张万照 董天军 胡志敏 卜康正 张龙云

(1 中铁南方投资集团有限公司；2 广州大学土木工程学院)

随着城市快速建设，在地铁保护区隧道上方的基坑工程项目数量大幅度增加。因此，研究地铁隧道上方的基坑工程相关课题有着十分重要的实用价值。

刘国彬等[1，2]考虑基坑开挖后土体残余应力的影响，计算得到基坑卸载影响范围内土体的隆起量，并将其视为隧道隆起量；吉茂杰[3]考虑了基坑开挖时空效应的影响，在前者基础上计算得到更符合实际工程的隧道隆起量。但两者均未考虑隧道刚度的影响，计算得到隧道隆起量与现实仍有较大偏差。

鉴于此，A t t e w el l 等[4]将地下隧道管线视为W ink l er 地基梁，计算分析了基坑开挖对下卧管线的影响。T a k agi 等[5]将A t t e w el l 法运用于W in k l er 地基梁，计算得到基坑开挖引起地下隧道管道隆起量。该简化计算结果虽与实测值相差较小，但仍忽略了基坑降水等因素的影响，基坑开挖引起地下隧道管道位移的计算方法还需深入探究。

By un GW 等[6]通过试验的手段，研究了基坑卸荷对下方既有地铁隧道结构变形特点和规律；梁发云等[7]通过离心实验对比分析了开挖大基坑与分块开挖小基坑引起地铁隧道位移与内力的变化。

孔令荣等[8]整合并分析了前人基坑卸载引起相邻隧道监测结果。分析发现，若隧道中轴线在坑底以上，隧道横向位移较大，特别是当隧道中轴线与基坑侧壁相距在4m 范围以内时，隧道横向位移会随着距离的缩小而大幅度增加。

黄兆纬等[9]利用有限元软件，研究了地基加固、分块开挖等控制措施的作用效果。研究结果说明，在这几种控制隧道隆起的措施中，地基加固效果最明显。

可见，在目前的工程建设和学术探讨中，隧道上方开挖对地铁隆起的影响一直是岩土工程行业中研究的重点。小竖井工法在深圳前海地下开发工程中，第一次成功应用于控制隧道隆起。本文依托工程实例，通过数值模拟的手段，对小竖井工法的竖井宽度、加固形式、加固深度等参数进行优化设计，以期为地铁保护区基坑的设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

深圳市前海地区位于沿海区域，软土层深厚，地质条件复杂，近来建设开发强度高，因此已建工程极易受损。本文依托深圳市前海地下公路隧道工程，已建地铁5、11 号线在其下方，地下公路隧道基坑采用明挖施工，坑底离地铁11 号线隧道最近处为3.3m。原方案运用分层分块开挖基坑，造成下方隧道隆起超过警戒值。后来首次运用小竖井工法开挖基坑，极大地减小了下卧隧道隆起，确保了隧道结构安全。

竖井平面为矩形，竖井深度为6～12m，对于深度较大的竖井建设两道中隔墙作支持，竖井平面布置见图1所示。

小竖井主体结构包括顶部锁口圈结构、井身围护结构、底部抗浮板，小竖井剖面如图2 所示。

图1 竖井平面布置图

图2 小竖井剖面图

2 横向宽度变化的影响

利用Midas/gt s 有限元软件对该工程项目进行模拟，土层参数数值取勘察报告中数值的平均值，具体如表1 所示。

整体模型横向宽为210m，纵向长为160m，高度为35m。基坑坑底横向宽为34m，纵向长为77m，两侧深度为10.4m，中部深度为7.5m，四周按1:1.5 放坡。每个小竖井横向宽为15m，纵向长为5.5m，井深为10.4m，坑底与地铁隧道中轴线距离为是7m，地铁隧道管片外直径为6m，厚度为0.3m。

其中，抗拔桩、锁口圈梁、竖井围护结构、底板等结构采用弹性本构模型，重度大小均取23.5k N/m3，弹性模量大小均取3×104M P a，泊松比均取0.22。地铁隧道管片重度大小取24.5 k N/m3，弹性模量大小取3.45×104M P a，泊松比大小取0.22。

改变竖井横向宽度，得到竖井横向宽变化对隧道隆起变形影响的计算结果如图3 所示。

图3 竖井横向宽变化对隧道隆起变形影响

由图3 可知，隧道隆起最大值出现在基坑中点，竖井横向宽度变化对下方既有地铁隧道隆起的影响范围始终为0.8 倍的基坑纵向长度。在相同的卸土量和施工条件下，当竖井横向宽度大于11.5m 之后，隧道隆起量剧增，所以综合考虑经济与竖井横向宽度变化的计算结果，小竖井最佳横向宽度应在8.5～11.5m 之间为宜。

3 坑底加固方式变化的影响

按照图4 改变坑底土体加固方式，得到坑底加固方式变化对隧道隆起变形影响的计算结果，如图5 所示。

图4 不同坑底加固方式

表1 岩土体参数

图5 坑底加固方式变化对隧道隆起变形影响

由图5 可知，3 种坑底加固方式下隧道最大隆起量为23.8mm、20.5mm、19.8mm，比不作坑底加固时隧道隆起量降低了15.7%，25.9%，27.8%，加固方式2 和3 的隧道隆起减少量接近。所以综合考虑经济与坑底加固方式变化的计算结果，应采用坑底加固方案2，即抽条加固，每条加固区域深4m，横向宽2.75m，两加固区域之间纵向相隔5.5m。

4 坑底加固深度的影响

在坑底全加固方式的基础上，改变坑底加固深度，得到坑底加固深度变化对隧道隆起变形影响的计算结果，如图6 所示。

图6 坑底加固深度变化对隧道隆起变形影响

由图6 可知，在坑底全加固深度大于2m 以后，坑底全加固对隧道隆起变形的减少量大幅度减小，曲线趋于稳定，所以综合考虑工期与坑底加固深度变化的计算结果，坑底加固深度应为2m。结合图5 可得，坑底加固应采取抽条加固，每条加固区域深2m，横向宽2.75m，两加固区域之间纵向相隔5.5m。

5 结论

本文通过数值模拟的方法，分析了竖井横向宽度变化、坑地土体加固方式与加固深度变化对下方既有地铁隧道隆起的影响，分析结果表明：

⑴隧道隆起最大值出现在基坑中点，竖井横向宽度变化对下方既有地铁隧道隆起的影响范围始终为0.8倍的基坑纵向长度。在相同的卸土量和施工条件下，当竖井横向宽度大于11.5m 之后，隧道隆起量剧增，所以小竖井最佳横向宽度应在8.5～11.5m 之间为宜。

⑵3 种坑底加固方式下隧道最大隆起量，比不作坑底加固时隧道隆起量降低了15.7%，25.9%，27.8%，加固方式2 和3 的隧道隆起减少量接近；在坑底全加固深度大于2m 以后，坑底全加固对隧道隆起变形的减少量大幅度减小，曲线趋于稳定。所以综合考虑经济与坑底加固方式、坑底加固深度变化的计算结果，坑底加固应采取抽条加固，每条加固区域深2m，横向宽2.75m，两加固区域之间纵向相隔5.5m。●