上跨地铁基坑开挖对区间隧道变形影响的监测与数值分析

何小龙，董浩伟，陈燕青，代建波

(1.中铁一局集团有限公司， 陕西 西安 710054； 2.西安石油大学， 陕西 西安 710065)

城市用地的日趋紧张，使得诸多城市向地下寻求发展空间，开始修建诸多市政公路隧道。而这些隧道有时需上跨地铁区间隧道，这给公路隧道明挖基坑支护体系的变形控制提出了很高的要求，故需对此类工程的基坑开挖对地铁隧道变形的影响进行专项的研究，以保证安全施工。张治国等[1]在周围土体荷载卸荷影响的基础上，提出基坑开挖阶段对邻近区间隧道阶段性分析的方法。曹顺[2]结合工程实际分析了列车动荷载对基坑围护结构的影响和基坑开挖时既有地铁隧道的变形情况。高广运等[3]根据邻近区间隧道与基坑的位置关系，分析了明挖基坑开挖步序对邻近区间隧道变形的影响。唐鹏军[4]结合一地铁出入口深基坑工程建立三维模型，进行了施工过程的动态模拟与地铁出入口的安全评价。邹伟彪等[5]借助模拟分析结合现场自动监测，研究了基坑开挖对邻近既有地下结构的影响。唐仁等[6]、宋兆锐等[7]、陈思明等[8]、戚长军等[9]、高强等[10]建立了基坑有限元模型对地铁区间隧道影响进行了分析。赵志强等[11]针对基坑开挖对区间隧道影响评估，提出了数值分析与理论解析相结合的新思路。丁毅等[12]对超长、超大基坑开挖对临近地铁结构安全影响进行了数值模拟分析，并介绍了控制变形影响采取的工程措施。丁乐[13]、吕高乐等[14]分析了基坑施工对邻近地铁车站及盾构隧道的变形影响。魏纲等[15-16]对不同加固措施影响进行了数值模拟，并收集了多个基坑工程实例，对实测数据进行了理论分析和统计分析。雷裕霜[17]通过理论分析和数值模拟对下卧地铁变形控制措施及监测方案提出了相应的工程建议。

上述文献对基坑开挖对周边环境影响进行了分析，但未能对超宽基坑对超近上跨地铁结构的变形影响进行专项分析，故本文依托厦门第二西通道A3标段石鼓山立交明挖基坑上跨地铁一号线工程，结合区间隧道变形监测数据，建立基坑支护体系与土体的三维有限元模型，对此类基坑开挖时对区间隧道变形的影响进行分析。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

厦门第二西通道是连接厦门岛外海沧区和厦门本岛的重要交通公路，工程在石鼓山立交段需上跨厦门地铁一号线火炬园—高殿区间隧道，采用明挖暗埋法施工。按交通疏解方案，石鼓山立交段基坑分三期实施，分为3个区段，其中上跨地铁基坑对区间隧道影响最大。该段基坑长54.9 m，宽31.6 m，开挖深度11.3 m～13.7 m。上跨地铁区段基坑与区间隧道斜交，约55°。明挖基坑与地铁1号线区间隧道的平面关系如图1所示。

地铁区间隧道为单线隧道，采用矿山法施工，衬砌横断面如图2所示。区间隧道监测点布设见图3。

1.2 工程地质条件

根据地勘报告，基坑工程场区属剥蚀残丘地带。从地表往下主要地层依次有：杂填土、粉质黏土、全风化花岗岩、砂砾状强风化花岗岩、弱风化花岗岩等。岩土层物理力学参数如表1所示。场区内的地下水以上层滞水为主，补给为大气降水及松散岩体孔隙水为主。

图1 基坑支护结构与地铁一号线平面位置图

图2 区间隧道结构横断面

图3区间隧道监测点布设

表1 岩土体参数

2 基坑支护体系

基坑平面形状近梯形，上、下边长为66 m、45 m，宽31.6 m。围护结构采用C35强度等级Φ1 000 mm@1 200 mm灌注桩+Φ800 mm@1 200 mm旋喷桩止水帷幕。桩顶冠梁尺寸为1 200 mm×1 000 mm。基坑支撑体系为1道钢筋混凝土支撑+2道钢支撑。其中，第1道为900 mm×900 mm混凝土支撑；第2、3道为Φ609 mm×16 mm钢支撑，端部支撑在两侧钢围檩上。坑底采用袖阀管注浆1 000 mm×1 000 mm梅花型布置，加固深度为4 m。混凝土系梁尺寸为600 mm×600 mm，刚系梁采用两40 a槽钢；立柱桩直径1 000 mm。上跨区间隧道基坑横断面图见图4。

图4基坑支护结构横断面

3 区间隧道监测数据分析

3.1 道床竖向位移分析

基坑开挖过程中，由于卸荷的作用，基坑下区间隧道段会有一定的隆起。为了反映开挖过程中隧道变形情况，本文选取了道床竖向位移和隧道结构相对收敛，对它们在开挖中的变化情况进行分析。道床竖向位移和隧道结构相对收敛测点各有29个(对)，沿隧道轴线间隔5 m布置，测点平面布设见图1，横断面布设见图2与图3。基坑开挖阶段见表2。图5和图6分别为不同施工工况下区间隧道左线和右线的道床竖向位移变化曲线。

表2 基坑施工阶段

图5 左线隧道竖向位移

图6右线隧道竖向位移

由图中可以看到，在-20 m～20 m基坑范围内的区间隧道表现为隆起，在基坑中间附近隆起量最大，基坑范围外由隆起逐渐转为少量下沉。左线隧道最大隆起量为3.43 mm，右线隧道为6.42 mm，大87.2%，主要是由于右线区间隧道更靠近基坑中央，隆起更明显。五种工况下，隧道最大隆起量左线分别为0.57 mm、0.54 mm、1.26 mm、2.47 mm、3.43 mm；右线分别为1.06 mm、0.87 mm、2.68 mm、3.91 mm、6.42 mm，相应的各工况下左线引起隆起增量分别为0.57 mm、-0.03 mm、0.72 mm、1.21 mm、0.96 mm；右线引起隆起增量分别为1.06 mm、-0.19 mm、1.81 mm、1.23 mm、2.51 mm。工况2引起隆起量为负，主要是因为施作混凝土支撑且开挖土层仅有1 m，区间隧道竖向位移整体变化都很小。可以看出，工况4、工况5即开挖下半土体引起的隆起量要大于开挖上半土体引起的隆起量。

3.2 隧道结构相对收敛分析

图7和图8分别为不同施工工况下区间隧道左线和右线的道床竖向位移变化曲线。可以看出，沿隧道纵向相对收敛曲线呈折线波动，与隧道竖向位移呈顺滑曲线分布有明显不同。在-20 m～20 m基坑范围内的结构相对收敛整体上大都为负值，只在部分工况个别点上结构相对收敛为正值且较小，这主要是因为隧道顶竖向卸荷相比水平卸荷更为明显。左、右线隧道收敛最大值都出现在0 m即基坑中线附近处，分别为-5.24 mm、-5.40 mm，相比右线大3.1%，差异较小，这与左右线隧道隆起量差异较大有很大不同。五个工况下，左、右线隧道结构最大相对收敛分别为-1.22 mm、-1.10 mm、-1.96 mm、-2.81 mm、-5.24 mm和-0.67 mm、-0.80 mm、-1.76 mm、-2.63 mm、-5.40 mm，相应的各工况引起左、右线相对收敛量差异为-1.22 mm、0.12 mm、-0.86 mm、-0.85 mm、-2.43 mm和-0.67 mm、-0.13 mm、-0.96 mm、-0.87 mm、-2.77 mm。可以看出，工况5即开挖土体至基坑底引起的相对收敛量要比其余工况偏大很多，说明越靠近区间隧道开挖结构的相对收敛量变大越快。

图7 左线隧道结构相对收敛

图8右线隧道结构相对收敛

4 数值模拟与分析

4.1 数值计算模型

本基坑工程支护体系空间不对称，又上跨地铁区间隧道，建立三维模型能较好反映实际，采用有限元软件MIDAS/GTS建立了基坑支护体系与土体的三维有限元模型，并对基坑土体分层开挖进行了模拟。在模型中，基坑围护桩按等效刚度法折算成墙，厚度为788 mm，采用板单元模拟；桩顶冠梁、混凝土支撑、钢围檩、钢支撑、格构柱、立柱桩依据实际尺寸均采用梁单元模拟；地铁1号线区间隧道二衬采用板单元模拟，岩土体采用摩尔-库仑本构模型模拟。模型尺寸为180 m×120 m×60 m，模型网格划分如图9所示，基坑与区间隧道相对位置关系如图10所示。

图9 三维有限元模型

图10基坑与隧道相对位置关系

4.2 计算参数选取

模型中岩土体采用摩尔-库仑本构模拟；支护结构体系刚度较大，采用线弹性模型模拟。围护桩和立柱桩为C35，弹性模量取为31.5 GPa，泊松比取为0.2；桩顶冠梁、第一道混凝土支撑、混凝土系梁为C30，弹性模量取为30 GPa，泊松比取为0.2；钢围檩、钢支撑、格构柱弹性模量取为210 GPa，泊松比取为0.25。

4.3 结果分析

为了与监测数据道床竖向位移形成对比，模型中竖向位移选用隧道底部位置数据。图11为开挖至坑底时地铁区间隧道竖向位移。可以看出，右线隧道竖向位移相对左线隧道竖向位移较大；基坑区域内隧道整体位移表现为竖向隆起，基坑范围外两侧区域的隧道竖向位移变化很小。

图11区间隧道竖向位移

图12和图13分别为数值模拟不同工况下左线和右线区间隧道底部位置的竖向位移变化曲线。工况1时的隧道有一定下沉，主要是与数值模拟时围护桩和基底加固引起竖向荷载一定增加有关。左线隧道最大隆起量为5.87 mm，右线隧道为8.25 mm，大40.5%，右线隆起更明显。五种工况下，左、右线隧道最大隆起量左线为0.11 mm、0.07 mm、1.81 mm、3.93 mm、5.87 mm，右线为0.10 mm、0.02 mm、2.58 mm、5.58 mm、8.25 mm，相应的各工况引起隆起量左线为0.11 mm、-0.04 mm、1.74 mm、2.12 mm、1.93 mm，右线为0.10 mm、-0.08 mm、2.56 mm、3.01 mm、2.67 mm。可以看出，开挖下半土体引起的竖向位移要稍大于开挖上半土体引起的竖向位移。

图12 左线隧道竖向位移

图13右线隧道竖向位移

图14和图15分别为工况1、工况3、工况5下左线和右线竖向位移数值模拟与监测变化曲线对比。可以看出，数值和监测数据整体上变形趋势基本一致，基坑区域内隧道大都隆起，基坑区域外有较小下沉。不过-40 m～40 m区域内，左、右线数值模拟最大隆起位移5.87 mm、8.25 mm，大于监测最大隆起位移3.43 mm、6.42 mm，分别大71.1%、28.5%；两侧区域，左、右线数值模拟最大沉降-0.30 mm、-0.32 mm，小于监测最大沉降-1.35 mm、-1.34 mm。三种工况下，左线隧道监测与数值模拟隆起位移最大值分别为0.57 mm、1.26 mm、3.43 mm和 0.11 mm、1.81 mm、5.87 mm；右线隧道监测与数值模拟隆起位移最大值分别为1.06 mm、2.68 mm、6.42 mm和0.10 mm、2.58 mm、8.25 mm，除工况1外，其他土层开挖工况，左线隧道隆起均小于右线隧道隆起。通过对比说明本模型能一定程度上模拟上跨区间隧道位移变形情况。

图14 左线隧道竖向位移对比

图15右线隧道竖向位移对比

5 结 论

本文以明挖基坑上跨地铁一号线工程为背景，围绕明挖基坑开挖过程对区间隧道变形进行了监测数据与数值分析同步分析研究，得到了以下结论：

(1) 基坑区域内隧道隆起模拟值略大于监测值，基坑区域外外隧道沉降模拟值略小于监测值，不同工况下两者变形规律基本一致。

(2) 地铁区间隧道与基坑中央的距离与其隆起量成负相关，右线隧道隆起量更明显。开挖土体与区间隧道的距离与其隆起量成负相关，开挖基坑下半部分土体引起的隆起量更大。在基坑开挖时需分层分块开挖，以减小开挖卸载引起的区间隧道隆起。

(3) 开挖底层土所引起的相对收敛量大于其余工况，结构的相对收敛变化速率和开挖土体与隧道距离成正相关。

(4) 本次模拟能较好反映上跨区间隧道段基坑施工所引起的基坑及区间隧道位移变形规律，对类似工程提供参考。