城市地下道路基坑开挖致下卧共线隧道上浮规律及控制*

姚晓励，马 杰，刘 飞，谢晟伟

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082； 2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

为了缓解城市交通压力，突破地面交通发展瓶颈，越来越多的城市开展的城市快速路网建设以地下道路形式出现。而这些新建城市的地下道路不可避免地经常出现与既有地铁运营线路相重合或相交情况。地下道路网的建设往往采用明挖法施工，基坑开挖不可避免地引起邻近地铁隧道周边土体卸载，地基土应力状态发生变化，使得隧道产生附加变形和内力，轻则使隧道产生水平位移或上浮，重则导致隧道管片开裂破坏。对于已运营隧道，厘米级变形会加剧隧道管片漏水，出现管片裂损崩角，影响接触网导高，使得地铁道床变形影响轨道标高，从而易于引发各种地铁运营事故。因此，研究基坑开挖对下卧隧道的上浮规律影响至关重要。

目前，国内外学者对此问题的研究以有限元数值分析[1-4]和实测分析[5-6]、理论解析[7-8]及模型试验[9-10]为主。在数值分析方面，Doležalov[1]使用数值模拟法分析了硬质地层中下卧隧道对基坑开挖卸载响应规律，其结果与实际相符。冯晓腊等[2]基于HS本构模型，采用数值模拟法研究了武汉某深基坑开挖卸载对周边土体及既有隧道的影响，所得结果与实测数据相吻合。Lo等[3]采用数值模拟法研究了多伦多粉质黏土地层中基坑开挖对下卧隧道的影响；陈仁朋等[4]通过数值分析方法比较了基坑分块开挖、被动区土体加固及隔断墙等几种典型隧道保护措施的效果。在实测分析方面，魏纲等[5]采用实测分析法研究了14个采取加固控制措施的基坑工程案例，得到基坑开挖对下卧隧道上浮影响的一些影响规律；黄爱军[6]根据工程实测数据和数值模拟得到加固土地层中隧道上浮变形与基坑放置时间、开挖宽度及相对位置的关系。在理论解析方面，张治国等[7]、陈郁等[8]基于Winkler模型，对基坑开挖卸载致下卧隧道变形规律进行了两阶段法分析，较好地预测了隧道的上浮变形。在模型试验方面，Huang等[9]开展了一系列离心模型试验，探讨了深基坑开挖卸载对下卧隧道位移的影响；魏少伟[10]通过离心机模型试验分析了开挖卸荷条件下临近既有隧道横截面附加内力和变形的分布规律。然而，当前针对基坑开挖引起隧道变形影响规律的研究虽然较多，但地下道路基坑开挖对其下卧长距离共线的地铁运营隧道的变形影响分析还鲜见报道。该长距离共线问题更为突出，由于分段开挖的影响会相互叠加，使得隧道上浮量增大。故该方向值得进行进一步探讨。

本文进行了基坑与下卧隧道长距离共线工程案例的实测分析，获得了隧道在地下通道施工全过程的变形演变规律；探讨了基坑开挖过程中下卧隧道抗浮措施的控制效果，可为今后同类工程提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 基坑概况

本文依托某城市快速化改造项目，该项目道路全长约4.8km，基坑与隧道共线长度为3.08km，最大开挖宽度52.7m，最大开挖深度约17.0m，基坑与隧道净距最小6m。主体基坑采用明挖法施工，既有地铁11号线左线隧道位于基坑斜下方，右线隧道位于围护桩下方。其中，K2+847剖面如图1所示。既有地铁隧道为盾构法施工隧道，顶部埋深16.5～23.5m。隧道衬砌环内径6.0m，外径6.7m，环宽1.5m。据地铁隧道变形控制标准要求，基坑开挖过程中隧道水平和竖向位移≤20mm，且上浮速率≤1mm/d，曲线段曲率半径≥15 000m，变形缝差异沉降≤10mm。为保证隧道变形满足控制标准，开挖过程中对地铁隧道水平位移及沉降开展实时监测。地铁隧道中每隔10m设1个监测断面，变形测点分别在隧道顶部、底部及腰部布置4个测点。第1道支撑采用钢筋混凝土支撑，水平间距为6m；第2，3道支撑采用钢支撑，水平间距为3m。

图1 K2+847剖面(单位：m)

1.2 地质条件

场地土层自上而下为人工填土层、淤泥层、黏土层、砾质黏性土层和全风化粗粒花岗岩层。其中，淤泥土层为软弱地层，具有高压缩性和高渗透性特点，工程力学性能差。砾质黏土为花岗岩残积土。该土层具有显著的结构性、遇水软化、崩解特性等。场地地层物理力学性质如表1所示，其中Eur为回弹模量。地下水位埋深变化于1.6～3.9m，地铁隧道主要位于砾质黏土和全风化花岗岩中。K2+847剖面的地质具体剖面如图1所示。

表1 主要土层物理参数

1.3 现有地铁保护措施

基坑开挖时采用分段、分层、分幅和结构紧跟的方式控制地铁隧道上浮量。在场地条件允许情况下，增设分仓施工、留土反压等措施，避免地铁上浮量持续发展。通过地基加固、优化卸载等措施，以达到减少开挖卸荷影响、保护隧道安全正常运营的目的。

2 基坑开挖隧道上浮变形实测分析

2.1 地铁隧道纵向上浮与基坑开挖关系

K2+847剖面左线隧道上浮变形随时间变化曲线如图2所示，其中可发现隧道上浮变形与基坑土方开挖深度有明显对应关系。基坑开挖过程中，下卧隧道变形以上浮变形为主，水平变形相对较小。由图可见，变形曲线可见3个明显上浮段，其中第1，2上浮段均为监测断面上方土体开挖所致，第3上浮段由春节复工后监测断面临近土体开挖引起。上浮段之间的隧道变形稳定段均未进行其他开挖作业。隧道监测断面上方土体初次开挖，即发生隧道竖向变形陡增，虽然采取了一定的补救措施，但变形值已达到14mm。后续土体开挖过程中，虽然采用调整开挖分节长度、开挖完成立即进行底板浇筑和压重等施工方案，但开挖过程仍使得地应力释放，隧道发生一定上浮，最终变形值增大超出控制标准。

图2 K2+847剖面隧道上浮实测变形量

坑底最后一层土开挖后，隧道上浮速率与上浮量均发生显著增加，该部分土体开挖阶段发生的隧道变形量占总变形量比例最大>50%，反映出隧道变形与隧道顶卸载量有直接对应关系。上方基坑开挖，下卧隧道变形呈现三阶段形式，即上浮段、稳定段、回落段。基坑开挖卸载致地基土回弹并致隧道发生上浮。随着开挖深度增大，地基回弹变形显著区域逐渐下移致隧道高度处，从而导致隧道上浮明显增大。随着底板浇筑完成，变形应力逐渐释放，隧道衬砌结构变形值趋于稳定。施工持续进行，上部主体结构逐渐完成，隧道上方荷载增加，隧道变形曲线回落。

纵向隧道上浮变形与基坑施工工况对应如图3所示。由图可知，基坑放坡段坡脚处隧道的上浮变形值最大(K2+784，K2+847)，分别为19.7，20.4mm。如G段所示，当上部结构施工完毕并及时回填土方时，该处的最大上浮量发生明显回落,变形接近0。可见结构施工及拱顶土方回填对隧道上浮控制有明显作用。

图3 不同基坑施工工况下隧道上浮变形量

2.2 地铁隧道上浮与地铁隧道下卧土层的影响

本案例中开挖基坑与下卧隧道长距离共线，不同桩号下隧道的下卧土层主要有砾质黏性土、强风化花岗岩和全风化花岗岩3种类型，其三轴加载-卸载-加载模量分别为25.5，135，45.0MPa。各桩号截面地铁下卧土层刚度变化，对地铁隧道约束及应力释放效果不同。整理监测数据，隧道上浮变形量统计结果如图4所示。在相近情况下，砾质黏性土作为隧道下卧土层时条件最差，隧道结构上浮量大于其他2种情况。此外，相较于强风化花岗岩，下卧土层为全风化花岗岩时隧道结构上浮量更大，差值约30%。可见地铁隧道上浮现象受下卧土层性质影响明显，土体卸载模量越大则上浮量越小。

图4 不同土层下隧道最大上浮变形

3 基于抗浮框架的隧道上浮控制措施

在项目实施过程中，K2+780—K2+860段隧道上浮变形超限。根据已有工程经验，采取“竖井开挖+抗浮板+抗拔桩”的隧道上浮控制措施对隧道变形的控制效果较好，且符合桂庙路快速化工程的隧道保护实际情况。该措施首先施作抗拔桩，然后通过竖井开挖至基坑底面下施作抗浮板，并将抗浮板与抗拔桩刚性连接。待抗浮板完成后，再进行回填土方，具体施工流程如图5所示。抗浮板结构断面和现场施工如图6，7所示。本文采用PLAXIS3D软件对该方案的隧道上浮控制效果进行数值模拟研究。

图5 竖井跳挖法+抗浮框架施工工况流程

图6 抗浮框架剖面示意

3.1 模型介绍

图7 竖井跳挖法+抗浮框架现场施工

数值模拟中“竖井开挖+抗浮框架”方案中各结构相对位置如图8所示。模型中基坑尺寸按K2+847剖面设置，开挖宽度和开挖深度分别为45.5，16.3m。基坑坑底距隧道顶部6.1m，不考虑地下水影响。为降低边界效应对模拟的影响，Lim等[11]提出计算边界应取基坑4倍以上的开挖深度，故最终模型尺寸取400m × 150m × 64m，如图9所示。模型的四周边界施加水平方向位移约束，模型底部同时施加水平与竖直方向位移约束。

图8 “竖井跳挖+抗浮框架”方案模拟平面布置与剖面(单位：m)

图9 三维有限元模型(单位：m)

3.2 参数设置

表2 土体参数

模型结构参数均采用线弹性模型。结构参数设置参考陈仁朋等[13]所用模型，采用不可渗透的板单元模拟围护结构；地铁衬砌采用均质板单元模拟；结构底板采用不可渗透的板单元模拟；具体参数如表3所示，其中E1(横向)与E2(纵向)是板所在平面的2个方向引入不同的弹性模量。采用梁单元模拟钢筋混凝土支撑；采用点对点锚杆模拟钢支撑；具体结构参数如表4所示，其中EA为截面抗压刚度，s为水平间距。

表3 围护结构及隧道衬砌参数

表4 支撑参数

3.3 计算结果

如图10所示，现场实测值与反演值基本吻合，可认为该模型计算较准确。对于K2+900前的无保护措施区域，隧道的最大上浮变形值为23.6mm，且上浮变形均>15mm。而对于K2+900后的“竖井跳挖+抗浮板框架”隧道保护区域，隧道最大上浮变形值为6.1mm，上浮变形均<10mm，对比无保护区域，上浮变形降低74.1%，满足隧道保护要求。可见“竖井跳挖+抗浮框架”措施对控制基坑下卧隧道的上浮变形值效果较好。

图10 计算结果

4 结语

本文基于实测数据分析了长距离基坑开挖对下卧隧道上浮变形的影响规律，并通过数值分析方法研究了“竖井跳挖+抗浮框架”方案的隧道上浮控制效果，主要结论如下。

1)上方基坑开挖，下卧隧道的变形呈现三阶段形式，即上浮段、稳定段、回落段。基坑开挖卸载，地基土回弹使隧道发生上浮。随着底板浇筑完成，变形应力逐渐释放，隧道衬砌结构变形值趋于稳定。施工持续进行，上部主体结构逐渐完成，隧道上方荷载增加，隧道变形曲线回落。

2)坑底最后一层土开挖后，隧道上浮速率与上浮量均发生显著增加，该部分土体开挖阶段发生的隧道变形量占总变形量比例最大>50%。

3)当上部结构施工完毕并及时回填土方时，该处的最大上浮量变形接近0，即结构施工及拱顶土方回填对隧道上浮控制有明显作用。

4)“竖井跳挖+抗浮板框架”隧道保护区域，隧道最大上浮变形值为6.1mm，上浮变形均<10mm，对比无保护区域，上浮变形降低74.1%，满足隧道保护要求。可见“竖井跳挖+抗浮框架”措施对控制基坑下卧隧道的上浮变形值效果较好。