浅埋段地铁隧道正上方基坑施工对隧道变形的影响

赵鹤泉 梁昊庆 钱炜骏

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

目前，地下空间开发与施工的研究主要集中于紧邻地铁隧道或车站的工程，而未来越来越多的项目开发将涉及地铁隧道正上方区域的施工与保护[1-4]。本文基于某实际工程的地铁隧道上方基坑开挖及底板施工过程的记录与地铁变形结果的分析，研究基坑暴露时间对隧道上方加固区域的变形影响，以及基坑施工方案的优化。通过建立数值模型分析变形趋势并与实时监测数据进行对比，验证了模型数值分析的正确性与施工方案的优化效果。

1 施工时间及分块对隧道的影响

1.1 工程概况

某大型商业综合体项目位于上海市中心城区，周边环境极为复杂。北侧有众多商业办公楼及居民住宅区，南侧包括超高层建筑、受保护的学校及居民区等。此外，对施工制约最大的还有南侧的市政核心道路以及紧密相关的2条地铁线路。其中东侧为某地铁线路车站，与基坑东侧共用基坑地下连续墙，北侧的另一地铁区间隧道横卧于施工场地下方，基底距隧道正上方约5 m。在地铁隧道正上方进行开挖施工，会对地铁结构造成诸多影响，比如：基坑卸土造成土体应力减小而产生变形对隧道结构的影响、桩头破除时的振动对土体结构的扰动等。基于安全考虑，此区域施工必须严格按照地铁管理方的要求，在每日地铁停运后开始施工，并需要在次日地铁运营前完成开挖区块的底板混凝土浇筑。该区域的底板共分为165块，基坑地板分区如图1所示。

图1 基坑开挖分块平面示意

1.2 施工时间的影响分析

对区间隧道而言，基坑施工影响最大的便是卸载的工况，尽管该施工区域已完成门式满堂加固，但仍会造成隧道整体的垂直位移以及管片的径向收敛变形。基于以上分析，此区域基坑最后一皮土方与底板施工于23时开始开挖。开挖方案为每次施工上行线或下行线隧道上方的3 m×17 m单块底板，并在此范围东西两侧留置一定的加固土坡。

尽管主要的卸载过程为挖土，但直至混凝土浇筑完成之前，仅有预制的底板钢筋笼有一定的压重作用，因此开挖至浇筑混凝土完毕前均认为是卸载影响时段。

另一方面，每个施工日（按照地铁管理方要求，原则上每周的施工窗口期仅为3 d）前后2次的地铁监测报表需悉数汇总。数据从监测方法上分为“人工监测”与“自动化监测”，变形数据重点关注点主要为“管径收敛”与“垂直位移”。

人工监测报告的频率一般为一周3次，同一个点的累计变化量可能未能准确表达施工当日的影响。而自动化监测则是每日更新，可以更直观地看到当日的变化情况。自动化的监测频率高，可以准确分析出施工当日前后的变化。但是根据数据分析结果（图2），自动化监测大多数观测数据均为0，可认为短时间的影响较小，故认为此类变形数据监测可以人工监测为主。

图2 施工时间对管径收敛的影响（自动化监测数据）

将施工时间按照升序排列后，将其与垂直位移与管径收敛数据进行比较，比较结果如图3～图5所示。

图3 人工监测下施工时间对垂直位移的影响

图4 自动化监测下施工时间对垂直位移的影响

图5 人工监测下施工时间对管径收敛的影响

对图3～图5进行分析可知，首先，尽管人工监测数据出现了部分下沉的情况，但几乎绝大部分数据都反映了隧道结构上浮的结果。并且施工时间与上浮程度呈正相关，这一点在自动化监测结果中更得到了清晰的显现。

虽然每次施工对于结构垂直位移的影响只有0.5 mm左右，但施工时间确实是地铁区间隧道变形的主要影响因素。出于保护地铁结构安全的原则，应该合理调整施工的搭接并提高工作效率以减少基坑暴露时间和地铁区间隧道周边土体卸载时间。

从图5中，还可以看到，大部分的管径收敛数据为负数，代表着基坑开挖施工导致的隧道上方空间卸载会引起隧道管片的左右径向收缩，呈椭圆状。因此出于对地铁保护的考虑，需要加固隧道两侧的土体强度。

1.3 施工方案的比对

由于本工程本身的工期压力比较紧张，而且地铁管理单位也同样提出了较高的施工工期要求。因此项目部提出之前并未开展过的施工安排，即从原来的仅施工上行线或下行线隧道上方的单块底板，改为同时施工上下行线隧道上方的两块底板。从时间上来说，由于钢筋笼都是提前预制，相较原施工方案的区别仅为土方开挖时间，而经过施工搭接磨合后，现场施工团队也已可以做到较好的施工同步性。因此，重点考虑因素为开挖范围扩大是否会导致区间隧道周围土体变形增大。实际情况如图6～图8所示。

图6 人工监测下施工时间对管径收敛的影响

图7 人工监测下施工时间对垂直位移的影响

图8 自动化监测下施工时间对垂直位移的影响

从图6、图8可以看出，新施工方案变形影响略有增大，但图8中的垂直位移变形两者区别较小，采用新方案之后，暴露时间确实略有增加，综合来看，尽管开挖的区域变大，但是整个窗口期（地铁停运期间）的卸载时间却并没有较为明显的增加，而且同步施工的另一好处就是可以保证上、下行线垂直方向微小位移的同步性，不会超过设计允许的差异位移要求。

综上所述，优化施工后的“上、下行线同步开挖”方案，与原方案对地铁造成的变形影响较为一致，且能较早地完成施工，以及合理地安排夜间施工的人、机、物料组织，是一个可以借鉴的新型地铁隧道上方基坑施工的方案。

2 基坑-隧道相互作用数值模拟计算

通过有限元分析，建立和施工情况相近的数值模型。分别模拟基坑原始情况与开挖施工后的卸载工况。如图9、图10所示。通过模拟该工况下的地下空间变形情况，可看到地下加固区域的变形趋势及隧道结构自身的变形趋势。由于模型均参照实际工况以及地下土的门式加固情况，因此该模拟下的数值变化对于实际施工具有指导意义。

图9 基坑（加固）数值模型

图10 基坑开挖数值模型

而针对隧道本身，同样也模拟了其施工状态前后的变形区别，如图11、图12所示。从结果上来说，斜椭圆的变形模式可能是基坑中间到两侧隆起量不同所造成的。

图11 开挖前的隧道形态

图12 开挖后的隧道形态

3 基坑-隧道相互作用数值模型验证

通过以上施工监测数据分析，基坑施工时区间隧道变形主要以水平径向收缩为主。而数值模型所体现的斜椭圆变化形态与实际监测隧道变形数据相符。但需要指出数值模型无法精确预测隧道变形量，体现为计算值高估了隧道实际变形，这一现象主要是因为所采用的本构模型不能完全地描述土体复杂的非线性特征所致。

但考虑到现场地层情况的复杂性，通过本文所介绍的数值模型可以帮助理解基坑开挖对下卧地铁隧道影响的机理，初步设计阶段可对优化加固方案、施工时序等方面提供建议和指导。

在原位土体试验数据的支撑下，可采用能考虑土体加卸载非线性以及固结特性的精细化土体本构模型，同时精确模拟周边环境边界的状态，以得到更为准确的计算结果，为设计与施工提供指导。

4 结语

1）通过施工记录与地铁监测报告的整理分析，明确了地铁区间隧道在上部土方开挖工况的变形以上浮以及隧道径向收缩为主。

2）通过施工方案的调整比对以及2个不同施工方案下的地铁变形趋势的分析，得出跨上、下行线，一次施工2个基坑的方案是合理的，对于地铁结构的变形在可控范围之内，同时可加快施工进度，减少影响地铁区间隧道变形的绝对时间。

3）通过有限元数值模拟分析，将数值分析结果与施工实际监测数据进行对比，发现地铁区间隧道变形趋势一致，数值分析对于横卧基坑下方的地铁隧道在施工期间的变形趋势预判将有较大的指导意义，可对施工工况引起的地铁区间隧道变位进行预测。