坑底以下4 m，即隧道顶部2 m处，而在其余范围内的连续墙嵌入岩层不小于1 m，隧道两侧横向1.5 m、深度从隧道顶以上2 m至弱透水的黏土层以下1 m的范围内，采用冻结止水方案。具体见图5。

表1 物理力学参数

图3 基坑设计方案平面

图4 基坑西侧围护结构布置(单位：mm)

图5 基坑东侧围护结构布置(单位：mm)

综上，基坑四周形成了封闭的落底止水帷幕，止水措施安全可靠性高，同时也确保了基坑的抗突涌稳定安全。

本项目基坑工程最主要的难点为基坑底与隧道顶净距离仅6 m，在基坑设计施工中需采取措施在保证基坑安全的前提下，尽量减小隧道的隆起。

在确保基坑的安全性前提下，基坑开挖引起的坑底以下隧道隆起量主要取决于基坑开挖深度、基坑开挖暴露的隧道长度、基坑底与隧道的净距离和地质条件等因素，对于本工程而言，基坑开挖深度、坑底与隧道的净距离和地质条件相对确定，但是基坑开挖暴露的隧道长度可以通过分仓开挖来调整。理论上分仓宽度越小，开挖对隧道结构的影响也越小，但是分仓过多会影响工程的施工工期。本文后续根据数值计算来确定合理的分仓宽度。

2.2 变形控制标准

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911—2013)和《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)并参考其他城市对于轨道交通规划、运营等方面的规定，对于已铺轨地铁隧道，城市轨道交通结构安全控制指标应符合以下标准。

(1)隧道结构竖向变形累计值小于10 mm。

(2)隧道结构变形曲率半径大于15 000 m。

(3)结构裂缝宽度预警值：迎水面<0.1 mm，背水面<0.15 mm；结构裂缝宽度控制值：迎水面<0.2 mm，背水面<0.3 mm。

2.3 有限元建模

本次数值分析采用荷兰大型通用岩土有限元计算软件Plaxis 3D，土体采用硬化弹塑性模型(Hardening Soil模型)[12-15]。田汉大剧院地下空间开发项目基坑的钻孔桩和地连墙，采用板单元进行模拟，钢管支撑采用梁单元模拟，锚索采用点对点锚索单元模拟；在锚索与土体、隧道衬砌与土体之间设置Goodman接触面单元并选取合理的虚拟厚度因子及强度折减因子来模拟锚索、盾构衬砌与土体之间的相互作用。田汉大剧院地下空间的结构采用板单元和梁单元来模拟。

地铁盾构隧道外径6 m，衬砌厚度0.3 m，施工考虑地层损失率根据当地施工经验取为0.5%。基坑长约92 m，宽约36 m，开挖深度10.1 m，坑底与隧道顶距离6 m。

3 计算结果及分析

首先假定基坑开挖不分仓，此时基坑以及盾构区间的位移云图如图6所示，坑底的最大隆起量为44.1 mm。对应的区间隧道最大附加隆起量为15.1 mm。不满足相关规范要求。

图6 不分仓开挖方案下基坑以及盾构区间位移云图

然后假定基坑开挖分仓宽度为16～20 m，基坑分仓开挖方案如图7所示。通过有限元分析来验证假定的分仓宽度是否合理。

图7 分仓开挖方案(单位：m)

(1)第一步开挖

基坑围护墙施工后，悬臂开挖至第一道锚索高程(地表以下1.8 m)，基坑以及盾构区间的位移云图如图8所示，最大值为4.07 mm，发生在基坑底。此时隧道竖向附加位移最大值1.37 mm，发生在基坑开挖暴露隧道段的中点处，由于两侧连续墙和冻结体对隧道有一定的约束作用，导致连续墙两端以外的隧道出现微小的上翘幅度。

图8 第一步开挖后基坑及盾构区间位移云图

(2)第二步开挖

施工第一道支锚结构后，开挖至第二道锚索高程(地表以下4.8 m)，基坑及盾构区间的位移云图如图9所示，最大值为11.48 mm，发生在基坑底。其中，隧道竖向附加位移最大值4.14 mm，同样发生在基坑开挖暴露隧道段的中点处，由于该阶段开挖深度为4.8 m，且坑底到隧道的距离也相比上一步更小，因此隧道产生的附加竖向变形相对上一步更大。

图9 第二步开挖后基坑及盾构区间位移云图

(3)第三步开挖

施工第二道支锚结构后，开挖至第三道锚索高程(地表以下7.8 m)，基坑的位移云图如图10所示，最大值为12.81 mm，发生在基坑底。由于分仓保留了坑底以上5 m(即地表以下5.1 m)土体，留土对于基坑起到一个坑底反压的作用，因此坑底隆起的最大值出现在开挖深度最大的两个区段。

图10 第三步开挖后基坑及盾构区间位移云图

此阶段，隧道竖向附加位移最大值5.52 mm，由于该阶段开挖深度为7.8 m，且坑底到隧道的距离也相比上一步更小，因此隧道产生的附加竖向变形相对上一步更大，但是隧道隆起的位移形态不再是前两个开挖步的中间大两端小的形态，而是在基坑东西向中点处由于留土呈现出一个相对两侧开挖仓更小的波谷，隧道整体呈现出双驼峰形态。

(4)第四步开挖

施工第三道支锚结构后，开挖至坑底高程(地表以下10.1 m)，基坑及盾构区间的位移云图如图11所示，最大值为13.79 mm，发生在基坑底。由于分仓保留了坑底以上5 m(即地表以下5.1 m)土体，留土对于基坑起到一个坑底反压的作用，因此坑底隆起的最大值出现在开挖深度最大的两个区段。

图11 第四步开挖后基坑及盾构区间位移云图

此时，隧道竖向附加位移最大值为7.14 mm，由于该阶段开挖至基坑底，开挖深度为10.1 m，且坑底到隧道的距离是所有工况中最小的，因此隧道产生的附加竖向变形是整个施工过程中的控制性工况，同样的，在基坑东西向中点处由于留土呈现出一个相对两侧开挖仓更小的波谷，盾构隧道整体呈现出双驼峰形态。

(5)地下结构回筑阶段

分仓开挖至坑底后，即回筑结构反压，然后再分阶段开挖留土的3个区段，逐步回筑结构直至覆土回填。该阶段是继开挖至坑底最不利工况后，地下结构和覆土回填反压，从而导致地铁区间隧道向上隆起量减少的过程，该阶段是一个长期的、对隧道结构受力有利的过程。

回筑结构后，基坑及盾构区间位移云图如图12所示，最大值为11.47 mm，发生在基坑南北向长边的围护墙后，由于结构和覆土对坑底反压的作用，因此坑底隆起的最大值有所降低。

图12 地下结构回筑后基坑及盾构区间位移云图

隧道竖向附加位移最大值为5.45 mm，由于该阶段结构和覆土的反压，因此隧道产生的附加竖向变形相比上阶段有所降低，最大隆起值降低了23.7%。

田汉大剧院地下空间在基坑开挖至结构回筑全过程中，盾构隧道的变形如图13所示。全过程中，基坑开挖引起的地铁区间隧道的最大附加隆起量7.14 mm，对应于最小的变形曲率半径为32 200 m，均满足2.2节中的变形控制要求。同时，为了地铁隧道的长期安全，尤其是田汉大剧院地下空间开发项目的地下结构回筑完成后，隧道的附加变形最大值会减小至5.45 mm，变形曲率半径为41 500 m。

图13 田汉大剧院地下空间施工过程中隧道的变形

另外，根据表2中管片结构内力验算来看，盾构隧道管片的实际配筋在田汉大剧院地下空间开挖和结构回筑过程中均满足规范要求，不需要采取额外措施。

表2 正常使用极限状态下管片裂缝验算

从上述的有限元分析中可以知道，前面假定的基坑分仓开挖宽度引起的盾构区间变形以及管片裂缝均满足规范的相关要求，可以保证基坑开挖过程中下卧盾构区间隧道的安全。

4 结论

本文对长沙市田汉大剧院地下空间项目基坑工程进行了数值模拟，分析了田汉大剧院地下空间项目基坑的围护设计方案及其对下卧轨道交通1号线地铁区间隧道的影响，并给出了相应的施工措施建议。结论如下。

(1)开挖范围内存在强透水层的基坑，基坑四面止水帷幕均需穿透强透水层。对于位于既有隧道上方的基坑，两端止水帷幕无法连续落底，本基坑一端利用旁边车站的止水帷幕，另一端采用悬挂式连续墙+冻结法止水帷幕，如此形成封闭的止水帷幕，确保了基坑的安全。

(2)对于位于既有隧道上方的基坑，减小基坑一次性开挖暴露的隧道长度对减小下卧隧道的隆起量至关重要。施工前需根据基坑开挖深度、基坑底与隧道的净距离和地质条件等因素确定合理的分仓宽度。

(3)基坑下卧地铁隧道的隆起变形最大值出现在基坑分仓开挖至坑底时，此时由于基坑留土隧道位移整体呈现出双驼峰形态。此后的回筑阶段，地铁区间隧道隆起量逐渐减小，该阶段是一个长期的、对隧道结构受力有利的过程。

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