长距离共线基坑下卧隧道上浮控制措施及效果研究

陈福斌，祁恒远，张称呈

（1.深圳市交通公用设施建设中心，广东深圳 518041；2.湖南大学土木工程学院，长沙 410082）

1 研究背景

近年来，随着城市化的快速发展，城市人口急剧增加，给交通运输行业带来了极大的压力，地面交通已远远不能满足人们的出行需求。为了缓解这一压力，突破地面交通发展的瓶颈，越来越多的城市开展地下快速道路网的建设[1]。这些地下城市快速道路建设中不可避免地出现近接既有地铁运营线路施工的情况。城市地下道路埋深浅，往往采用明挖法施工。基坑开挖将引起邻近地铁隧道周边土体卸载，土体应力发生重分布[2]，使得隧道产生附加变形和内力，导致隧道发生位移变形、衬砌结构开裂、渗漏水等病害，影响地铁正常运营[3]。因此，研究基坑开挖对隧道的影响及变形控制措施至关重要。

针对基坑开挖对既有隧道的影响，国内外学者基于模型试验、数值模拟、现场实测及理论解析等手段进行了大量研究。魏少伟[4]通过模型试验研究了基坑开挖对既有隧道结构附加变形及内力的影响。王平豪等[5]和徐海惠等[6]通过三维有限元模拟基坑近接下卧既有盾构隧道开挖，建议基坑采取短分块、小坡率的开挖方法。黄茂松等[7]提出了上方基坑开挖引起下卧隧道纵向变形分析方法，并利用大量的有限元算例进行研究，通过与工程案例的实测结果对比，验证了所提出方法的可行性。胡海英等[8]利用广州某深基坑邻近既有地铁隧道开挖案例，研究了基坑近接隧道施工对衬砌结构的影响。王卫东等[9]基于多个基坑开挖案例的数值模拟结果，提出了适用于上海地质条件的HS-Small 模型参数，并验证了参数的合理性。吴龙梁等[10]针对某桥梁承台深基坑工程，开展下卧地铁隧道在基坑施工期间的变形监测，研究了不同施工工况对地铁隧道位移和变形的影响规律。况龙川等[11]通过实测数据分析发现基坑开挖将导致既有隧道周围土体应力发生重分布，引起隧道结构发生位移变形，威胁地铁服役和运营安全。王理想等[12]通过Mindlin 解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载，建立了基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程，并和实测数据、既有理论方法进行了对比，验证所提方法的适用性。综上，当前针对基坑开挖对既有隧道变形影响规律的研究较多，但针对地下道路基坑开挖长距离共线既有下卧地铁运营隧道的变形影响及控制措施的研究鲜见报道。对于基坑长距离共线地铁隧道开挖，施工作用效应相互影响、叠加，隧道位移变形大，结构病害突出，是设计施工重点关注的问题之一。

本文依托深圳桂庙路快速化改造工程，针对基坑长距离共线下卧地铁11 号线施工期间隧道上浮问题，提出了适应不同区段的差异化变形控制措施，并通过实测数据分析了隧道上浮变形规律及措施的有效性，为类似工程提供参考。

2 工程概况

2.1 基坑及既有隧道概况

深圳市桂庙路快速化改造工程道路全长为4.8 km，工程主路采用下沉式隧道设计，明挖法施工。明挖基坑与地铁11 号线在振海路与南海大道之间平面共线，共线长度为3.09 km，如图1 所示。

图1 基坑与隧道平面相对位置关系示意Figure 1 Plan view of the relative position of the excavation

基坑最大开挖宽度为52.7 m，最大开挖深度约18.0 m，结构形式为闭合框架及U 型槽两种，其中闭合框架段长1 984.5 m，U 型槽段长357 m，如图2 所示。地铁11 号线位于基坑斜下方，为既有运营盾构隧道，隧道内径为6.0 m，外径为6.7 m，管片厚0.35 m，环宽1.5 m，基坑与隧道竖向净距为6.0～20.6 m。

图2 基坑与隧道横剖面相对位置关系示意(K1+560)Figure 2 Cross-sectional view of the relative position of the excavation and the tunnel at section K1+560

2.2 地质概况

桂庙路快速化改造工程位于深圳前海地区，该区域原始地貌为海冲积平原及滨海滩涂地貌单元，后经改造形成现状道路。区域地表平均高程为3.55 m，地下水位位于地表以下2 m。基坑段浅层主要以人工填土为主，局部位置存在淤泥、粗砂及黏土，较深层以淤泥质黏土、粉质黏土和砾砂为主。地铁11 号线高程范围内地层主要为砾质黏性土和全风化粗粒花岗岩。基坑底部到隧道顶部间的土层主要有砾质黏性土、全风化粗粒花岗岩、强风化粗粒花岗岩。

3 基坑开挖隧道上浮控制措施及效果

3.1 K1+180～K1+620及K2+643～K2+857区间

里程K1+180～K1+410 段基坑为闭合框架结构，K1+410～K1+620 段为U 型槽结构。K1+180～K1+620段基坑最大开挖宽度为52.7 m，最大开挖深度为12.5 m，隧道最小覆土9.5 m；K2+643～K2+857 段基坑为闭合框架结构，基坑最大开挖宽度为41 m，最大开挖深度为16 m，隧道最小覆土6 m。

本区域隧道变形控制措施采用“纵向分段+竖向分层+左右分幅+旋喷桩加固”。纵向分步、分层开挖，开挖步长不大于10 m，开挖层厚不大于2 m，左右分幅开挖，并预留覆土反压30 kPa，如图3 所示。采用ϕ600@1 200 mm 的旋喷桩加固隧道周围土体，旋喷桩采用正方形布置，水平竖直方向距离隧道不小于3 m，桩底伸入隧道底以下不小于3 m。基坑加固横剖面如图4 所示。

图3 基坑纵向开挖方案示意Figure 3 Schematic illustration of the longitudinal excavation scheme

图4 基坑坑底加固横剖面Figure 4 Cross-sectional view of the ground reinforcement below the excavation base

K1+180～K1+620段基坑(见图4)开挖使土体卸载回弹，隧道上浮变形不断增加，越靠近基坑中心上浮变形量及土体卸载率越大(由于土拱效应)。如图5～6所示，当基坑开挖至坑底时，隧道上浮量达到最大值约为7.0 mm，土体最大卸载率为0.52。随着基坑主体结构施工及覆土回填，土体出现沉降变形，沉降变形量大于卸载回弹量。这表明闭合框架基坑结构型式和覆土回填可有效补偿前期土体开挖卸载回弹效应，进而显著降低隧道上浮量。K2+643～K2+857 段随基坑不断开挖，下卧隧道上浮量持续增加，最大约为13.4 mm。如图7～8 所示(序号表示开挖顺序)，当基坑开挖区域距离隧道大于30 m 时，开挖作用效应对隧道变形基本无影响。当基坑主体结构开始施作时，土体出现持续沉降变形，表明采用分段、分层、分幅的开挖方案可有效降低基坑开挖引起的下卧隧道变形。

图5 左线隧道上浮量随时间变化(K1+240)Figure 5 Development of the left tunnel heave at cross section K1+240

图6 距基坑中线不同距离处土体卸载率Figure 6 Variation in unloading ratio at different distances from the excavation center line

图7 基坑开挖平面Figure 7 Plane view of the excavation

图8 左线隧道上浮量随开挖顺序变化(K2+830)Figure 8 Development of the left tunnel heave at cross section K2+830

3.2 K2+390～K2+643 区间

里程K2+390～K2+537 段基坑为U 形槽结构，基坑最大开挖宽度为38 m，最大开挖深度为12.5 m，最小覆土10.5 m。本段隧道变形控制措施采用“纵向分段+竖向分层+左右分幅”方案。纵向开挖步长不大于8 m，开挖层厚不大于2 m，采用左右分幅开挖。纵向上，开挖区域、底板、侧墙、顶板、覆土结构间间距不应大于一个开挖步长。基坑开挖横剖面示意如图9 所示。

图9 基坑开挖横剖面示意(K2+400)Figure 9 Cross-sectional view of the excavation at section K2+400

基坑开挖完成至主体结构施工期间，隧道上浮量持续显著增加，增加速率约为0.15 mm/d，由于采用分段、分层、分幅方案施工，且纵向上控制了结构间的间距，隧道最终上浮量仅为7.9 mm，表明采取的施工措施有效地控制住了隧道的变形。隧道上浮量主要集中于基坑开挖完成后的一段时间内，基坑开挖到底时，隧道顶上浮量与最终上浮量的比值平均为61.8%，这表明基坑开挖完成后的隧道持续上浮变形是不可忽视的，设计中应加以考虑。

3.3 K2+857～K3+476 区间

K2+857～K3+476 段基坑为闭合框架结构，基坑最大开挖宽度为40 m，最大开挖深度为18.0 m，隧道最小覆土6.2 m。本区段采用“竖井跳挖+抗隆起框架”的方案控制隧道上浮。如图10 所示，竖井采用“隔三挖一”方案施工，竖井尺寸为15.6 m×7.2 m。抗拔桩深度为18 m，抗浮板厚1 m，竖井开挖现场如图11 所示。

图10 竖井跳挖纵剖面示意Figure 10 Schematic illustration of spaced shaft excavation

图11 抗隆起框架Figure 11 Anti-heave frame

由图12 可知，竖井开挖阶段，隧道最大上浮量达到4 mm，随后由于覆土回填，上浮变形量回落至2 mm。基坑开挖阶段，由于抗隆起框架(抗浮板+抗拔桩)作用，隧道最大上浮量仅为8.0 mm。主体结构施工后，由于荷载反压作用，隧道上浮量出现波动回落，最大回落至6 mm。

图12 左线隧道上浮量随时间变化(K2+899)Figure 12 Development of the left tunnel heave at cross section K2+899

3.4 整体效果分析

针对基坑长距离共线下卧地铁隧道开挖期间隧道上浮问题，本文提出适应不同区段的差异化隧道上浮控制措施，并对施工期间的隧道上浮量进行了监测，如表1 所示。K1+180～K1+620 区间基坑开挖宽度大，隧道覆土相对较厚，采用“纵向分段分步+竖向分层+左右分幅+旋喷桩加固”的变形控制措施后隧道上浮量最大为7.0 mm；K2+390～K2+643 段基坑开挖范围小，隧道覆土厚，采用“纵向分段分步+竖向分层+左右分幅”施工方案后隧道上浮量最大为7.9 mm；K2+643～K2+857 段基坑开挖深度较大，隧道覆土较小，采用“纵向分段分步+竖向分层+左右分幅+旋喷桩加固”方案后隧道上浮量最大为13.4 mm；K2+857～K3+476 段基坑开挖深度大，隧道覆土较小，采用“竖井跳挖+抗隆起框架”的强化加固措施后，隧道上浮量最大为8.0 mm。综上，各区段所采用的基坑坑底加固措施有效地减小了隧道上浮，隧道上浮量均小于规范规定的20 mm 控制标准。

表1 不同区段隧道变形控制措施及监测数据统计Table 1 Different sections of the tunnel deformation control measures and statistics of monitoring data

4 结论

本文依托深圳桂庙路快速化改造工程，针对基坑开挖长距离共线下卧地铁11 号线隧道上浮问题，提出了相应的变形控制措施，并通过实测数据分析了隧道上浮变形规律及控制措施的有效性，主要结论如下：

1) 越靠近基坑中心，隧道上浮变形量及土体卸载率越大，基坑主体结构施工和覆土回填使得隧道沉降量大于上浮量。表明闭合框架结构和回填土可有效补偿土体开挖卸载回弹效应，显著降低隧道上浮量。

2) 隧道上浮量在基坑开挖至坑底时达到最大值，当开挖区域距离隧道大于30 m 时，土体卸载对隧道变形基本无影响。

3) 对不同区段所采取的“纵向分段分步+竖向分层+左右分幅”、“纵向分段分步+竖向分层+左右分幅+旋喷桩加固”及“竖井跳挖+抗隆起框架”的施工加固方案有效减小了隧道上浮，隧道上浮量均小于规范规定的20 mm 控制标准。