浅析运营地铁区间上方基坑工程的施工时序影响

张 杰，韩春雷

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

随着城市管网综合整治的不断加强，市政管廊与轨道交通工程交叉、临近的情况越来越多，其中包含市政管廊上穿既有地下轨道交通区间隧道[1-2]。众所周知，因轨道交通工程对沉降变形要求较高，变形过大可能对隧道结构和行车安全带来隐患，所以对建设工程提出了更高要求[1，3-4]。如何正确评价和确定基坑开挖对地铁隧道的影响是关键问题，直接关系到正确选择基坑施作方式[5-8]。本文结合南京运营的地铁区间隧道正上方的市政排水箱涵基坑工程，研究地铁区间隧道顶部进行大面积土方开挖和回填作业时，进行不同施工时序工况对比分析，得出最有利情况的施工时序，将对盾构隧道沉降变形影响降到最低。

1 工程概况

市政排水箱涵基坑工程与地铁3 号线盾构区间平面交叉，该段隧道采用外径6.2 m、内径5.5 m、壁厚0.35 m、环宽1.2 m 盾构管片，交叉位置地铁区间埋深、排水箱涵基坑宽度、基坑深度分别约19.0 m，9.2 m，10.9 m。通过比选研究，本次基坑采用SMW 工法桩+钢支撑体系，并对坑底采用三轴搅拌桩土体加固。工法桩桩底、加固体底距离盾构区间顶部净距分别约为3.7 m，4.0 m。地铁隧道和箱涵的平面、剖面位置关系如图1～图2 所示。

根据地质勘察资料，市政排水箱涵与地铁隧道交叉段地层由上至下依次为填土1-1 层、粉质粘土2-1 层、淤泥质粘土2-2 层、粉质粘土2-3 层，其中排水箱涵、地铁隧道分别位于2-2 淤泥质粘土层、2-3 粉质粘土层，各土层的物理力学参数见表1。

图1 箱涵与地铁区间平面关系图

图2 箱涵与地铁区间剖面图

表1 土体物理力学参数

2 MADIS 数值影响分析

2.1 计算模型和计算参数

利用MIDAS-GTS 软件建立数值模型，对排水箱涵施工全过程进行模拟，分析新建箱涵对地铁盾构区间变形的影响，模型见图3。

图3 箱涵及地铁区间几何模型

模型单元中土体为实体单元，选用摩尔-库伦模型，工法桩、钢支撑以梁单元模拟，地铁隧道用板单元模拟。支撑、工法桩（等效墙）单元计算参数见表2～表3。

2.2 施工时序对隧道变形的影响

为减小排水箱涵基坑开挖对下卧地铁隧道的影响，基坑按A 区、B 区、C 区3 个分区先后施工，但 如何合理确定分区开挖顺序是控制变形的关键。为研究施工时序，本文对以下工况分别进行对比分析，具体工况见表4。

表2 地下连续墙特性

表3 材料特性

表4 施工工序

图4～图15 分别为不同施工时序下，排水管涵施工对地铁隧道产生的竖向及水平变形云图。从图4，图5 可知，A 区、B 区、C 区同步施工影响最大，隧道垂直、水平位移最大分别为8.7 mm 和3.2 mm，说明基坑规模对土体变形有较大的影响。

从图12～图15 可知，当优先施工隧道上方B 区时，相对于其他分区施工时序，对下卧隧道变形影响最大，隧道垂直、水平位移最大分别为8.3 mm 和2.9 mm，说明优先开挖隧道上方基坑不利于对地铁隧道变形控制。

从图6～图11 可知，主要是分析隧道两侧A 区、C 区优先的顺序，从变形结果来看，优先开挖与隧道夹角较小的A 区对隧道沉降变形更易控制，但水平位移略大于A 区、C 区同时开挖情形，主要因为A区、C 区同时开挖可减缓下卧隧道向一侧偏移趋势。但总体从分析结果来看，先开挖A 区、再开挖C 区、最后开挖B 区的方案对地铁隧道变形控制最有利，各施工时序地铁隧道最大竖向、水平变形具体数值见表5。

2.3 地基加固对隧道变形的影响

从上述分析，排水箱涵施工时序确定为先开挖A 区、再开挖C 区、最后开挖B 区方案，充分利用时空效应。在此时序基础上探讨坑底土体加固对下卧地铁隧道变形控制的作用。

图4 A 区、B 区、C 区同时施工隧道垂直变形云图

图5 A 区、B 区、C 区同时施工隧道水平变形云图

图6 先A 区、C 区、后B 区施工隧道垂直变形云图

图7 先A 区、C 区、后B 区施工隧道水平变形云图

图8 先A 区、中C 区、后B 区施工隧道垂直变形云图

图9 先A 区、中C 区、后B 区施工隧道水平变形云图

图10 先C 区、中A 区、后B 区施工隧道垂直变形云图

图11 先C 区、中A 区、后B 区施工隧道水平变形云图

图12 先B 区、中A 区、后C 区施工隧道垂直变形云图

图13 先B 区、中A 区、后C 区施工隧道水平变形云图

图14 先B 区、后A 区、C 区施工隧道垂直变形云图

图15 先B 区、后A 区、C 区施工隧道水平变形云图

图16～图17 分别为B 区非加固情况下，排水箱涵施工对地铁隧道产生的竖向及水平变形云图。从图16～图17 可知，B 区非加固情况下，隧道垂直、水平位移最大分别为9.9 mm 和2.9 mm；相比B 区加固情况下（如图8～图9 所示），隧道垂直、水平位移最大分别为6.8 mm 和2.9 mm。加固对隧道水平变形基本没有影响，主要是大大降低了隧道竖向变形。这主要是由于地基加固能有效约束开挖区块底部土体的回弹隆起及变形释放，从而降低下卧隧道竖向变形，因此，隧道上方开挖采取基底加固对控制隧道变形有着重要作用。B 区地基加固与否对应的地铁隧道最大竖向、水平变形具体数值见表6。

表5 不同施工工序下隧道变形mm

图16 B 区未加固隧道垂直变形云图

图17 B 区未加固隧道水平变形云图

表6 地基加固与非加固下隧道变形mm

3 隧道变形监测

项目的开挖顺序采用先A 区、然后C 区、最后B 区的方案实施，期间采用人工结合自动化监测的方法对项目段隧道沉降、水平直径收敛、静态几何变形等进行了长期监测，监测范围为项目正投影段地铁上、下行线隧道及两端各外扩20 m。

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规程》[9]，结合地铁结构初始状态，本项目实施期间地铁隧道变形主要控制标准和监测结果见表7，图18～图19 为现场箱涵施工情况，实际施工过程对下卧地铁隧道产生的影响可以满足变形要求，且与数值模拟分析值（6.8 mm，2.9 mm）较好吻合，说明上述模拟分析能较真实反映工程实际情况。

图18 箱涵开挖现场

图19 箱涵完成后土方回填现场

表7 监测控制标准mm

4 结论与建议

1）上穿既有轨道交通工程，在有条件情况下，应尽量增多分区，减小每次开挖规模和基坑空间效应。

2）上穿既有轨道交通工程，应避免首先施工隧道正上方基坑，应优先开挖与隧道夹角较小的分区，继而开挖夹角较大分区，最后开挖隧道正上方基坑，此种施工时序对隧道沉降变形更易控制。

3）地基加固能有效约束开挖区块底部土体的回弹隆起及变形释放，对于位于隧道正上方基坑，是抑制下卧隧道竖向变形的有效措施。