近邻既有地铁区间隧道基坑工程支护方案研究

钟雪

（沈阳地铁集团有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

近年来，地铁、综合管廊、地下停车场等地下工程开发数量众多，使得新建工程施工不可避免与其他地下构筑物相互影响。例如建筑深基坑开挖对邻近地铁的影响[1]，基坑开挖将引起土体卸载[2]，导致基坑底部土体隆起、侧壁土体侧移以及坑外地面沉降等[3]，引起邻近地铁隧道的应力应变状态，产生竖向和水平向位移，严重时将出现隧道管片开裂、掉块等病害。

针对这些近邻地铁隧道基坑工程的施工问题，众多学者采用数值分析方法展开了研究。高盟[4]采用FLAC3D建立三维模型模拟紧邻上海某地铁车站的基坑开挖工程基坑，讨论了设置托换桩、搅拌桩加固、分块开挖等控制车站变形的措施。徐长节[5]运用Plaxis有限元软件对邻近隧道变形受基坑施工的影响进行了数值分析研究，表明采取加强有关围护结构刚度能有效控制已建隧道的变形。王卫东[6]以上海新金桥广场基坑工程为案例，建立考虑隧道周围主体加固、充分利用时空效应等因素的数值模型，动态模拟了深基坑开挖过程中开挖卸载对邻近地铁隧道的影响。可以看出，基坑工程支护结构设计情况对区间隧道影响明显，基坑工程必须采取严格合理的工程措施。

本文以某砂土地层邻近既有区间隧道基坑工程为依托，采用数值分析手段比选基坑支护结构设计方案，分析基坑工程施工过程对区间隧道结构安全的影响，为类似工程支护结构设计提供借鉴与参考。

1 依托工程概况

依托工程位于沈阳市皇姑区，基坑工程周长为655m，基坑设置三层地下室，基坑深度为-15.4m。基坑工程的北侧为地铁区间隧道，其中基坑西北侧距离区间隧道右线最近，北侧西端距离区间隧道右线约14.4m，北侧东端距离区间隧道右线约21.3m，基坑北侧由西端至东端长约78m，如图1所示。既有区间隧道为盾构法施工，线间距13～17m，盾构管片采用C50混凝土，衬砌环外径6000mm，内径5400mm，管片宽度1200mm。基坑工程的北侧土方先沿支护桩边线向基坑内侧开挖10m宽，为喷护及锚索施工提供施工作业面，在锚索张拉龄期内进行基坑中心土方挖运施工。

图1 拟建项目与区间隧道位置关系平面图

在地铁区间隧道保护范围的基坑支护结构有单排桩+锚索支护体系：AB段、BC段、FG段，设计参数详见表1；双排桩+锚索支护体系：CD/EF段、DE段，其中CD/EF段、DE段拟定有4种设计方案，设计参数详见表2。

表1 单排桩+锚索支护体系设计参数

表2 双排桩+锚索支护体系设计参数

依据勘察资料，场地地层自上而下为：杂填土、粉质黏土、中砂、砾砂、圆砾、粗砂、砾砂、含黏性土圆砾、黏土、粗砂。场区内有一层地下水，为孔隙潜水类型，地下水稳定埋深为13.4～15.70m。

2 计算模型及参数

2.1 模型网格

此次计算的模型以基坑长边（垂直区间隧道走向）方向为y轴，竖直方向为z轴，水平垂直于基坑长边方向为x轴，建模对象为区间隧道、基坑整体及其围护结构。总体模型在x轴方向长200m，y轴方向宽100m，z轴方向高50m，其中基坑长78m。此次计算模型共生成166996个单元，103545个节点，模型网格如图2所示。

图2 模型网格轴测视图

2.2 计算参数

计算中采用不同的本构模型模拟不同的材料，对于衬砌等结构应用线弹性模型，而各层土体采用莫尔-库仑（M-C）模型。车站结构衬砌、基坑围护结构、结构底板采用板单元模拟，土体采用实体单元模拟，钢围檩采用梁单元模拟，锚索采用锚杆单元模拟。基坑北侧采用筏板基础，基础底面处平均压力值为420kPa。

计算模型中各土层的计算参数根据项目岩土工程勘察报告选取，并对物性参数相近的土层进行了合并处理。表3、表4给出了计算所采用的围岩物性参数与结构参数。

表3 地层计算参数

表4 结构计算参数

2.3 施工过程模拟

施工步骤主要包括：一是施工围护桩；二是先开挖第一层土体；三是第一层钢围檩和锚索，并施加预应力；四是开挖第二层土体；五是第二层钢围檩和锚索，并施加预应力；以此类推至开挖第五层土体，达到设计开挖深度，最后模拟建筑物建成及土体回填引起的附加荷载对地铁区间隧道的影响。其中各层土体开挖至锚索下0.3m，共10个施工步。

3 支护结构设计方案对比

双排φ800桩+2排锚索、双排φ800桩+4排锚索、双排φ1000桩+4排锚索、双排φ1200桩+4排锚索等四种设计方案引起区间隧道的变形计算结果汇总见表5。

表5 区间隧道结构变形（单位：mm）

由表5看出：

其一，在Z向位移控制方面，φ800桩+2排锚索方案的效果最好，施工过程中隆起最大为1.49mm、沉降最大为-0.87mm。

其二，在Y向位移控制方面，φ1200桩+4排锚索方案优于其他方案，其中在施工过程中位移最大值为-1.79mm。

其三，在X向位移控制方面，各方案差距不大，其中φ1200桩+4排锚索方案较好，施工过程中位移最大值为0.50mm。

综上所述，双排φ800桩+2排锚索方案的Y向位移控制能力稍差于双排φ1200桩+4排锚索，但Y向位移最大为-2.11mm，仍在可控范围之内。因此，综合考虑施工成本，φ800桩+2排锚索方案最优。

4 既有隧道结构安全性分析

为进一步验证双排φ800桩+2排锚索方案的可靠性，对采用双排φ800桩+2排锚索方案施工对区间隧道结构安全性的影响进行详细分析。

4.1 区间隧道结构变形

各开挖步的区间隧道变形量变化曲线如图3所示。

图3 各开挖步区间隧道变形量

由图3看出：

其一，基坑开挖过程（施工步1～9）中，区间隧道各个方向位移分量逐渐增大，最大Z向、Y向、X向位移分别为+1.49mm（隆起）、-2.11mm、0.54mm。

其二，建筑物建成及土体回填（施工步10），将引起区间隧道位移发生变化。其中，Z向位移受影响最大，由隆起变化为沉降-0.87mm，而Y向位移增大为-2.3mm，X向位移减小为0.39mm。

其三，区间隧道的变形以Y向位移和Z向位移为主，X向位移较小。其中，在基坑开挖过程中，区间隧道Z向位移最大；建筑物建成及土体回填后，区间隧道Y向位移最大，为-2.3mm，并且是基坑工程施工全过程中的最大位移值。

4.2 区间隧道结构应力状态

各开挖步时区间隧道结构的拉应力与压应力变化曲线如图4所示。

图4 各开挖步区间隧道的应力

由图4看出：

其一，基坑工程施工过程中（施工步1～10）中，区间隧道最大压应力变化较小，为4.90～4.96MPa。

其二，基坑工程施工过程中（施工步1～9），区间隧道最大拉应力随开挖深度逐渐增大，拉应力范围为0.80～1.28MPa；在建筑物建成及土体回填（施工步10）施工时，区间隧道最大压应力受影响较大，增大约0.24MPa。

4.3 安全系数与裂缝宽度

经计算，各施工步（施工步1～10）的最大轴力、最大弯矩与最小弯矩变化不大。限于篇幅，仅以第10步为代表详述区间隧道结构特征点（弯矩最大点、弯矩最小点、轴力最大点、轴力最小点）的安全系数与裂缝情况（参照《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）中7.1.2～7.1.4条规定计算），见表6。

表6 地铁区间隧道结构安全系数与裂缝情况

由表6看出，区间隧道结构的安全系数最小为9.0，弯矩最大点裂缝宽度最大，为0.05mm；其次为弯矩最小点位置，裂缝宽度为0.03mm。综上所述，区间隧道结构所受最大压应力为4.96MPa，最大拉应力为1.52MPa，最大竖向变形+1.49mm（隆起），最大竖向变形-0.87mm（沉降），X向位移最大值0.54mm，Y向位移最大值-2.30mm，裂缝宽度最大0.05mm。地铁区间隧道结构位移与受力均小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202—2013）与《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）的相关规定。

5 结语

通过采用数值方法对比分析，对于15.0～16.0m深的砂土地层基坑工程，在双排φ800桩+2排锚索、双排φ800桩+4排锚索和双排φ1000桩+4排锚索、双排φ1200桩+4排锚索等4个支护结构设计方案中，双排φ800桩+2排锚索方案能够保证既有区间隧道结构的安全，并且施工成本较低，具有较高的可靠性与经济性。基坑工程施工过程中的监测结果显示，既有区间隧道位移量均在设计控制值（竖向位移与水平位移控制值为6.0mm、预警值为4.2mm）范围以内，隧道结构未发现表观病害，该基坑工程支护结构设计方案对既有区间隧道的保护效果良好。