敬怀珺，马军秋，王海林，李腾飞

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙410200；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308)

随着城市轨道交通建设的不断发展，城市地下空间地铁网络纵横交织，直接影响新建隧道的设计与施工。由于各种原因，在新建隧道线位难以调整的情况下，会出现两线上下并行穿越或多线叠交穿越既有地铁的情况[1]。当前，建立有限元模型，综合考虑基坑开挖支护、土体位移、既有构（建）筑物变形的耦合分析，成为基坑开挖与邻接工程相互影响风险评判的重要手段[2～5]。本文采用FLAC3D有限差分计算软件对深大基坑开挖与既有并行地铁区间的相互作用进行数值分析并在此基础上，提出相应措施指导施工，力求将风险控制在最低，也为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

长沙市湘雅路过江隧道东岸明挖段位于地铁6号线区间隧道上方且与该区间并行走向，见图1。

图1 湘雅路过江隧道与6号线区间平行段平面位置

并行段基坑宽36.2～37.5 m、深19.6～21.6 m，支护为地下连续墙+内支撑。地下连续墙为1 m厚钢筋混凝土结构，嵌固深度5 m；内支撑竖向共设置6道，其中1～2道为1 m×1 m钢筋混凝土支撑，3～6道为直径800 mm钢管支撑。6号线区间为外径6 m、管片厚度300 mm的盾构隧道，左右线间距13 m；最不利位置处，区间顶面距离基坑底竖向净距5.85 m，距离围护结构最小净距1.2 m。见图2。

图2 湘雅路过江隧道与6号线区间平行段剖面位置

2 数值模拟

计算模型共分为15个实体网格组，分别为杂填土、粉质黏土、卵石、强风化板岩、中风化板岩、微风化板岩、地铁6号线左右线开挖区、地下连续墙、明挖基坑1～6层。

2.1 计算假定及边界条件

土体在计算域内假定各向同性、匀质、连续；采用摩尔-库伦模型。地下连续墙、明挖隧道结构采用弹性本构模型，6号线区间隧道衬砌采用壳结构单元，明挖基坑水平支撑采用梁结构单元，中立柱及抗拔桩采用桩结构单元。水平方向按基坑中线向两侧各外扩3倍开挖深度进行控制，共计170 m，竖直方向按基坑坑底向下取3倍开挖深度进行控制，共计85 m。见图3。

图3 计算模型

2.2 计算参数

各结构及地层的物理力学参数见表1和表2。

表1 悬吊系统物理力学参数

表2 地层物理力学参数

2.3 施工工况模拟

地铁6号线为既有运营线路，模拟过程中，先施作地铁6号线隧道，再对湘雅路隧道基坑进行支护开挖。

1）工况一：地应力平衡阶段。对各地层进行参数赋值，施加模型的边界条件、初始地应力条件并进行初始地应力平衡计算。见图4。

图4 工况一

2）工况二：地铁6号线开挖及支护阶段。对地应力平衡后模型节点的位移、速度清零并对既有地铁6号线隧道进行开挖、支护。见图5。

图5 工况二

3）工况三：基坑支护阶段。明挖法隧道基坑两侧成槽并施作地下连续墙、中立柱及抗拔桩。见图6。

图6 工况三

4）工况四：基坑第一层支护及开挖阶段。施作冠梁及第一道混凝土水平支撑并对基坑进行第一层开挖。见图7。

图7 工况四

5）工况五：基坑第二层支护及开挖阶段。施作腰梁及第二道混凝土水平支撑并对基坑进行第二层开挖。见图8。

图8 工况五

6）工况六：基坑第3～6层支护及开挖阶段。依次进行基坑第3～6层的支护及开挖模拟。见图9。

图9 工况六

3 结果分析

3.1 既有地铁6号线区间隧道稳定性

3.1.1 内力

当上部基坑开挖时，既有隧道结构内力受到卸荷作用而发生应力重分布。由于地铁区间左右线与基坑水平距离差异导致内力呈非对称分布；其中，衬砌结构的最大轴力为1 491 kN，发生在右线隧道的右侧边墙角处；最大正弯矩为30.9 kN·m，发生在左线隧道拱顶处；最大负弯矩为43.3 kN·m，发生在左线隧道左侧拱肩处。见图10。

图10 衬砌结构内力

区间隧道受力基本处于安全可控范围，见图11。

图11 隧道最小安全系数

3.1.2 位移

上部基坑开挖时，既有隧道结构的位移场也会发生相应的调整。最大竖向位移为5.81 mm，发生在左线隧道左侧拱肩处；隧道衬砌的最大水平位移为2.19 mm，发生在左线隧道的左侧拱肩处，均满足CJJT 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中10 mm控制标准。见图12。

图12 衬砌位移

3.2 新建明挖隧道基坑稳定性

3.2.1 坑底及周围地表位移

明挖基坑上跨既有地铁隧道，其坑底及周边地表的应力场与位移场分布会受到既有隧道影响。坑底发生隆起变形，中部最大隆起量为11.94 mm；最大水平位移2.2 mm，发生在坑底与地铁区间重叠一侧；2倍开挖深度外的地表发生沉降变形，最大沉降值为0.46 mm。基坑处于安全可控范围，在施工过程中只需对部分控制节点加强监测。见图13。

图13 明挖法基坑位移

3.2.2 支护结构变形

地下连续墙深层位置发生趋向基坑内侧的水平变形，最大值为1.7 mm，发生于墙底根部，满足GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》中的10 mm控制要求。见图14。

图14 地下连续墙水平位移

4 结论与建议

通过模拟分析隧道基坑开挖卸荷对既有地铁6号线区间及基坑自身稳定性的影响，得到如下结论：

1）在开挖卸荷过程中，既有地铁隧道安全系数呈非对称分布，其中右侧边墙角与左侧拱肩处安全余量较小；

2）开挖卸荷影响范围内，既有隧道结构会向基坑开挖方向发生水平偏移并出现一定程度的上浮现象；

3）随着基坑的逐步开挖，地下连续墙深层会发生倾向基坑内侧的水平位移且越靠近既有地铁区间侧，水平位移越大。

结合模型变形趋势，建议施工中采用分层、分块、限时开挖方式，对部分节点加强动态监测并依据现场情况采取必要加固措施，以确保施工安全。