龔志明

（中鐵隧道局集團建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528299）

0 引言

隨著城市地下空間的開發(fā)利用，越來越多的基坑工程鄰近既有的地鐵隧道，基坑施工不可避免地將破壞地基中原有平衡的應(yīng)力和位移場，嚴(yán)重影響既有地鐵隧道的運營安全[1-2]。

目前，針對基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響，許多學(xué)者已進行一些研究。陳思明等對深圳地鐵11 號線車站基坑臨近上跨既1 號線區(qū)間隧道進行三維模擬分析，得到既有隧道結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中的受力特征和變形規(guī)律[3]。章潤紅等研究了基坑開挖卸荷作用下，鄰近地鐵隧道的埋深、隧道和基坑地連墻距離及剛度比等關(guān)鍵因素對地鐵結(jié)構(gòu)附加彎矩和附加位移的影響[4]。王志杰等以浦梅鐵路新建隧道雙側(cè)近接既有偏壓淺埋隧道工程為依托，利用數(shù)值模擬方法，對不同偏壓角度和凈距關(guān)系下的近接隧道施工影響規(guī)律進行針對性地系統(tǒng)研究[5]。

關(guān)于地鐵車站對超近接并行既有區(qū)間隧道影響的研究較少。因此，依托成都地鐵18 號線倪家橋站，采用有限元計算方法，研究在不同圍護樁樁徑、內(nèi)支撐層數(shù)條件下基坑開挖對既有地鐵隧道的影響。

1 工程概況及模型建立

1.1 新建車站與既有隧道的位置關(guān)系

新建18 號線倪家橋站地鐵車站長639.973 m，寬21.3 m，為地下兩層的島式站臺車站，地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段范圍內(nèi)基坑開挖深度約為16.9 m，新建基坑圍護樁樁長20.77 m，入土深度4 m。18 號線西側(cè)為1 號線隧道區(qū)間，新建18 號線車站與既有1 號線隧道最近距離2.85 m，車站北端與1 號線隧道相距10 m，隧道埋深約8.7 m，基坑開挖施工有引起1 號線隧道沉降和影響其運營的風(fēng)險，如圖1 所示。

圖1 新建車站基坑與既有隧道的相對位置關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)

半蓋挖段場地范圍內(nèi)，地鐵車站基坑上覆雜填土，其下為層厚11 m~13 m 的卵石土，密實，局部地段夾有透鏡狀砂土；下伏層厚0.70 m~15.00 m 的白堊系灌口組（K2g）中等風(fēng)化泥巖，泥巖質(zhì)較軟。地下水賦存于基巖裂隙中，含水量較小。

1.3 模型建立

既有區(qū)間隧道距離基坑最近為2.85 m，基坑開挖是影響隧道內(nèi)力及變形的主要原因。采用有限元軟件建立二維模型研究不同支護參數(shù)對既有區(qū)間隧道受力變形的影響，二維模型如圖2 所示，模型邊界為100 m（X）×70 m（Y），主要分布有雜填土3.5 m、稍密粉細(xì)砂0.6 m、稍密卵石土4.9 m、稍密粉細(xì)砂0.6 m、密實卵石土6.4 m、強風(fēng)化泥巖2.6 m、中風(fēng)化泥巖7 種地層。

圖2 二維模型圖

1.4 選取計算參數(shù)

地層及車站結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 主要力學(xué)參數(shù)

2 新建車站基坑支護參數(shù)對既有區(qū)間隧道的影響分析

從以下2 個方面分析新建車站基坑支護參數(shù)對既有區(qū)間隧道的影響：1）圍護樁樁徑的影響。模擬不同圍護樁樁徑對既有區(qū)間隧道變形及受力的影響。2）橫向內(nèi)支撐數(shù)量的影響。模擬設(shè)置一道內(nèi)支撐、設(shè)置兩道內(nèi)支撐及設(shè)置三道內(nèi)支撐3 種情況對既有區(qū)間隧道變形及受力的影響。

2.1 圍護樁樁徑對既有隧道的影響

右線隧道距離基坑最近，受開挖影響最大，本小節(jié)主要分析既有右線隧道受基坑開挖的影響。

右線隧道與基坑間距2.85 m，圍護樁長22 m。當(dāng)模擬圍護樁樁徑為0.8 m、1 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m 時，分析隧道的位移及地表沉降規(guī)律。為方便建模，將圍護樁轉(zhuǎn)化為地連墻進行分析。地連墻等效厚度見表2。

表2 不同工況對應(yīng)的厚度（單位：mm）

2.1.1 既有區(qū)間隧道位移及受力分析

由圖3 和圖4 可知，拱頂出現(xiàn)沉降變形，拱底出現(xiàn)隆起變形，當(dāng)基坑開挖施工時，隨著地下連續(xù)墻厚度增加，既有隧道襯砌豎向位移不斷減少，拱頂變形大于拱底變形，但是變形規(guī)律相似。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻厚度為0.51m 時，拱頂豎向位移值為2.33mm；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.68m 時，拱頂豎向位移值為1.75mm，比厚度為0.51m 減少了24.89%；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為1.08m 時拱頂豎向位移值為1.27mm，比厚度為0.88m 時減少了9.93%；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為1.28 時拱頂豎向位移值為1.25mm，比厚度為1.08m 時減少了1.57%。地連墻厚度為0.88m 時曲線曲率發(fā)生突變，當(dāng)基坑地下連續(xù)墻厚度小于0.88m 時，隨著地下連續(xù)墻越來越厚，豎向位移減少速度較快，當(dāng)基坑地下連續(xù)墻厚度大于0.88m 時，隨著地下連續(xù)墻越來越厚，豎向位移減少速度趨于平緩，變化較小。

圖3 隧道襯砌拱頂豎向位移

圖4 隧道襯砌拱底豎向位移

由圖5 可知，當(dāng)基坑開挖施工時，隨著地下連續(xù)墻厚度增加，既有隧道襯砌側(cè)墻水平位移不斷減少，靠近基坑側(cè)的右側(cè)墻水平位移明顯。當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.88 m 時，曲線曲率發(fā)生突變，當(dāng)基坑地下連續(xù)墻厚度小于0.88 m 時，隨著地下連續(xù)墻越來越厚，水平位移減少速度較快，當(dāng)基坑地下連續(xù)墻厚度大于0.88 m 時，隨著地下連續(xù)墻越來越厚，水平位移減少速度趨于平緩，變化較小。

圖5 隧道襯砌右側(cè)墻水平位移

由圖6 和圖7 可知，隨著地連墻厚度增加，隧道襯砌軸力和彎矩逐漸減少。當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.68 m 時，隧道軸力和彎矩值比厚度為0.51 m 時分別減少了1.04%、7.42%；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.88 m 時，隧道軸力和彎矩值比厚度為0.68 m 時分別減少了0.53%、5.36%；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為1.08 m 時，隧道軸力和彎矩值比厚度為0.88 m 時分別減少了0.20%、3.37%。地連墻厚度為0.88 m 時，隧道軸力和彎矩發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，當(dāng)?shù)剡B墻厚度大于0.88 m 時，隧道軸力和彎矩繼續(xù)減少，但是變化趨勢逐漸趨于平緩。

圖6 既有區(qū)間隧道襯砌軸力圖

圖7 既有區(qū)間隧道襯砌彎矩圖

2.1.2 地表沉降分析

由圖8 可知，既有隧道有抑制地表沉降的效果，當(dāng)?shù)剡B墻厚0.51 m 時，地表沉降最大達到3.83 mm；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.68 m 時，地表沉降最大達到2.57 mm，比厚度為0.51 m 時減少了32.90%；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.88 m 時，地表沉降最大達到1.97 mm，比厚度為0.68m 時減少了23.35%；當(dāng)?shù)剡B墻厚度為1.08 m 時，地表沉降最大達到1.79 mm，比厚度為0.88 m 時減少了9.14%。地連墻厚度超過0.88 m 時，基坑地表沉降依然減少，但沉降值變化幅度較小。

圖8 地表沉降圖

2.2 內(nèi)支撐層數(shù)對既有區(qū)間隧道的影響

基坑支撐層數(shù)越多對抑制基坑結(jié)構(gòu)的變形越有利，但是層數(shù)過多，會增加基坑施工成本，同時也不利于土方挖運，影響施工工期。該基坑共設(shè)置一道混凝土支撐和兩道鋼支撐，在其他支護參數(shù)不變的情況下，當(dāng)支撐層數(shù)分別設(shè)置為一層、兩層及三層時，分析不同支撐層數(shù)對基坑及既有區(qū)間隧道的影響。

2.2.1 既有區(qū)間隧道位移及受力分析

由圖9 和圖10 可知，當(dāng)基坑開挖施工時，隨著支撐層數(shù)增加，既有隧道襯砌豎向位移不斷減少，拱頂出現(xiàn)沉降變形，拱底出現(xiàn)隆起變形，拱頂豎向變形大于拱底豎向變形，從圖中可以看出，當(dāng)支撐層數(shù)為2 道時，曲線曲率發(fā)生突變，當(dāng)支撐層數(shù)為2 層時，隧道拱頂和拱底豎向位移值變化較大，位移值分別為2.94 mm、0.86 mm，比一層支撐時分別減少了61.72%、16.5%，當(dāng)支撐層數(shù)為3 層時，拱頂和拱底最大豎向位移值分別為1.40 mm、0.82 mm，比兩層支撐時分別減少了52.38%、4.65%。隨著支撐層數(shù)增加，豎向位移減少，速度逐漸減少。

圖9 隧道襯砌拱頂豎向位移

圖10 隧道襯砌拱底豎向位移

由圖11 和圖12 可知，當(dāng)基坑開挖施工時，隧道主要發(fā)生水平位移變化并且距離基坑越近，影響越大。當(dāng)層數(shù)為2 時，曲線曲率發(fā)生突變，左、右側(cè)墻水平位移值分別為0.52 mm、4.84 mm，比一層支撐時分別減少了59.37%、58.02%，當(dāng)支撐層數(shù)為3 層時，左、右側(cè)墻最大水平位移值分別為0.29 mm、2.96 mm，比兩層支撐時分別減少了44.23%、38.84%。隨著支撐層數(shù)增加，水平位移逐漸減少。

圖11 隧道襯砌右側(cè)墻水平位移

圖12 隧道襯砌左側(cè)墻水平位移

由圖13 和圖14 可知，支撐層數(shù)的增加對隧道襯砌軸力和彎矩的影響規(guī)律相反，支撐層數(shù)的變化對隧道襯砌軸力影響有限。當(dāng)支撐層數(shù)為2 層時，隧道軸力和彎矩比1 層支撐時軸力增大了0.16%，彎矩減少了35.19%；當(dāng)支撐層數(shù)為3 層時，隧道軸力和彎矩比2 層支撐時軸力增大了0.11%，彎矩減少了14.23%。彎矩在支撐層數(shù)為2 層時，發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，當(dāng)支撐層數(shù)大于2 時，隧道彎矩減少，速度逐漸減緩。

圖13 既有區(qū)間隧道襯砌軸力

圖14 既有區(qū)間隧道襯砌彎矩

2.2.2 地表沉降分析

由圖15 可知，當(dāng)2 層支撐時，地表沉降明顯減少，當(dāng)2層支撐時，地表沉降最大達到3.55 mm，比1 層支撐時減少了70.78%；當(dāng)3 層支撐時，地表沉降最大值為1.97 mm，比2 層支撐時減少了44.51%。當(dāng)支撐層數(shù)大于2 時，基坑地表沉降依然減少，但沉降值變化幅度較小，隨著支撐層數(shù)的增加，地表沉降最大值逐漸遠(yuǎn)離基坑。

圖15 地表沉降最大值圖

3 結(jié)論

該文以成都地鐵18 號線倪家橋站基坑開挖為背景，采用二維數(shù)值模擬的方法研究不同支護參數(shù)下基坑開挖對既有區(qū)間隧道的變形情況，得到以下2 個結(jié)論：1）增加地連墻厚度可以減少既有區(qū)間隧道襯砌的變形。在基坑開挖過程中，隧道襯砌水平變形大于隧道襯砌豎向沉降，當(dāng)?shù)剡B墻厚度大于0.88m 時，雖然能夠減少既有隧道襯砌水平位移，但是抑制作用并不明顯，因此地連墻厚度為0.88m 是保障基坑安全和經(jīng)濟合理的選擇。2）橫支撐層數(shù)的增加對抑制既有隧道襯砌的變形作用效果較明顯。隧道襯砌水平位移隨著支撐層數(shù)的增加而減少。