基坑上跨既有地铁隧道施工扰动效应研究

郑刚强，殷洪波，郭永发，刘正初

（中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明 650200）

1 引言

随着我国城市现代化建设的迅速发展和交通网络日趋完善，基坑工程近距离上跨既有地铁隧道施工案例也越来越多。基坑开挖引起的土体卸载将会破坏土体内部应力平衡，从而造成下方既有地铁隧道出现整体隆起、衬砌开裂、掉块坍塌等病害，严重影响行车舒适度、平稳性，加剧列车磨损甚至引发机车脱轨等安全事故[1]。因此，如何确保基坑上跨既有地铁隧道施工过程中周围土体的稳定，减小对隧道结构和周围环境的影响是目前国内外学者关注的焦点。李瑛等[2]依托杭州铁路东站基坑工程背景，采用三维数值模拟手段对基坑上跨既有地铁隧道施工进行全过程动态模拟。魏纲等[3，4]采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维基坑模型，分析了基坑开挖对下方既有隧道隆起、转动与错台变形的影响。张俊峰等[5]针对跨越运营地铁隧道的超大面积深基坑建立了大型三维有限元模型，采用单纯形反分析程序和有限元方法计算得到了相关土体参数，并预测了基坑开挖最终引起的隧道隆起量。施成华等[6]综合考虑盾构管片接头之间、管片衬砌与围岩之间、螺栓与螺栓孔之间的相互作用，对基坑上跨既有盾构隧道坑底土体加固方式展开研究。

以某在建过江通道上跨既有地铁隧道为工程背景，采用FLAC 3D 数值模拟，构建基坑上跨既有地铁隧道三维数值计算模型，研究基坑施工过程中地表沉降和隧道的变形规律，以期为工程实践提供理论支撑和技术指导。

2 工程背景

2.1 工程概况

某过江通道工程设计范围为NK2+010～NK5+330（SK2+011.755～SK5+660）段，隧道主线明挖段为双向四车道，盾构段为双向六车道，其中，北主线隧道明挖敞口段长307 m，盾构隧道长1 426 m，明挖暗埋段为1 636 m，南主线隧道明挖敞口段长328 m，盾构隧道长1 426 m，明挖暗埋段为1 917.722 m，东、西岸共设置匝道4 条，匝道为单向单车道，匝道长度共计1 606.1 m。既有运营地铁隧道采用盾构法施工，隧道衬砌采用单层钢筋混凝土装配式结构形式，盾构管片型式为平板型。管片外径6 250 mm、内径5 400 mm、管片厚度300 mm、环宽1.2 m。既有隧道变形监测的水平位移和竖向位移控制值为20 mm，预警值为14 mm。

2.2 工程地质条件

明挖隧道底板与运营地铁隧道净距2.8 m，地层自上而下为：杂填土，主要由建筑垃圾、生活垃圾组成，强透水，杂色，松散—稍密；粉质黏土，砂量含量高，干强度及韧性高，黄红色，硬塑。既有地铁隧道位于中—微风化板岩地层，板块构造岩质较硬，破碎—较破碎，岩芯一般呈块状、大块状，少量短柱状，灰色。

2.3 水文地质条件

隧址区地下水主要由上层滞水、基岩及构造裂隙潜水组成，稳定水位埋深2.8～17.6 m，水位标高30.9～62.7 m；东岸稳定水位埋深5.7～6.6 m，水位标高25.9～28.77 m。

3 数值模型及计算过程

3.1 数值模型

根据工程资料，采用有限差分软件FLAC3D 进行数值模拟分析。根据已有研究成果[7]，模型横向长度取5 倍基坑宽度，纵向取基坑5 倍纵向宽度，模型尺寸为：X=100 m，Y=60 m，Z=46 m。基坑、围护结构及地铁隧道均采用实体单元，支撑结构采用beam 单元模拟。约束计算模型左右两侧、前后边界及底部的法向位移，模型顶面为自由表面。构建的基坑、围护结构及地铁隧道三维数值计算模型如图1 所示。模型中各材料参考地质勘查报告试验结果，各材料的物理力学参数见表1。其中岩土体材料遵循Mohr-Coulomb 破坏准则，围护结构、既有线管片和支撑结构均采用线弹性本构关系。

图1 三维数值计算模型

表1 模型材料物理力学参数

3.2 计算过程

根据本工程段实际开挖施工步序，数值模拟计算步骤如下：（1）根据土体分层情况，赋予各层土体材料参数，使模型在自重应力场达到初始平衡；（2）将第一步位移清零，一次性开挖既有隧道内土体，赋予既有隧道管片参数并计算；（3）由于本文着重论述基坑开挖对既有隧道的影响，因此，将第二步计算得到的位移归零，随后赋予围护结构相应参数并计算；（4）将上一步施作加固措施及围护结构所产生的位移归零，施作第一道混凝土支撑并开挖第一部分基坑土体；（5）施作第二道钢支撑并开挖第二部分基坑土体。计算过程中，于第（4）步开始，通过编制FISH 语言，记录地表和既有隧道的变形规律。

4 数值计算结果分析

4.1 基坑结构及地表变形规律

开挖全过程基坑结构变形如图2、图3 所示，可以看出，基坑开挖引起土体卸载会破坏土体原有应力平衡，使得地应力重新分布，造成基坑底部隆起。随基坑开挖深度增加，基坑底部隆起增大。当开挖基坑第一层土体时，基坑底部最大隆起量为18.72 mm；当开挖基坑第二层土体后，基坑底部最大隆起量为20.36 mm。

图2 开挖第一层土体时基坑变形云图

图3 开挖第二层土体时基坑变形云图

数值模拟基坑开挖的过程中，对基坑长边一侧的地表沉降进行监测。靠近基坑6 m 范围内每隔1 m 布置一监测点，6 m 后每隔2 m 布置一监测点。各监测点的地表沉降情况如图4 所示。可以看出：

图4 地表沉降变化规律

1）基坑开挖全过程，地表沉降的变化规律基本一致，随着距基坑距离的增加，地表沉降呈现先增后减的变化趋势，在距基坑3～4 m 位置处，地表沉降达到最大。因此，在基坑上跨既有地铁隧道施工过程中，应严格控制距基坑3～4 m 位置处的施工附加荷载。

2）随着基坑开挖深度增加，地表沉降值逐渐增大。当开挖基坑内部第一层土体时，最大沉降值为12.39 mm；当开挖基坑内部第二层土体后，最大沉降值为16.47 mm。由此可见，在基坑上跨既有地铁隧道施工过程中，地表沉降值基本处于沉降安全范围以内。

4.2 既有隧道变形规律

开挖全过程既有隧道变形如图5 和图6 所示，可以看出，随着基坑开挖深度增加，既有隧道隆起变形逐渐增大，当开挖基坑内部第一层土体时，既有隧道最大隆起量为12.48 mm，最大隆起位置为基坑正下方，隧道变形整体呈现中间大两侧小的趋势。当开挖基坑内部第二层土体后，既有隧道最大隆起量为19.72 mm，最大隆起位置仍为基坑正下方。由此可见，基坑上跨既有地铁隧道施工时，会导致隧道整体产生较大的竖向变形，且该竖向变形远远超过了预警值14 mm，严重影响隧道结构及列车运营的安全。

图5 开挖第一层土体时隧道变形云图

图6 开挖第二层土体时隧道变形云图

由于2 条隧道对称分布，着重分析左侧隧道的变形情况，通过内置命令记录隧道拱顶、拱底、右边墙和左边墙Z 方向变形，记录右边墙和左边墙X 方向变形，纵向上每隔2 m 布置一个监测点。提取各监测点的变形情况，如图7 所示。可以看出：

图7 既有隧道变形曲线

1）各监测点变化规律基本一致，随着基坑上跨既有地铁隧道施工，隧道整体产生隆起现象，且距基坑中心距离越小，隆起量越大。另外，隧道拱顶和拱底部位的隆起量较大，而隧道拱腰部位的隆起量非常小。由此可见，隧道隆起变形整体呈现中间大两侧小的变化趋势。

2）随着基坑开挖深度增加，隧道拱顶、拱底和拱腰的隆起均增大。当开挖基坑内部第一层土体时，拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰的最大隆起量分别为12.48 mm、6.72 mm、1.21 mm 和0.21 mm，当开挖基坑内部第二层土后，拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰的最大隆起量分别为19.72 mm、10.32 mm、1.57 mm 和0.45 mm。

5 结论

采用有限差分软件FLAC 3D 进行数值模拟预测基坑结构、地表和既有隧道变形，得到基坑上跨既有地铁隧道施工过程中基坑结构、地表和既有隧道变形量。其中，地表呈整体下沉趋势，基坑开挖完成后，最大沉降值达到16.47 mm，处于沉降安全范围以内；既有隧道呈整体隆起趋势，基坑开挖完成后，拱顶最大隆起量达到19.72 mm，拱底最大隆起量达到10.53 mm。