明挖卸荷施工對下臥既有地鐵盾構隧道的影響研究

李明君，孫慶文，陳小飛

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300131；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東濟南 250101）

1 引言

隨著城市化進程的加速發展及地鐵網絡的形成，既有地鐵隧道上方不可避免會出現各類基坑開挖工程。明挖卸荷施工勢必會引起下臥既有地鐵盾構隧道的隆起變形，從而對既有地鐵隧道結構及運營安全產生影響，因此，研究不同工程條件下明挖卸荷施工對下臥既有地鐵盾構隧道影響規律十分必要。

目前，許多學者已對明挖基坑近接既有地鐵隧道施工影響做了大量分析研究。郭典塔等[1]基于靜、動力學有限元分析方法，建立了基坑與隧道相互作用的混合單元離散模型，分析了基坑對隧道結構力學行為的影響；阮順良等[2]從力學原理上分析了基坑卸土的影響機理，從設計和施工兩方面提出了減小基坑工程對鄰近地鐵影響的控制措施。張強[3]基于粘彈性地基梁模型，從理論解方面系統分析了不同開挖卸荷工況引起的下方既有隧道豎向變形的規律。魏綱等[4-5]對基坑開挖影響下方既有盾構隧道的機制進行了理論分析。溫鎖林[6]、申奇[7]、徐澤[8]、王景山[9]、尤偉軍等[10]、陳曉燕[11]以某特定工程為例，研究了基坑不同開挖方案引起的地鐵隆起變形規律。呂顯福等[12]以廈門地鐵2 號線為例，研究了明挖基坑零距離上跨地鐵隧道設計優化及施工技術。董文斌[13]、鄭余朝等[14]以新建基坑近接既有地鐵盾構隧道施工工程為研究背景，分析提出了基坑近接既有地鐵盾構隧道施工的強、弱、無影響分區理論值。李騰飛[15]以長沙市桐梓坡路—鴨子鋪通道工程為例,對基坑開挖所采取的加固措施與既有地鐵區間相互作用進行了評估分析。

上述研究多傾向于變形機理的理論分析或僅針對某工程的特定條件分析。對于不同因素影響下各種不同工況的定量分析較少，同時根據調研，很多結構工程師對于明挖基坑與隧道夾角、明挖基坑橫向卸荷面積、明挖基坑與隧道豎向距離等因素對既有隧道影響程度并沒有一個清晰具體的認識。鑒于此，本文在現有研究的基礎上，以濟南某明挖工程近接既有地鐵隧道為研究對象，考慮了明挖基坑與隧道夾角、明挖基坑橫向卸荷面積、明挖基坑與隧道豎向距離等因素影響，開展了大量數值模擬對比分析，得出了明挖卸荷施工對下臥既有地鐵盾構隧道影響規律，總結出了相應的工程建議措施，以期為類似工程設計及施工提供參考。

2 數值計算模型

2.1 三維模型構建

數值模擬中，模型主要包括地層及既有地鐵隧道結構。根據勘察報告及現場工程實際，該區段地層組成如圖1 所示，從上至下依次為①1 素填土、⑨1 粉質黏土、⑩1 粉質黏土、1 碎石層。隧道結構采用預制管片裝配式單層襯砌，圓形斷面，隧道斷面外徑6.4 m、內徑5.8 m，管片厚度0.3 m。模型尺寸取50 m×50 m×30 m，其中地層采用實體單元，既有地鐵隧道結構采用殼單元（shell 單元）。計算中，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面，模型底部設置豎向約束，計算模型如圖1 所示。

圖1 明挖基坑與既有隧道正交模型

2.2 參數選取

各地層材料采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構模型進行模擬，物理力學參數主要依據實際工程勘察和施工報告綜合選取，具體如表1 所示。

表1 各地層材料力學參數

3 數值模擬工況對比

明挖基坑深約3.8 m、寬約6.4 m，采用放坡開挖，放坡比例為1 : 1，明挖基坑與既有隧道呈正交關系，隧道拱頂距基坑底豎向距離為3.2 m。

為進一步研究不同因素下明挖卸荷施工對下臥既有地鐵盾構隧道的影響，文章以上述工程背景為基礎，并做了不同工程條件的假設，考慮了基坑與既有隧道夾角、基坑橫向卸荷面積、基坑與既有隧道豎向距離3 大類影響因素，共假定28 種對比工況，模擬明挖卸荷施工對既有地鐵隧道影響，具體工況對比如表2 所示。

表2 數值模擬工況對比

4 數值模擬結果及分析

4.1 不同夾角條件下的隧道豎向變形分析

保持明挖基坑橫向卸荷面積、豎向距離及地層條件不變，分別取明挖基坑與既有隧道夾角A為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，分析不同夾角下既有隧道豎向變形影響，計算結果如圖2 所示。

圖2 不同夾角下的隧道豎向變形曲線

從計算結果來看，明挖基坑在既有隧道正上方且呈平行走向時，隧道隆起變形呈直線狀，對隧道的豎向變形影響最大。隨著夾角逐漸變大，隧道豎向變形明顯減小且隧道隆起變形呈駝峰狀。與既有隧道中心水平距離為0 時，隧道變形最大，隨著距離增加，變形趨于緩和。當夾角增加到45°及以上時，隧道隆起曲線幾乎重疊，豎向變形趨于穩定，隧道豎向變形降至最小。由此可見，明挖基坑與既有隧道夾角保持在45°及以上，均可降低明挖卸荷施工對既有隧道的影響。

4.2 不同橫向卸荷面積條件下的隧道豎向變形分析

4.2.1 基坑寬度變化影響

保持明挖基坑深度、豎向距離、夾角及地層條件不變，分別取明挖基坑寬度b為0.5D（3.2 m）、1D（6.4 m）、1.5D（9.6 m）、2D（12.8 m）、2.5D（16 m）、3D（19.2 m）、3.5D（22.4 m），其中D為隧道直徑，分析不同基坑寬度下的既有隧道豎向變形影響，計算結果如圖3 所示。

圖3 不同基坑寬度下的隧道豎向變形曲線

計算結果表明，明挖基坑的開挖寬度對隧道的豎向變形有顯著影響。明挖基坑開挖寬度越窄，對隧道的豎向變形影響越??；明挖基坑開挖寬度越大，卸荷量增大，隧道豎向變形呈線性增長，但變化速率相對較緩慢。影響曲線均呈駝峰狀且各曲線變化均勻。由此可見，明挖基坑寬度對既有隧道豎向變形影響較大，嚴格控制明挖卸荷施工的寬度，即采用分幅開挖的方法，對于降低既有隧道的變形有很大作用。

4.2.2 基坑深度變化影響

保持明挖基坑寬度、夾角及地層條件不變，分別取明挖基坑深度H為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m，分析不同基坑深度下的既有隧道豎向變形影響，計算結果如圖4所示。

圖4 不同基坑深度下的隧道豎向變形曲線

從計算結果來看，當明挖基坑深度越小時，隧道的豎向變形影響越小，影響曲線越平緩，影響曲線呈駝峰狀；當明挖基坑深度越大時，卸荷量增大，隧道的豎向變形呈線性增加且變化速率較快，影響曲線凸起越來越明顯。由此可見，明挖基坑深度對既有隧道豎向變形影響較為顯著，嚴格控制明挖卸荷施工深度，即采用分層開挖的方法，對于降低既有隧道的變形有明顯作用。

4.3 不同豎向距離條件下的隧道豎向變形分析

保持明挖基坑橫向卸荷面積、夾角及地層條件不變，同時為較準確模擬豎向距離對隧道結構變形的影響，假設既有隧道與明挖基坑所夾地層為同一屬性地層。分別取既有隧道與明挖基坑豎向距離h為2D（12.8 m）、1D（6.4 m）、0.5D（3.2 m）、2.5 m、2 m、1 m、0.5 m，分析不同豎向距離下的既有隧道豎向變形影響，計算結果如圖5 所示。

圖5 不同豎向距離下的既有隧道豎向變形曲線

計算結果表明，明挖基坑在既有隧道正上方施工時，對既有隧道均會產生一定的影響，影響曲線呈駝峰狀。當豎向距離為2D時，影響曲線較為平緩，隨著距離逐漸變小，曲線凸起越來越明顯。豎向距離在2D～0.5D范圍時，既有隧道隆起變形速率較快。當豎向距離在0.5D及以下時，既有隧道隆起變形速率逐漸減緩。由此可見，豎向距離在0.5D以上時，豎向距離對于控制隆起變形效果較為明顯；向距離在0.5D以下時，豎向距離對于控制隆起變形并不明顯。

5 結論及建議

本文針對濟南某明挖工程近接既有地鐵隧道施工，基于midas GTS NX 有限元軟件，構建了三維數值模型，分析了不同基坑與隧道夾角、基坑橫向卸荷面積、基坑與隧道豎向距離等因素下明挖卸荷施工對既有地鐵隧道變形影響，得出如下結論。

（1）明挖基坑與隧道夾角為45°時，同一位置隧道豎向位移比夾角為0°時減小了46.3%，當夾角超過45°時，豎向位移并沒有繼續減小，反而略有增加。因此建議外部作業基坑與既有隧道夾角保持在45～90°之間，可以降低明挖卸荷施工對既有隧道的影響。

（2）明挖基坑橫向卸荷面積對既有地鐵隧道豎向變形影響，隨基坑加寬或加深而持續線性增加，其中基坑深度因素影響尤為顯著。建議在既有地鐵盾構隧道上方進行明挖卸荷施工時應始終遵循分幅分層開挖原則。

（3）明挖基坑與隧道豎向距離為0.5 倍隧道洞徑時，隧道最大豎向位移為17.58 mm，同一位置隧道豎向位移比2 倍隧道洞徑時增大了89.4%，豎向距離為0.5 倍洞徑及以下時，隧道豎向位移雖有增加，但增加幅度明顯變緩，增幅在3%以內。因此，地鐵隧道因條件受限需要在規劃的河道或其他明挖基坑下方小距離覆設時（豎向距離小于0.5 倍隧道洞徑），可采用其他措施減小豎向距離。