基坑开挖中既有下穿地铁隧道隆起变形分析

李平;杨挺;刘汉龙;王义;陈育民

【摘 要】Based on the foundation supporting project of the running double-track shield tunnels of Nanjing Metro Line 1, which was underlying Long-pan tunnels in Nanjing Railway Station Square, a series of design methods to resist the heave of the two existing shield tunnels were developed, including the pit reinforcement, artificial strip excavation and pile-sheet retaining. Furthermore, FLAC3D was employed to simulate the foundation support and the whole excavation process. The deformation regularity and influence factors of the shield tunnels were studied by comparing the numerical results with the filed data. It was concluded that the numerical method could simulate the real excavation process of the new tunnel. Under the condition of small deformation, the displacement of the shield tunnels was basically identical with that of the soil. Pile-sheet retaining method associated with pit reinforcement can effectively control the heave deformation of the metro tunnels during soft soil excavation. This study made a good example for the future similar engineering.%为了研究下卧隧道的隆起变形规律及其影响因素,结合南京火车站站前广场龙蟠路隧道西段上跨地铁1号线双线盾构隧道的基坑支护工程,开展了坑内满堂加固、人工抽条和桩板支护等盾构隧道抗隆起措施设计.采用三维有限差分程序FLAC3D对基坑支护及其开挖的全过程进行了数值模拟,并通过与现场实测数据的对比分析,研究了地铁隧道的变形规律及其影响因素.分析结果表明,数值模拟可以实现施工全过程的动态开挖；在小位移变形的情况下,地铁隧道变形和土层位移基本一致；基坑软土

开挖采取旋喷桩满堂加固与桩板支护相结合的加固措施可以有效控制地铁隧道的隆起位移.

【期刊名称】《解放军理工大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2011(012)005 【总页数】6页(P480-485)

【关键词】基坑工程;地铁隧道;数值分析;隆起位移;支护设计 【作 者】李平;杨挺;刘汉龙;王义;陈育民

【作者单位】河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京210098;南京市市政设计研究院有限责任公司,江苏南京210008;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京210098;南京市市政设计研究院有限责任公司,江苏南京210008;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京210098 【正文语种】中 文 【中图分类】U231

随着城市建设的高速发展，各类用途的地下空间已在我国各大城市中日益得到开发和利用，由此产生了大量的基坑工程。基坑工程中，对既有地下管线、地下建筑物及周边建（构）筑物等的保护已成为其设计与施工的主导控制因素，基坑工程的设计也逐步由稳定控制转向变形控制。

近年来，城市地下工程中出现了越来越多的基坑工程骑跨于已建地铁隧道之上的情

况，由于地铁对变形的要求极为严格，如何预测和控制地铁变形成为此类基坑工程的难题。目前的研究已经取得了一定的成果，但多是在一定假设条件下基于弹性理论的经验、半经验公式，且带有一定的区域局限性［1～4］。数值方法则为该类问题的求解提供了有力的工具［5］。本文结合南京火车站站前广场龙蟠路隧道西段上跨地铁1号线双线盾构隧道的基坑支护工程，开展了坑内满堂加固、人工抽条和桩板支护等一系列地铁隧道抗隆起措施设计，并采用三维有限差分程序FLAC3D对基坑支护及其开挖全过程进行了模拟分析，以期能为今后类似工程提供经验与借鉴。 1 工程概况

南京火车站站前广场龙蟠路隧道工程全长572.08 m，其中隧洞长260 m，东西引道长共312.08 m，引道最大纵坡为4.75%；结构净宽10 m，最小净高4.73 m；顶板厚650 mm，底板厚800 mm，壁板厚600 mm。龙蟠路老隧道位于新隧道的北侧，与新隧道平行，水平间距约9 m。南京地铁1号线盾构隧道沿南北向与新隧道成70°斜穿整个基坑，地铁隧道在此段洞顶埋深约10.23 m，双线隧道中心间距约19.44 m，净间距约12.837 m，隧道顶距基坑开挖底面最小距离为2.15 m，其平面示意图如图1所示［6］。

图1 隧道布局总平面示意图Fig.1 Overall plan of tunnels 2 基坑支护设计

骑跨地铁隧道的基坑两侧采用φ1 000＠800 mm钻孔咬合桩结合φ1 000＠1 200 mm钻孔灌注桩支护，咬合桩桩长16.50 m，灌注桩桩长8.20～16.50 m（用于盾构隧道顶，共28根），均采用C25混凝土。

基坑两侧支护桩外侧止水帷幕采用φ800 mm搭接300 mm的连续二重管高压旋喷桩。在地铁隧道周边采用定喷，使地铁管片与桩体尽量紧密接触，两地铁隧道间旋喷桩桩长17.00 m。基坑支撑采用二道钢支撑（φ609×12 mm钢管），水平间

距为4.80 m。

地铁对其所在隧道的变形要求极其严格：地铁隧道绝对最大沉降不超过15 mm，最大隆起位移不超过10 mm，隧道变形曲率半径须大于15 km。为了严格控制基坑开挖过程中地铁隧道的回弹变形，采取了一系列的抗隆起加固措施：基坑坑内采用φ800 mm二重管高压旋喷桩满堂加固，地铁隧道附近土体加固深度从基坑底至距地铁管片500 mm范围，地铁隧道两侧土体加固旋喷桩长度为开挖面（标高7.500 m）以下12.50 m（标高－5.000 m），高压旋喷桩在加固面以上继续注浆提升，水泥掺量减半；同时采用“Π”形抗拔桩与条形板相结合对地铁隧道进行围护加固，抗拔桩为φ800＠1 400、1 800、1 900 mm钻孔灌注桩，桩长24.00 m；条形板带编号①～④共7块，其中①号板b×h＝2 000 mm×600 mm，②～④号板为1 800 mm×400 mm，b为板的宽度，h为板的厚度，板的两端与两侧的抗拔桩刚性相连，采用C50混凝土并掺早强剂［7］，如图2、3所示。 图2 地铁隧道桩板支护Fig.2 Sheet pile retaining of shield tunnel 3 数值模型的建立及施工工况的模拟 3.1 数值模型

在数值分析建模中，必须体现设计上采取的基坑支护和地铁隧道抗隆起加固措施：（1）基坑两侧的支护桩按刚度等效成1 m厚的地下连续墙，使用壳体单元来模拟；（2）基坑坑内旋喷桩满堂加固的模拟主要通过土体物理力学参数的提高来体现；（3）桩板加固则通过桩结构单元与壳体单元之间的刚性连接来实现。

图3 基坑支护剖面图（单位：mm，标高单位：m）Fig.3 Profile of foundation pit support

3.1.1 几何模型的建立

运用FLAC3D对条形基坑进行三维数值分析［8］，取基坑长180 m，宽12.8 m，深7.8 m。水平边界南侧取围护桩以外27 m，北侧取老龙蟠路隧道以外5 m，底

部边界取至－35 m。三维模型的单元划分全部采用六面体，共划分17 412个节点，15 696个单元，模型网格如图4所示。

图4 FLAC3D计算模型Fig.4 FLAC3D numerical model

坐标原点设在地表基坑开挖的几何形心处，以东西向为x轴方向，南北向为y轴方向，z向为负的重力方向。同时对模型地基土的4个侧面和底面的法向位移施加了固定约束。 3.1.2 材料参数的确定

土层划分从上至下依次为杂填土、粉砂夹粉质粘土、淤泥质粉质粘土和粉质粘土，各土层及旋喷桩满堂加固后水泥土的物理力学性质指标如表1所示。土体卸荷回弹模量的确定根据式（1）进行取值［9］。

表1 土体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils4.5 1.80 20.0 15.0 25.2粉砂夹粉质粘土 3.3 1.88 3.6 6.1 70.9 MPa素填土名称 层厚／m密度／（g·cm－3）粘聚力／kPa内摩擦角／（°）回弹模量／淤泥质粉质粘土 9.7 1.76 12.0 12.0 20.6 12.5 2.00 245.0 29.0 4716.9粉质粘土 17.5 1.96 35.0 16.0 37.9水泥旋喷桩加固土

式中：σv为土体的竖向应力；σh为土体的水平向应力；σm为土体的平均固结应力；K 0为静止土压力系数；c、φ为土的粘聚力与内摩擦角；Rf为破坏比；¯Eu为初始卸荷模量系数。

表2给出了条形板、抗拔桩、钢支撑等支护结构的计算参数，其中钢支撑的材料参数按钢材选取，截面积、惯性矩等几何参数折算到每米范围来确定。

表2 结构计算参数Tab.2 Structural parameters for computation名称 密度／（g·cm－3）量／GPa 泊松比 横截面积／m2弹性模 惯性矩／m4 25.0 35 0.2抗拔桩 25.0 30 0.2 0.500 0.020钢支撑条形板78.0 200 0.3 0.023

0.001

3.2 施工工况的模拟

土层单元设置为Mohr－Coulomb模型，混凝土材料结构单元设置为弹性模型，同时设置具有代表性的变形和受力监测特征点。现场实际施工中，地铁隧道隆起位移采用分层沉降仪来间接观测，测点布置在地铁隧道上方①号板带中心点位置，如图1所示，实时监测开挖过程中地铁隧道及其围护结构的变形和受力。 基坑支护完成后，运用null模型来模拟基坑土体的开挖，并充分利用土方挖除的时空效应，严格按照分层、分块、对称和及时支撑的顺序施工。首先分3层开挖至深度4.5m，然后对地铁隧道上方的土体进行人工抽条，抽条编号如图3所示。从而实现了施工全过程的动态模拟，具体步骤如表3所示。

表3 具体施工步骤及相应的数值模拟Tab.3 Contstruction process details and corresponding numerical modeling开挖顺序 开挖深度／m 开挖层厚／m 施工工况1 0.0 0.0架设第一道支撑2 1.5 1.5 机械开挖3 3.0 1.5 机械开挖4 4.5 1.5 机械开挖5 4.5 0.0 架设第二道支撑6 7.8 3.3 人工抽条①开挖顺序 开挖深度／m 开挖层厚／m 施工工况7 7.8 3.3 人工抽条②北侧8 7.8 3.3 人工抽条②南侧9 7.8 3.3 人工抽条③北侧10 7.8 3.3 人工抽条③南侧11 7.8 3.3 人工抽条④北侧12 7.8 3.3 人工抽条④南侧 4 结果分析

FLAC3D数值分析的重点是研究基坑开挖对地铁隧道隆起变形的影响，现就计算结果首先从整体上分析基坑的变形特征，然后分别以地铁隧道的隆起位移及其影响因素为研究对象，探讨基坑分条开挖过程中地铁隧道的变形规律。 4.1 基坑的变形特征

图5、6给出了施工完成后基坑的沉降云图及坑底沿地铁隧道横向剖面的变形等值线图，单位为m。

图5 开挖后基坑沉降云图Fig.5 Vertical displacement cloud picture of foundation pit after excavation

从图中位移分布可以看出，底板浇筑完成后基坑底的纵向隆起变形以远离地铁隧道处最大、两地铁隧道之间次之、地铁隧道上部最小，抗隆起支护结构对基坑及隧道回弹的限制作用显著；基坑竖向隆起位移δs最大值为7 cm，且随着坑底以下深度的增加逐渐减小；地铁隧道由于上方土体的卸荷，产生了一定量的上抬变形，但相对回弹量较小。

图6 基坑底地铁剖面位移等值线图Fig.6 Vertical displacement contours of tunnel profile after excavation 4.2 地铁隧道的隆起变形

地铁隧道局部结构刚度与土体相比极大，但是相当长一段隧道的整体变形刚度较小，基本上随周围土体位移的变化而变化，在小位移变形的情况下，地铁隧道变形和土层位移基本一致。因此，可以用开挖卸荷土体的位移变化来计算地铁隧道的变形［3］。以右线地铁隧道为例，基坑开挖过程中，①号板带中点下地铁隧道顶的隆起位移随开挖顺序n（表3）的计算值与实测值对比如图7所示。

图7 地铁隧道隆起位移计算值与实测值对比Fig.7 Comparison between the calculated and measured heave deformation during the excavation 变形趋势基本吻合，基坑坑内加固后基坑开挖所引起的隆起位移实测值和计算值均小于10 mm，基坑和隧道处于稳定状态，符合地铁隧道变形的限制要求，反映了计算所采用的模型是合理的。同时实测值略小于数值模拟结果，这可能是由于数值模拟过程中将地基看成均质的成层土，不能体现原位土体的非线性特性所致。 4.3 抗拔桩的轴力分布

运用抗拔桩与条形板相结合来控制基坑工程下地铁隧道隆起变形的加固措施，目前在国内外尚不多见。抽条开挖过程中①号抗拔桩与条形板带连接处的轴力q随开

挖顺序的变化如图8（a）所示，开挖顺序同表3。 图8 抗拔桩轴力状态Fig.8 Axial force state of uplift pile

桩身轴力随着抽条开挖的进展逐步增大，初始增长迅速，而后随着抽条距离的增加慢慢放缓并趋向于一个稳定值，说明抗拔桩具有一定的影响范围，约为3.6 m。与图7相对照，桩身轴力的变化与地铁隧道的隆起变形规律较一致，隆起位移越大相应位置的桩身轴力也越大。抗拔桩轴力沿桩长I变化如图8（b）所示，在桩的中部和偏下部出现了2个峰值点，上下两端处较小。原因主要在于土层的性质差异较大，且在4.5 m～17.0 m深度范围内进行了旋喷桩满堂加固。 4.4 老龙蟠路隧道的影响

根据数值模拟结果，基坑施工完成后，龙蟠路老隧道顶部产生了约5.9 mm的竖向回弹，同时向坑内发生了约1.4 mm的水平位移，表明基坑开挖对老隧道的影响较小。沿基坑横向（y轴方向）地铁隧道的隆起位移分布如图9所示。不难发现，回弹的峰值点向远离老隧道的方向发生了一定量的偏移。由于老隧道及其支护结构整体刚度相对较大，且距离基坑较近，对基坑开挖过程中地铁隧道的隆起变形具有一定的保护作用。

图9 沿基坑横向隧道隆起位移Fig.9 Heave deformation of shield tunnel along foundation traverse 4.5 不同施工工况的影响

在数值模拟过程中，对地铁隧道抗隆起加固措施分不进行任何加固、桩板支护和旋喷桩满堂加固结合桩板支护3种工况进行了对比分析，其中当不进行任何加固时，基坑底部隆起量过大会导致地铁隧道的破坏，其余2种工况地铁隧道顶的回弹量计算结果统计列入表4。可见桩板支护对地铁隧道隆起变形的控制作用显著，但仍大于10 mm，超出了地铁隧道变形限制的要求。只有将两者相结合的加固措施才能有效的控制隆起位移，满足工程的需要。

表4 不同工况下的计算回弹量Tab.4 Springback calculation of different conditions旋喷桩＋板桩支护计算值 实测值隆起位移／mm工况 不加固 桩板支护地铁隧道被破坏12.5 8.3 5.5 5 结 论

本文结合具体工程实例，开展了基坑工程下地铁隧道隆起位移控制设计，并以地铁隧道隆起回弹量为控制指标，采用FLAC3D对上方超近距离基坑开挖下地铁隧道的变形规律及其控制模式进行了系统的分析，得出以下几点结论： （1）数值分析模型及其参数选取是合理的，基本符合设计与施工工况。

（2）在一定的深度范围内采用人工抽条开挖可明显减小地铁隧道的隆起变形速率，且计算结果的变化趋势与现场实测值较为吻合。

（3）桩板支护中桩的抗拔力随着隆起位移的增加而逐步变大。

（4）旋喷桩满堂加固与桩板支护相结合的加固措施可有效的控制地铁隧道的隆起位移，其中桩板支护起主要作用；旋喷桩满堂加固主要是确保人工抽条开挖的安全，且对桩板支护法控制地铁隧道的隆起位移有辅助功效。

（5）基坑工程下双线地铁隧道隆起变形的控制设计与施工实践是一个综合性的岩土工程问题，如何通过设计分析、施工工艺、现场监测和数值模拟相结合对其变形机理进行系统化的分析，还需要作进一步的探讨研究。 参考文献：

［1］ 徐方京，候学渊.基坑回弹性状分析与预估［C］／／首届全国岩土工程博士学术讨论会论文集.上海：同济大学出版社，1990.

［2］ 陈 郁，李永盛.基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的计算方法［J］.地下空间与工程学报，2005，1（1）：91－94.CHEN Yu，LI Yong－sheng.Calculation of tunnel heaving due to unloading of pit excavation ［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1（1）：91－94.（in

Chinese）.

［3］ 吉茂杰，刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法［J］.同济大学学报，2001，29（5）：531－535.JI Mao－jie，LIU Guo－bin.Prediction method of dis－placement of subway tunnel due to excavation［J］.Journal of Tongji University，2001，29（5）：531－535.（in Chinese）.

［4］ 刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（2）：202－207.LIU Guo－bin，HUANG Yuan－xiong，HOU Xue－yuan.The prediction and control of rebound defformation of the existed tunnels right under excavation

［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（2）：202－207.（in Chinese）.

［5］ 陈敏华，陈增新，张长生.FLAC在基坑开挖分析中的应用［J］.岩土工程学报，2006，28（增刊）：1437－1440.CHEN Min－hua，CHEN Zeng－xin，ZHANG Changsheng.Application of FLAC in analysis of foundation excavation［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（sup）：1437－1440.（in Chinese）.

［6］ 杨 挺，王心联，陆 霖，等.南京火车站站前广场工程初步设计［R］.第一册.南京：南京市市政设计研究院，2003.

［7］ 杨 挺，王心联，许琼鹤，等.箱形隧道基坑下已建地铁盾构隧道隆起位移的控制分析与设计［J］.岩土力学，2005，26（增刊）：187－192.YANG Ting，WANG Xin－lian，XU Qiong－he，et al.The analysis and design aiming at the control of rebound deformation of the existed tunnel under new tunnel’s excavation［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（sup）：187－192.（in Chinese）.

［8］ 陈育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［9］ 刘国彬，侯学渊.软土的卸荷模量［J］.岩土工程学报，1996，18（6）：18－23.LIU Guo－bin，HOU Xue－yuan.Unloading modulus of the Shanghai soft clay［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1996，18（6）：18－23.（in Chinese）.