地铁深基坑施工引起下卧既有隧道隆起变形的有限元分析

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摘要：本文以武汉地铁4号线越江隧道汉阳岸上段风井设备层深基坑为工程背景，采用有限元方法重点分析了地铁深基坑开挖施工对下卧既有盾构隧道的隆起影响，得到了基坑开挖过程中，下卧既有隧道的隆起发展规律；并探讨了减轻隧道隆起变形的施工措施；为后续地铁工程建设提供一定的参考价值。

关键词：地铁；盾构隧道；深基坑；隆起

Abstract：In this paper，deep excavation engineering above existing shield tunnels of subway was modeled with plane strain FEM(Finite Element Method), and its influences on the development of uplift displacement of shield tunnels were analyzed stage-by-stage. Moreover, feasible measurements preventing uplift .of underlying shield tunnels were proposed. This study could be a valuable reference for further research and engineering practice.

Key words: the subway; Shield tunnel; Deep foundation pit; uplift

中图分类号：TV551.4文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1、工程背景

随着城市轨道交通线网的逐渐密集，在既有隧道上方进行各种深基坑施工的情况逐渐增多，如上海[1][2]、南京[3]等地均有先例。从基坑与下卧隧道的走向关系来看，已有的工程实例中基坑纵向与隧道走向一般以较大的角度相交，从而相互影响的范围相对较小。本文以武汉地铁4号线二期越江区间汉阳岸隧道与上部风井设备层基坑为背景，针对隧道走向与基坑纵向一致且左右线盾构隧道均在基坑范围内的更不利情况作分析和探讨。图1为设备层基坑与隧道的平断面关系：

图1 设备层基坑与隧道的平面关系

设备层基坑“左深右浅”，左端基坑深约9.9m；隧道高程则“左高右低”，二者的相对高差在西端最小约8.8m，已小于基坑深度的一倍，断面关系如图2所示。同时基坑与隧道走向相同，左右线均在基坑下方。尽管设计上已采用分隔桩分为三段施工、进行基底加固处理的措施，为深刻揭示设备层基坑开挖对下卧隧道隆起变形的影响规律等，本文选取设备层左端较深段的中部断面进行有限元分析，此处基坑底至隧道结构顶部的距离约8.8m。整体有限元模型如图3所示。

图2 断面关系图3 有限元平面应变模型

平面应变有限元模型尺寸为50m(水平)x40 m (竖向)。

2、模型建立

2.1 基本条件与假设

为了更符合工程一般工序，对分析模型做如下假设：

（1）不考虑隧道管片间的螺栓连接，认为管片为整体；研究目的不是分析管片的内力；

（2）基坑上部路面为汉阳风井的施工通道，考虑10kPa的路面荷载；围护桩及地基加固期间考虑10kPa施工荷载；设备层施工基坑开挖期间考虑两侧5m范围20kPa施工荷载；

（3）基坑提前降水，开挖前基坑内水位已位于基坑底以下1m；

（4）假设隧道管片采用C50混凝土；围护桩、砼支撑采用C30混凝土

（5）假设基底加固的水泥土28天无侧限抗压强度达到1MPa；

（6）假设设备层开挖前，隧道施工本身引起土体变形已经充分完成；

2.2、计算工况：

本次有限元分析按如下工序进行（1）生成初始应力和水位;（2）隧道施工；（3）施工围护桩;（4）施工基底加固（5）第一次开挖;（6）施工第一道混凝土撑;（7）第二次开挖;（8）安装第二道钢支撑;（9）第三次开挖到底。其中，设备层施工引起隧道隆起/下沉位移从第（3）个工况开始计，第（2）工况计算完成后位移置为零。

2.3、模型参数

本文采用Plaxis软件进行分析，土体采用更合理的硬化土体模型(Hardening soil model)[4,5]，以便考虑土体的非线性模量以及土体的卸荷再加载过程。表1为本次计算采用的土体参数：

表1 土体Hardenning soil model的参数

其中，压缩模量指100kPa固结压力下的参考压缩模量E50，一般勘察报告中有提供；Eoed为某个参考初始固结压力下主固结曲线的切线模量，一般为100kPa，故E50=Eoed；Eur为固结压缩试验中卸载后再压缩曲线的模量，按照Plaxis手册[4]中建议取Eur=3E50，m为模量随压力水平发展的指数函数的指数，取值范围0.5~1，一般软粘土取较大值，较硬的土取值接近0.5[4]。

杂填土的参数取值参考湖北省《基坑工程技术规程》(DB42/159-2012)附录B[5]以及详勘报告中的压缩模量及其他参数综合给出。

搅拌桩加固体的参数取值参考文献[5]的6.11.5节经验公式以及马军庆等[6]对大量的搅拌水泥土试验参数的回归分析得到水泥土的粘聚力c值与水泥土28天无侧限抗压强度qu存在如下经验关系：

Eq.(1)

变形模量E0与qu有如下近似关系：E0=142qu，这一关系在《基坑工程技术规程》中6.11.5节建议值之内（E0=（100~150）qu）。

马军庆等[6]对水泥土摩擦角进行整理发现，一般粘性土搅拌加固体摩擦角较砂性土的小，本工程加固体所在土层为4-1粉细砂，取37°，为安全起见，考虑加固体抗剪强度指标1.05（与基坑被动区抗压安全系数相同）的安全系数：

c=co/1.05=3.2/1.05*(1000)^(0.6)=192 kPa，Eq.(2a)

=atan(tan(37)/1.05)=35°Eq.(2b)

加固体的压缩模量Es根据《基坑工程技术规程》及马军庆等[6]确定变形模量与无侧限抗压强度关系E0=140qu=140000 kPa，取泊松比0.3，则：

=0.854E0=120000kPa=120 MPaEq.(3)

其他土层的压缩模量参数由勘察报告提供。 除了土体的参数之外，围护桩、支撑的参数如下所示：Φ 800@1000的围护桩，根据抗弯刚度相等的等效处理，其参数如下表：

表2围护构件材料参数

其中钢支撑不能受拉，设置了一个很小的受拉强度。

3、计算分析结果

3.1 各工况下变形

施工围护桩和地基加固后，土体及隧道整体下沉，最大沉降约21.7mm，发生在地表，其中隧道下沉约9.7mm。开挖到第一道撑后，整体仍下沉，但隧道下沉量较前一工况稍减小至8mm。开挖到第二道撑位置时，第一道撑轴力112kN/m，土体下沉量进一步减小,说明基坑开挖进一步导致坑内土体隆起，隧道位移已开始由下沉转为隆起，左侧隧道隆起约2.5mm，右侧约3.8mm。

开挖到基底后，基底呈明显隆起，隆起约34.4mm；左侧隧道隆起15mm，右侧隆起17mm。右侧隧道由于更靠近基坑中部，隆起量始终较左侧要大。为了更好控制隧道隆起位移。

图4 第一次开挖后图5 开挖到基底后竖向位移

3.2 隧道沉降/隆起位移发展

计算中监测了如下部位的竖向位移：左右侧隧道的顶部，基底靠近中部的两点，基坑外2m，5m；得到各测点竖向位移发展如图6所示：

图6 仅有地基加固时的沉降/隆起发展图7隧道内配重时的沉降/隆起发展

为进一步减小隆起，隧道内进行配重方案：第一次开挖时配重0.25倍隧道自重，约35kN/m，第二次开挖时配重0.5倍隧道自重，约70kN/m，得到图7所示竖向位移发展曲线：隆起量左侧隧道11mm，右侧隧道14mm。但是实际很难做到如此大的配重。

从土移云图可见，桩底附近坑外土体有绕过桩端抄坑内位移趋势，因此对加长钻孔桩至隧道中心标高的沉降/隆起进行了分析，发现隧道最终隆起量约为13.4mm(左)，15.8mm(右)。本文计算还发现，对坑外桩周土体加固也能够减小隆起量。

4、结论

据本文分析，可得到如下结论：

(1)基底加固是减小基底及下卧隧道隆起的最有效措施；

(2)隧道内配重能够减小隆起，但可行性不好；

(3)加长钻孔桩及加固坑外桩周土能减小隆起量；

(4)基坑或隧道走向布置应避免隧道在基底中心部位，此时对隧道隆起不利。

参考文献：

[1]叶耀东，王如路，刘海，运营地铁隧道上方基坑施工技术研究[J]建筑技术，2006.12

[2]刘小建，地铁隧道上方基坑卸荷回弹及控制的实验和探讨[J]地下工程与隧道，2008.2

[3]翁承显，张庆贺，孙统立，盾构隧道上方基坑工程施工难题与对策[J]建筑技术开发，2005.9

[4]Plaxis用户帮助文档

[5]湖北省《基坑工程技术规程》DB42/159-2012

[6]马军庆，王有熙，李红梅，王广建等，水泥土参数的估算[J]建筑科学，V25(3)，2009.3