吴剑秋 孙 旻 蔡庆军 杜佐龙 王朝龙

1.中国建筑第八工程局有限公司 上海 200135；2.中国建筑第八工程局有限公司华南分公司 广东 广州 510663

随着城市地下空间的大规模开发和轨道交通网络的不断完善，已建地铁隧道与新建地下工程之间的冲突日益突出，在运营地铁隧道上方进行的基坑工程不断出现。

已建隧道上方基坑开挖，必然破坏原有土体应力平衡，引起坑内土体回弹，造成隧道发生较大位移和变形。隧道变形过大，轻则引起接缝漏水、管片开裂，重则导致地铁无法安全运营，所以对已运营地铁隧道的变形控制要求极为严格，隧道变形的控制好坏决定着工程的成败。因此准确预测和有效控制地铁隧道的变形已经成为此类工程成功的关键。

近年来，众多学者对地铁上方基坑工程施工引起的隧道变形及相应的控制措施进行了大量的研究和实践工作。陈仁朋等[1]研究了大型地下通道开挖对下卧地铁隧道上浮的影响，研究表明，下卧地铁隧道的上浮变形与卸载率近似呈线性关系；郭鹏飞等[2]对国内39例上跨隧道基坑工程进行了分类总结，分析了隧道最大隆起变形与基坑开挖深度、卸荷比和基坑开挖面积等因素的关系，并给出了隧道最大隆起变形的预测模型；郑刚等[3]对紧邻地铁上方基坑工程的施工过程进行了动态数值模拟，分析了隧道两侧土体加固、浇筑底板与抗浮桩形成“保护箍”及堆载等措施对地铁隧道的影响及其有效性；温锁林[4]、李健津等[5]对紧邻地铁上方基坑开挖的保护措施进行了数值模拟研究。

本文在综合前人研究的基础上，以深圳机场卫星厅中区基坑工程为背景，采用Plaxis 3D有限元软件对卫星厅基坑开挖的动态施工过程进行了模拟[6-8]。在此基础上，研究了不同开挖方案对下卧地铁隧道变形的影响，对比分析了转换板和转换梁2种措施对紧邻下卧地铁隧道上浮变形的控制效果。

1 工程概况

深圳机场卫星厅位于已建深圳机场T3航站楼及待建深圳机场T4航站楼之间，建筑面积238 900 m2，分为西北指廊、西南指廊、东北指廊、东南指廊和中央指廊5块区域。深圳机场卫星厅中区基坑工程是深圳机场卫星厅及其配套工程的一部分，位于机场卫星厅中央指廊中段。中区基坑工程包括中央指廊基坑及其两侧与机场捷运（APM）和行李通道连接区间基坑。工程所处地质自上而下依次为：素填土、淤泥质粉质黏土、砂质黏性土、全风化岩、强风化岩、中风化岩和微风化岩。工程所在处地下水较为丰富。

卫星厅中央指廊基坑底板与地铁隧道顶板最短距离不足0.3 m。为控制下卧地铁隧道上浮变形，拟施做转换板或转换梁结构。卫星厅及中区基坑平面布置如图1所示。卫星厅中区基坑与地铁隧道的位置关系平面如图2所示。明挖地铁隧道断面如图3所示。

图1 卫星厅及中区基坑平面布置

图3 明挖地铁隧道断面

1.1 基坑开挖方案

基坑开挖阶段，充分利用基坑开挖“空间效应”可有效控制坑底土体的隆起变形和下卧隧道上浮变形，即应减小隧道上方土体卸载量。因此，中区基坑施工采用分层分块开挖。具体开挖方案如下：首先，基坑整体向下放坡开挖2 m，施工降水井、转换板（梁）下嵌岩桩及搅拌桩止水帷幕；然后，分段开挖地铁11号线上方留土。参考以往工程经验，提出3种分段开挖方案：

1）方案一：从中间向两端开挖。从基坑中间向两端开挖，转换板分24段12组施工，分段宽度约6.0 m，基坑土体开挖顺序按照①—12编号进行，底板按①—12顺序分段施工，浇筑混凝土底板，形成抗浮板体系。方案一基坑开挖顺序如图4所示。

图4 分段开挖方案一横截面

2）方案二：从两端向中间开挖。从基坑两端向中间开挖，转换板分24段12组施工，分段宽度为6 m左右。基坑土体开挖顺序按照①—12编号进行，底板按①—12顺序分段施工。方案二基坑开挖顺序如图5所示。

图5 分段开挖方案二横截面

3）方案三：跳仓开挖。将基坑隔块开挖，转换板分24段4组施工，分段宽度为6 m左右。基坑土体开挖顺序按照①—④组编号进行，底板按①—④组编号分段施工。方案三基坑开挖顺序如图6所示。

图6 分段开挖方案三横截面

1.2 地铁保护方案

为控制基坑开挖引起的下卧地铁隧道上浮变形，提出在基坑底部设置转换板或转换梁的方案。

1）转换板方案。中区转换板及北端APM区间转换板为两跨板式结构（跨度12.5 m），南端转换板为单跨板式结构（跨度25.0 m）。板厚为1.6 m，局部1.2、2.0 m。转换板下方布置3排桩基（南端APM区间布置2排桩基）。桩基沿隧道纵向布置，间距约6 m，桩长38 m，嵌入微风化岩中不少于0.5 m。两侧桩基桩径为1.5 m，中间桩基桩径为1.2 m。所有桩基均采用钻孔灌注桩。转换板结构平面如图7所示。

图7 转换板结构平面

2）转换梁方案。转换梁为两跨结构（跨度12.5 m），采用梁式结构。横梁宽2.5 m、厚2.0 m（局部宽3.6 m、厚2.0 m），纵梁宽1.8 m、厚2.0 m。桩基的布置形式与转换板结构相同，也采用钻孔灌注桩施工。转换梁结构平面如图8所示。

图8 转换梁结构平面

2 基坑开挖对下卧地铁隧道变形的影响分析

2.1 几何模型建立

本文采用Plaxis 3D软件对既有地铁隧道上方的基坑开挖施工过程进行动态模拟。计算模型尺寸取为400 m×300 m×80 m，模型中基坑底部开挖范围为144 m×30 m，基坑开挖深度为7.5 m，基坑放坡系数取实际值1∶3。模型中土层利用实体单元，采用土体硬化模型（HS模型）。明挖隧道结构采用plate单元进行模拟，板单元截面尺寸与实际尺寸相同。为分析不同基坑开挖方案对下卧地铁隧道变形的影响，本节计算模型未考虑地铁保护措施，根据3种不同开挖方案建立3个基坑模型。基坑整体有限元模型如图9所示。

图9 基坑整体有限元模型

2.2 材料参数确定

根据地质勘查报告提供的试验成果，结合工程实践经验，计算模型的主要土层物理力学参数如表1所示。隧道结构的弹性模量为33 500 MPa，重度为25 kN/m3，泊松比为0.2。计算中假设地下水位线为地表面。

2.3 计算工况

为分析基坑开挖对下卧隧道变形的影响，根据不同基坑开挖方案，分别建立3种计算工况，如表2所示。

2.4 计算结果分析

由数值分析结果可知，工况1隧道结构最大竖向（隆起）位移为7.78 mm，最大侧向位移为3.61 mm；工况2隧道结构最大竖向位移为7.79 mm，最大侧向位移为3.52 mm；工况3隧道结构最大竖向位移为7.69 mm，最大侧向位移为3.40 mm。不同工况隧道竖向位移随基坑卸载率的变化曲线如图10所示。对比3种开挖方案，跳仓法施工的隧道最终竖向隆起最小，且施工过程中基坑卸载造成的隧道隆起明显小于其他方案。图11～图13为3种工况各施工步左右两侧隧道的最大位移。从图中可以发现，跳仓法施工造成的两侧隧道差异沉降（隆起）最小。

表1 主要土层物理力学参数

表2 基坑开挖计算工况

图10 不同工况隧道竖向位移随基坑卸载率的变化曲线

图11 工况1各施工步左右两侧隧道竖向位移

图12 工况2各施工步左右 两侧隧道竖向位移

图13 工况3各施工步左右两侧隧道竖向位移

3 基坑开挖对下卧地铁隧道变形的控制分析

3.1 有限元模型建立

为对比分析转换板和转换梁2类不同结构对下卧地铁隧道变形的控制效果，在方案一模型的基础上，分别增加转换板结构和转换梁结构模型。其中，转换板采用plate单元模拟，转换梁采用beam单元模拟，钻孔灌注桩采用embedded beam单元模拟，转换板和转换梁结构模型尺寸参照实际工程。转换板和转换梁结构模型如图14和图15所示。转换板和转换梁均采用C20混凝土。梁板结构弹性模量为25 500 MPa，重度为24.5 kN/m3，泊松比为0.2；钻孔灌注桩弹性模量为30 000 MPa，重度为24.5 kN/m3，泊松比为0.2，桩端反力为10 000 kN。

图14 转换板结构模型

图15 转换梁结构模型

3.2 计算工况

为分析基坑开挖过程中转换板和转换梁结构对下卧隧道变形的控制效果，分别建立2种计算工况，如表3所示。

表3 计算工况

3.3 计算结果分析

由数值分析结果可知：施做保护结构后，工况4隧道结构最大竖向（隆起）位移为6.54 mm，最大侧向位移为3.50 mm；工况5隧道结构最大竖向位移为6.88 mm，最大侧向位移为3.42 mm。不同工况隧道竖向位移随施工步的变化曲线如图16所示。

图16 不同工况隧道竖向位移随施工步的变化曲线

对比有无保护结构的计算结果发现，转换梁和转换板结构可有效减小隧道隆起；对比转换板和转换梁，由于转换板结构自重对下卧隧道隆起的抑制作用，故施做转换板结构的隧道隆起更小。此外，在转换梁结构施工中，梁分段浇筑，节点较多，钢筋绑扎及混凝土浇筑的难度大，不利于分段分层施工。同时，转换梁施工速度慢，基坑暴露时间长，不利于控制地铁隧道回弹。因此，综合考虑隧道变形控制效果和施工便利性，转换板方案在施工质量保证、施工速度和安全性等方面更具有优势，在实际施工中推荐采用。

4 结语

通过深圳机场卫星厅基坑开挖卸载对下卧地铁隧道影响与控制的数值分析，可得到以下结论：

1）基坑开挖对其下部的地铁隧道有明显的影响。基坑开挖卸荷使土体发生变位，带动土体中的隧道产生位移，由于隧道相对土层的刚度较大，故隧道的变形以刚体变位为主，且体现为竖向上抬。

2）计算表明，“分层分块”和对称开挖能将基坑开挖引起的地铁隧道变形控制在允许范围内，但施工中仍应加强隧道结构变形的监测。对照3种不同开挖方案，跳仓开挖引起的隧道最终隆起变形和两侧隧道差异沉降最小，实际施工时应优先考虑。

3）根据计算结果，在基坑开挖施工中，施做转换梁或转换板结构可有效减小地铁隧道隆起变形。对比分析2种结构，转换板在控制效果、施工便利性和施工速度方面更具优势。