【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.006

Research on Construction Procedure of Foundation Pit Adjacent to Existing Subway Tunnel

GUO Jijie'，ZHANG Xiaoli2*，LI Dayong'，GU Yongcai2 （1.JinanRailTransit GroupCo.Ltd.，Jinan25o14，China;2.ChinaRailwaySixth SurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd. Tianjin ，China）

【Abstract]：Inorder to mitigate the impactof foundation pit excavation on existing tunnels，a case studywas conducted on afoundation pit adjacent to the Jinan Metro Line 2.Through numerical simulation analysis，the influenceof three excavation processes （layer-by-layer，section-by-section，and combined layer-section）on tunnel vertical displacement was systematically investigated.Comparative analysis demonstrated that the layer-section excavation method exhibited the leastimpact on tunnel deformation andaxial force，validated byboth numerical simulation and field monitoring data.

【Key words】： foundation pit;tunnel;excavation and unloading;construction process

隨著我國地下空間開發(fā)進程的加快，基坑近接既有地鐵隧道的案例越來越多。開挖卸載打破了原有土體的應力平衡，使基坑周圍土體在不平衡力作用下產(chǎn)生變形和位移，從而使既有隧道承載能力下降甚至產(chǎn)生較大變形，影響行車安全；因此采用合理施工工序來減小隧道變形的研究具有重要意義。

目前國內(nèi)外學者對基坑開挖引起下臥隧道上浮的變形控制措施進行了大量研究。郭鵬飛等2、王曉華等等研究了基坑形狀、卸荷比、開挖面積等對隧道豎向位移的影響，結(jié)果表明基坑開挖深度、面積、卸荷比越大，隧道頂部埋深越小引起隧道豎向位移越大。劉波等、趙朋、高強等、鄭剛等-陳福斌等吳懷娜等通過數(shù)值模擬或工程實測等表明坑內(nèi)土體加固、堆載回壓、施打抗浮樁等措施均可減小基坑開挖對既有隧道的影響。

上述研究大多針對采用主動加固措施的聯(lián)合控制方法，對僅采用施工工序控制隧道變形并通過現(xiàn)場實踐加以驗證的相關(guān)研究較少。本文以市某管道基坑上跨地鐵2號線工程為例，基于分層、分段開挖思想，提出3種不同的基坑施工工序，通過基坑開挖引起隧道位移和內(nèi)力分析，對其施工安全性進行評價，選取最優(yōu)方案。通過實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)相互驗證，說明研究結(jié)果的正確性。

1工程概況

1.1 基坑

擬建管道項目上跨地鐵2號線某盾構(gòu)區(qū)間隧道，與地鐵線路夾角約 80^° ，交叉段管道采用開挖預埋保護涵方式穿越。見圖1。

2組管涵均為寬 3.22m. 高 1.5m 的混凝土管涵，管涵之間凈距 3.3m 。管道基坑寬約 11m 深 5m ，放坡法施工，邊坡采用噴錨支護，隧道結(jié)構(gòu)頂距基坑底高約 4.5m 。見圖2。

1.2工程地質(zhì)條件

擬建場地地貌單元為山間平原 ～ 丘陵，地形平坦，場地分布土層自上而下依次為黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、全風化泥灰?guī)r、強風化泥灰?guī)r、中風化泥灰?guī)r，地下水埋深約 22.10～29.10m ?；拥字饕挥诜圪|(zhì)黏土中，區(qū)間隧道拱頂處于全風化泥灰?guī)r中，坑底與隧道頂所夾土層主要為粉質(zhì)黏土及全風化泥灰?guī)r。

1.3既有隧道概況

盾構(gòu)區(qū)間左右線均為單洞單線圓形斷面隧道，管片內(nèi)徑 5.8m 外徑 6.4m ，區(qū)間隧道與管道交叉處隧道埋深約 9.5m 。

基坑施工前，隧道與擬建管道交叉影響段已施工完成。經(jīng)現(xiàn)場查看，盾構(gòu)管片觀感良好，表面混凝土無明顯蜂窩麻面現(xiàn)象，無明顯貫穿裂縫，局部無濕漬，無滲漏水。

2三維數(shù)值模擬

2.1模型建立

采用FLAC3D有限差分計算軟件建立數(shù)值模型，模型長 × 寬 Φ_× 高 =56m×56m×28.7m 。巖土體為實體單元，服從摩爾-庫倫本構(gòu)；隧道管片為板結(jié)構(gòu)單元，服從彈性本構(gòu)。見圖3。

2.2計算參數(shù)

土層參數(shù)按照隧道區(qū)間巖土工程勘察報告確定，見表1和表2。

2.3施工工序

針對基坑開挖、管道保護涵建立、基坑回填等作業(yè)對隧道結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，提出3種基坑施工工序方案。

方案一：管道基坑分層開挖，每次開挖深度按照2m 考慮，開挖至基坑底后，一次性澆筑2個管涵結(jié)構(gòu)。見圖4。

方案二：管道基坑分段開挖，跨越區(qū)分3段施工，每次開挖約 10m ，每段開挖完成后澆筑管涵結(jié)構(gòu)并回填肥槽后，然后進行下一段施工。見圖5。

方案三：管道基坑分層分幅開挖，先整體分層，開挖 3m ，下部管涵范圍按照左右分幅施工方式，首先開挖左幅土體至基坑底，管涵施工完成后回填至蓋板以上 0.5～1.5m ，左側(cè)管涵施工完成后開挖并施工右側(cè)管涵，最后分層回填至地面標高。見圖6。

3不同施工工序數(shù)值模擬

隧道已經(jīng)施工完成一段時間，地層基本穩(wěn)定。根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間施工特點，假定隧道開挖完成后立即完成管片施工，管片完全承受地層壓力，隧道完成開挖時的巖土結(jié)構(gòu)應力場為初始應力場。地層結(jié)構(gòu)位移及速度場清零作為初始位移速度場，模擬分析基坑分層開挖對隧道結(jié)構(gòu)影響。

3.1位移

3.1.1基坑開挖引起隧道豎向變形

基坑開挖卸載導致隧道拱頂與拱底產(chǎn)生不同程度上浮，拱頂產(chǎn)生的豎向位移均大于拱底，拱頂與拱底豎向位移變化趨勢基本一致。當基坑分層開挖時，隨開挖深度增加，隧道豎向位移呈階梯形變化?；娱_挖 1，3，5m 時引起隧道豎向位移最大分別為1.5、3.7，6.4mm 。隧道拱部上浮變形最大為 6.4mm ，大于隧道豎向位移控制值 5mm ；因此，如果基坑開挖完成后未及時施工管涵，會引起隧道較大的變形，造成變形超限。當基坑分段開挖時，第一段開挖至基坑底引起隧道上浮約為 5.1mm ，第一段混凝土管涵澆筑完成后隧道上部荷載增大，隧道上浮減小至 3.1mm ；第二、三段基坑開挖再次引起隧道上浮，隧道豎向位移上升至 4.2mm ，管涵結(jié)構(gòu)澆筑完畢后隧道豎向位移下降為3.4mm ，相較于基坑一次性開挖至基坑底再施作混凝土結(jié)構(gòu)，分段開挖并及時施工管涵結(jié)構(gòu)可以減小隧道隆起 34% 。當基坑采用分層分幅施工工序開挖時，隧道豎向位移與分層開挖相同，呈階梯性變化，由于開挖后施工混凝王管涵回壓，隧道變化幅度遠小于分層開挖工序；3個施工階段產(chǎn)生的最大位移分別為1.5、3.0，3.7mm ，整個施工過程中最大豎向位移為 3.7mm 較基坑分層開挖開挖減小約 42% ，小于隧道豎向變形限值 5mm 要求，具有良好的位移控制效果。見圖7。

3.1.2基坑開挖引起隧道水平變形

基坑開挖導致隧道管片左右側(cè)產(chǎn)生反方向位移，位移大小基本一致。當基坑分層開挖時，隧道水平位移隨開挖深度增大而呈階梯形變化，開挖 ^1，3，5m 時最大水平位移分別為 0.3，0.7，1.3mm 。由于基坑與下臥隧道交叉角度較大，分段開挖導致隧道左右兩側(cè)不均勻卸載，隧道管片因此產(chǎn)生不對稱變形：第一段施工時隧道右側(cè)土體開挖，導致右墻產(chǎn)生最大位移約為1.8mm ，管涵施工并回填后管片右側(cè)水平位移逐漸減小；第二段施工時，管片左側(cè)頂部土體開挖，隧道左墻水平位移增大；第三段基坑開挖后，管片左側(cè)產(chǎn)生最大水平位移 0.8mm ，隨后混凝土管涵施工及覆土回填，隧道左墻水平位移逐漸減小。整個施工過程中，隧道最大水平位移為 1.8mm ，較基坑分層開挖增大約38% 。基坑分層分幅開挖引起的道水平位移與分層開挖相同，隧道管片左右兩側(cè)位移方向相反，大小基本相同，水平位移隨基坑開挖呈階梯形變化，但由于分幅開挖后及時施工混凝土管涵結(jié)構(gòu)，對下臥隧道起到反壓作用，因此引起隧道水平位移變化較小，隧道最大水平位移約為 0.8mm ，較分層開挖減小約 38% 。見圖8。

3.2應力分析

3.2.1隧道彎矩

基坑開挖引起隧道周邊地層擾動，導致巖土體應力分布發(fā)生較大的變化，進而造成管片內(nèi)力改變。在周圍土壓力作用下，隧道在拱頂、拱底及兩側(cè)產(chǎn)生較大彎矩，由于基坑開挖卸荷作用，開挖處拱頂彎矩略小于其他位置。基坑開挖前，管片完全承受巖土體壓力（初始階段）時，隧道拱部最大彎矩為 125.3kN?m ，兩側(cè)最大彎矩為 117.6kN?m ?；娱_挖后，3種施工工序下隧道拱頂彎矩分別減小為 107.3，110.1 、110.0kN?m ，較初始階段分別降低 13.7% / 12.2% 、12.2% 。由于分段開挖、分層分幅開挖后均及時施工混凝土管涵，故引起隧道彎矩變化略小于分層開挖。見圖9。

3.2.2隧道軸力

基坑開挖卸荷導致開挖區(qū)域隧道上浮，隧道拱頂產(chǎn)生較大軸力?；娱_挖前，隧道管片完全承受地層壓力的情況下，管片拱部最大軸力為 51.7kN ；分層開挖引起隧道拱頂最大軸力為 670.0kN ，比初始階段內(nèi)力增大近13倍；分段開挖引起隧道最大軸力為351.9kN，比初始階段內(nèi)力增大約7倍；分層分幅開挖引起隧道最大軸力為 98.4kN ，比初始階段內(nèi)力增大約2倍。采用分層分幅開挖引起隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力遠小于另外2種開挖方案。見圖10。

若基坑全部開挖至基坑底后再施工管涵結(jié)構(gòu)，卸載效應明顯，卸載后巖土體回彈變形大，由此產(chǎn)生的隧道變形容易超出位移控制范圍，隧道管片產(chǎn)生較大內(nèi)力。采用分段或分幅開挖均通過部分開挖卸載并及時施作混凝土管涵結(jié)構(gòu)回壓，可減小隧道結(jié)構(gòu)變形，降低管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力；但在基坑走向與下臥隧道走向交叉角度較大的情況下，分段開挖易使管片偏壓受力，產(chǎn)生不均勻變形，不利于隧道安全。經(jīng)對比，分層分幅開挖引起的隧道變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力最小，因此基坑采用分層分幅工序施工更為合理。

4現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

基坑不同施工工序開挖引起隧道變形和內(nèi)力變化情況不同，見表3。

進行為期為期6個月的現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測點平面布置見圖11。

基坑施工階段主要為前3個月，因此前3個月隧 道變形較大，基坑施工完畢后，隧道位移趨于穩(wěn)定。

模擬所得基坑開挖引起隧道豎向變形規(guī)律與現(xiàn)場實測所得變形規(guī)律基本一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可靠性，但由于模擬過程中無法考慮施工擾動、降雨、堆載等偶然因素，因此位移模擬值與實測值存在一定差異。隧道管片結(jié)構(gòu)因土體卸載、回填呈先升后降的趨勢，隧道拱頂最大位移實測值為 2.83mm ，計算值為 3.70mm ，拱底最大位移實測值為 2.25mm ，計算值為 3.08mm 。模擬值與實測值相差較小，且均在設(shè)計和規(guī)范允許范圍內(nèi)，因此可以認為基坑分層分幅施工可以大大減小對下臥隧道變形和內(nèi)力的影響。見圖12。

5結(jié)論

1）基坑分層開挖至坑底再施做管涵結(jié)構(gòu)一次性卸載量大，隧道結(jié)構(gòu)在拱頂產(chǎn)生較大位移和軸力，分段或分層分幅開挖后及時施作管涵結(jié)構(gòu)回壓可降低這種影響。

2）與分層開挖相比，分段開挖和分層分幅開挖均可減小基坑開挖引起的隧道豎向位移，分段開挖可降低隧道豎向位移 34% ，分層分幅開挖可降低隧道豎向位移 42% ，由于分段開挖易導致隧道偏壓受力，產(chǎn)生不對稱變形，故采用分層分幅工序施工更有利于隧道

安全。

3）基坑開挖卸荷導致開挖區(qū)域隧道上浮，使隧道拱頂產(chǎn)生較大軸力。分層、分段、分層分幅開挖引起隧道軸力分別增大13、7、2倍，分層分幅開挖引起隧道拱頂軸力最小。

4）經(jīng)現(xiàn)場實踐驗證，基坑分層分幅開挖引起隧道豎向變形規(guī)律與模擬所得變形規(guī)律基本一致，分層分幅施工工序可有效抑制管片變形，保證隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

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