暗挖通道与深基坑交叉施工对地铁影响的研究

王慧颖

(江西省地质局第二地质大队，江西 九江 332000)

近些年来，随着城市人口密度的提高和城市化进程的加速，城市地下工程与地铁隧道在空间上的联系越来越紧密，运营地铁和建筑物地下室之间连通的情况越来越普遍[1]。通常与地铁连接的水平通道采用浅埋暗挖法，竖向通道采用明挖法，二者开挖叠加产生的时空效应将对既有的地铁隧道产生额外的附加应力和造成形变等影响。当前，现有地铁隧道的变形是由于临近的暗挖通道与深基坑开挖对其产生影响的相关研究尚不多见[2]。

为保证地铁隧道正常安全通行，相应的规范要求在国家级各省市均已出台，对隧道因外部施工产生的变形提出了更高标准的要求。如：DBJ/T 15-120—2017广东省城市轨道交通既有结构保护技术规范[3]提出的城市轨道交通结构隧道的水平位移及竖向位移安全控制值不得大于15 mm，深圳市《轨道交通运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法(2021年版)》[4]要求车站及隧道结构水平和竖向位移不得超过10 mm,GB 50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范[5]则要求隧道结构沉降控制在3 mm～10 mm、隧道结构上浮控制在5 mm、隧道结构水平位移控制在3 mm～5 mm。以上规范办法对于预先假设工况后建模计算得到的隧道变形程度以及针对隧道不同情况的变形进行有效防护提出了更高质量的要求。

内容依托深圳地铁1号线某车站改扩建连接通道工程，采用有限元模拟分析方法，分析水平暗挖连接通道和深基坑交叉施工对既有地铁隧道的变形影响，为类似地下工程提供经验。

1 工程概况

1.1 新建连接通道工程

此工程分为两部分，如图1所示。

1)A出入口连接通道改扩建工程：在A出入口通道的基础上向西拓宽，新建一条长约30 m，净宽5.1 m的通道。埋深约4.5 m，改扩建段与隧道边线最小的水平净距离仅为3.3 m。改扩建通道采用与原出入口相似的断面形式，将初期支护搭接在既有通道初期支护上，二次衬砌与既有通道二次衬砌紧贴形成如图2所示的“双连拱”形式的结构，以保证结构受力的合理性并减少对既有出入口的影响。

2)新建连接通道工程：位于北侧地下1层商业和南侧地铁A出入口之间。明挖深度9.8 m～11.2 m，开挖面积约502 m2，周长约52 m，新建段深基坑与隧道边线最小距离为30.6 m。采用咬合桩+混凝土内撑作为围护结构，其中基坑南侧的支护桩与原A出入口的共用，支护桩φ1.2 m@2.0 m，外侧打一排φ0.6 m@0.4 m双管旋喷桩止水。

1.2 场地地质条件

原始场地地貌为剥蚀残积的丘陵地貌，现状地形是经过人工先开挖后整平而成，平坦而开阔。新建连接通道所处地层自上而下按顺序排列：①第四系人工填土层,②第四系冲洪积砂土层,③第四系残积层,④基岩层。其中改扩建工程主要存在于②砾砂层中，新建段基坑主要存在于①杂填土、②砾砂、③砾质黏性土层中，各个岩土层的主要物理力学参数见表1。

表1 岩土层主要物理力学参数表

2 交叉施工影响分析

2.1 计算假定

1)基坑施工的计算为三维空间有限元问题。2)修正摩尔-库仑模型被采用在本次岩土体本构模型中。3)结构体均采用线弹性材料模型。4)计算工程中将咬合桩和钻孔灌注桩刚度等效为地连墙。5)模型土层选取最不利勘察孔，各土层分界面均假定为水平面。

2.2 计算模型

基于暗挖通道与深基坑交叉施工，为尽可能减少施工开挖对运营地铁隧道的扰动，须对暗挖通道和深基坑的施工顺序进行对比分析，确定合理施工顺序。

建模时将X方向由基坑外缘扩至3倍基坑深度，Y方向扩至地铁埋深3倍以上，竖向深度选取至强风化土层以下至少1倍基坑深度。因此计算的三维模型取40 m高度，100 m宽度,单元共计约11.2万个，如图3所示。

土体材料参数详见表2。模型顶面边界自由零约束，底部施加X，Y，Z(竖向、水平和纵向)约束，左右前后边界分别施加X(水平)和Y(纵向)约束。模型计算中涉及到的主要荷载含有各个土层、建(构)筑物的重力。对模型水平位移和底部的竖向位移进行约束。

表2 结构计算参数

2.3 工况分析

暗挖通道最顶端与既有地铁隧道衬砌外壁距离仅3.3 m，其超前注浆的范围与开挖进尺的长度决定了地铁隧道变形的程度；隧道拱顶以上的深基坑开挖，会使隧道结构产生水平变形和拱顶隆起。为分析二者单独以及不同施工顺序下对地铁隧道产生的变形影响，设置两种不同工况的数值模型进行研究，其施工工况如表3所示。

表3 数值模型不同工况

模型1：新建连接通道深基坑先施工，扩建暗挖通道后施工。

模型2：扩建暗挖通道先施工，新建连接通道深基坑后施工。

2.4 结果分析

2.4.1 地铁隧道竖向位移对比分析

1)先深基坑明挖后邻近通道暗挖。

通过有限元计算，分别得到模型1深基坑开挖完成时和暗挖通道完成时的隧道沉降云图，如图4所示。a.深基坑完成时，左线隧道(远离基坑侧)拱顶最大下沉0.21 mm，右线隧道(靠近基坑侧)拱顶隆起0.42 mm。b.暗挖通道完成时，左线隧道拱顶最大下沉0.32 mm，右线隧道拱顶隆起1.21 mm。同时，隆起发生最大变形的位置位于邻近暗挖通道处。地铁隧道的总竖向位移中35%是由深基坑开挖引起的，余下的65%是由暗挖通道开挖引起的。由此推断，占比较小的是由基坑的开挖造成的隧道变形，靠近开挖侧的隧道更易隆起。

2)先邻近通道暗挖后深基坑明挖。

模型2地铁隧道位移云图如图5所示，优先施工邻近暗挖通道，随后施工深基坑。a.暗挖通道完成时，左线隧道(远离基坑侧)拱顶最大下沉为0.05 mm，右线隧道(靠近基坑侧)则拱顶隆起0.56 mm。b.深基坑完成时，左线隧道拱顶的最大下沉为0.33 mm，右线隧道则拱顶隆起0.67 mm，隆起发生最大变形的位置也位于邻近暗挖通道处。地铁隧道的总竖向位移中的83.5%是由暗挖通道开挖引起的，余下的16.5%是由深基坑开挖引起的。

提取通道暗挖及深基坑明挖左右线隧道各个拱顶节点的竖向位移数据，沿隧道纵向提取两个模型的拱顶竖向位移量作进一步的比较和分析，如图6所示。

根据经验与相关研究，不同的基坑开挖深度，邻近隧道有可能会出现沉降形变或是隆起形变。究其原因：一是与隧道顶部与基坑坑底之间距离有关；二是与基坑净距有关。隧道顶部与基坑底部竖向距离越短，基坑开挖卸荷对隧道结构造成的扰动效果就越大，所以地铁靠基坑侧的右线隧道拱顶呈隆起趋势，而与之相隔15 m的左线隧道基本上在基坑开挖的影响范围之外[6],拱顶沉降数据差异相对较小，故暗挖通道开挖是地铁隧道产生沉降的主要因素。

2.4.2 地铁隧道水平位移对比分析

1)先深基坑明挖后邻近通道暗挖。

模型1深基坑开挖完成时和暗挖通道完成时的隧道水平位移云图如图7所示。深基坑完成时，左线隧道水平位移最大值为0.79 mm，右线隧道水平位移最大值为2.09 mm；暗挖通道完成时，左线隧道水平位移最大值为1.02 mm，右线隧道水平位移最大值为2.71 mm，且水平发生最大变形的位置均位于暗挖通道处。深基坑开挖地铁隧道产生的水平位移占总水平位移的77%，而暗挖通道开挖占比为23%。由此可见，基坑开挖产生的土体变形是影响地铁隧道水平位移的决定性因素。

2)先邻近通道暗挖后深基坑明挖。

模型2深基坑开挖完成时和暗挖通道完成时的隧道水平位移云图如图8所示。暗挖通道完成时，左线隧道水平位移最大值为0.18 mm，右线隧道水平位移最大值为0.49 mm；深基坑完成时，左线隧道水平位移最大值为1.0 mm，右线隧道水平位移最大值为2.56 mm，且水平发生最大变形的位置均位于暗挖通道处。暗挖通道开挖地铁隧道产生的水平位移占总水平位移的19%，而深基坑占比为81%。由此可见，地铁隧道产生水平位移的主控因素为深基坑明挖。

分析通道暗挖及深基坑明挖左右线隧道拱腰处的水平位移，沿隧道纵向提取两个模型的水平位移值进行对比分析，如图9所示。

由图9可知，模型1与模型2的水平位移最大值基本上一致，因此暗挖通道施工和深基坑施工的先后顺序对隧道水平位移的影响并不大，其影响最大因素为基坑开挖的深度。而左右线隧道水平位移值均大于拱顶沉降值，这是因为隧道位于基坑侧方，基坑土方开挖将释放土体应力，基坑支护结构产生向坑内的水平位移，导致隧道靠近基坑一侧的水平侧向压力减小，使隧道受到一个向坑内的水平附加力，进而使隧道产生向坑内的水平位移，而暗挖通道施工经过管超前、严注浆、短开挖、强支护等手段可以大大减弱其施工对正在运营地铁隧道的影响。

3 对既有隧道变形影响的控制方法

根据分析结果，隧道结构拱顶位移主要由暗挖通道开挖决定，隧道结构水平位移主要由侧向基坑开挖决定。虽然隧道结构的拱顶隆起及水平位移均满足相关要求，但这是因为隧道结构主要在侧向基坑的微弱影响区内[7]，如果出现超前支护不及时、基坑超挖或支护结构水平位移较大等情况，需进一步提出控制隧道变形的方法。

1)暗挖通道使用“新意法”施工工艺。新意法通过全断面超前注浆不仅能够释放超前核心土上的超限应力，还能提高围岩的承载能力[8]。这样便可采用大型机械进行全断面开挖，不仅大大提高施工效率，还能减少对周边围岩的扰动次数，进而减小既有隧道的变形量。2)基坑内 被动区和暗挖通道可先进行地基处理，提高持力层土体物理力学参数，从而抑制地层变形，常采用的基坑加固方式有水泥土搅拌桩、高压旋喷桩和注浆加固等。3)基坑采用盆式开挖，从两边向中间对称开挖，同时周围预留反压土台可以对支护结构起反压作用，有利于支护结构的安全性，减少形变及土体位移。

4 结论

1)对于既有地铁隧道周边存在暗挖通道与深基坑出现交叉施工的情形，比较合适的施工顺序是优先施工邻近地铁隧道的深基坑，再进行暗挖通道的施工，可以有效保证既有隧道的结构变形在合理范围内。2)暗挖通道的开挖由于存在卸载作用，会造成施工范围内地铁隧道的拱顶隆起；明挖基坑的开挖同样也会使周边土体向基坑内移动，从而使地铁隧道结构产生向基坑方向的位移。其竖向位移主要由暗挖通道控制，水平位移主要由深基坑控制，整体位移的大小主要是由深基坑来决定。选取的工程项目局限于深圳市坡残积土及花岗岩地层，未考虑不同类型基坑不同开挖深度及其他地层条件等情况。因该项目监测阶段尚未开始，后期需结合实际监测数据进行更深一步的情况分析。