大面积卸荷对下卧地铁隧道影响的数值分析

第35卷 增刊2 岩 土 工 程 学 报 Vol.35 Supp.2 2013年10月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Oct. 2013

大面积卸荷对下卧地铁隧道影响的数值分析

李 瑛，陈金友，黄锡刚，袁 静，刘兴旺12211

(1. 浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006；2. 杭州市城东新城建设投资有限公司，浙江 杭州 310006)

摘 要：杭州铁路东站西广场项目基坑是杭州地区第一个在已建地铁盾构隧道顶部进行大面积开挖卸荷的工程。以西广场项目基坑工程为背景，建立三维数值分析模型，对基坑施工全过程进行动态模拟，研究了分层分块开挖、底板加筋垫层、土体加固等施工措施控制隧道隆起的有效性，并将计算结果与实测结果进行对比分析，得出以下结论：顶部大面积卸荷引起隧道的变形以隆起为主，合理的设计施工能够将隧道变形控制在要求范围；分层分块开挖的同时尽快浇筑底板垫层可取得较好效果；加固土体在地基位移场中起屏障作用，可有效降低隧道隆起。

关键词：卸荷；盾构隧道；隆起；数值模拟；土体加固

中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2013)S2–0643–04

作者简介：李 瑛(1985– )，男，江西九江人，工学博士，工程师，国家注册土木（岩土）工程师，从事基坑围护结构设计和土力学原理研究。E-mail: liying3104@ http://wendang.chazidian.com。

Numerical analysis of effect of large-scale unloading on underlying shield tunnels

LI Ying1, CHEN Jin-you2, HUANG Xi-gang2, YUAN Jing1, LIU Xing-wang1

(1. Zhejiang Province Architectural Design and Research Institute, Hangzhou 310006, China; 2. Hangzhou New East Town Construction

and Investment Co., Ltd., Hangzhou 310006, China)

Abstract: The foundation pit of West Square of Hangzhou East Railway Station is the first project that large-scale unloading is conducted on the top of shield subway tunnels. A 3D FEM model is used to simulate the whole excavation course of the foundation pit, and the effect of various adopted construction measures on underlying shield subway tunnel is studied. The construction measures include step excavation, reinforced cushion and reinforcement of soils surrounding the tunnel. Some conclusions are drawn through the comparison between the calculated and the monitoring results: (1) the heave occupieds a dominant position in the tunnel deformation caused by top excavation, and proper design and construction can lead to an desired tunnel deformation; (2) better results will be got by combining excavation by layers and by blocks with building reinforced cushion simultaneously; (3) the reinforcement around tunnels acts as a protective screen of tunnels in ground displacement field, so the tunnel heave decreases substantially .

Key words: unloading; shield tunnel; heave; numerical simulation; reinforcement

0 引 言

已建地铁隧道上方进行的土方开挖会使得下卧地

铁隧道所处的应力平衡破坏，进而导致地铁隧道产生

内力和变形。当地铁设施已经处于运营状态时，过大

的变形将影响运营安全，威胁人民群众的生命财产安

全。因此邻近地铁隧道基坑的设计和施工中必须采取

严格的变形控制措施。

文献[1]分析了基坑开挖卸荷导致下部隧道变形

的力学机理并进行了数值模拟。文献[2]通过理论分析

和数值模拟研究了基坑开挖过程中抗拔桩、分块施工、

土体加固等对隧道隆起的影响。文献[3]以上海地铁二

号线基坑工程实践为背景，研究了基坑与近邻隧道的相互影响，指出地基基础加固和结构加固可有效控制隧道的变形。由于基坑和地铁隧道相互影响的工程越来越多，已有研究虽然促进了隧道上方基坑的设计和施工，但是不能解决所有的相关工程问题。 杭州地铁建设目前正处于蓬勃发展时期，与国内地铁建设先行城市不同，杭州既有性质很差的淤泥，也有渗透性强的粉砂土，杭州地铁建设具有自己的特点。本文以杭州第一个在地铁顶部进行大面积开挖卸土的基坑项目为背景，介绍了在顶部卸荷下控制地铁隧道隆起的措施，并利用三维有限元数值模型分析了─────── 基金项目：浙江省建设科研项目

收稿日期：2013–07–17

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隆起控制措施的作用。

1 工程概况

杭州铁路东站枢纽工程西广场项目位于杭州火车东站西侧，原设计整体三层地下室，场地中央B区有地铁1号线规划自西向东通过。2010年8月，原定西广场B区地下室3层先施工底板及其下抗浮桩，然后地铁盾构隧道在底板下方掘进通过；后由于多种原因，在施工完成地下室抗浮桩后未开挖基坑完成地下室底板施工，而地铁隧道已掘进通过西广场地下室范围。因此西广场B区地下室不得不在已施工完成地铁盾构隧道上方进行开挖施工，同时必须做好对地铁隧道的保护工作。

场地属钱塘江冲海积平原，地势平坦，涉及到隧道变形的土层自顶向底依次为：①杂填土，松散，主要由粉性土组成；②-1黏质粉土，稍密，干强度低，韧性差；②-2砂质粉土，稍密—中密，干强度低，韧性差，摇振反应快，局部含有黏性土；②-3砂质粉土，稍密—中密，干强度低，韧性差，摇振反应快，局部含有黏性土及粉砂；③-1淤泥质粉质黏土，流塑，切面光滑，干强度高，韧性好；③-2黏土，流塑—软塑，干强度一般，韧性中等，局部为淤泥质粉质黏土。隧道主体处于淤泥质粉质黏土层中。

2 控制变形措施

地铁盾构隧道采用装配式管片结构，在其顶部施工必将对其产生影响，轻则引起管片接缝张开、环缝或纵缝漏水，重则引起管片开裂，影响运营安全。参考上海等地地铁保护标准，本地铁隧道的保护要求为①绝对沉降量及水平位移小于20 mm（包括各种加荷和卸荷的最终位移量）；②变形曲线的曲率半径大于15000 m；③相对弯曲不大于1/2500；④收敛变形小于20 mm。

基坑坑底土隆起量涉及的因素很多，如基坑大小、深度、支护方式、开挖方式、开挖时间等，此外还和坑底土是否加固、坑内是否存在桩基密切相关。

本基坑设计施工中主要采取以下措施来控制坑底回弹和隧道变形：

（1）基坑开挖前布置自流深井降水，降水深度控制在基底下1 m，通过降水固结提高隧道顶部土体卸荷模量。

（2）隧道顶部和两边土体进行三轴水泥搅拌桩或高压旋喷桩加固，加固外边线为隧道边线外约7.5 m，在改善土体性质的同时，将隧道周边土体和已施工完成工程桩紧密联系在一起。

（3）土方开挖必须分层分块，先整体开挖4 m，然后沿隧道延伸方向分成18 m宽的土条进行跳挖，

图1 B区基坑平面图

Fig. 1 Layout of Block B of foundation pit

经各方协商后，西广场地下室分两次施工，先施工处于地铁隧道上方的B区，然后施工B区北面的A区和南面的C区。B区地下室基坑采用大放坡支护，基坑平面尺寸约100 m×200 m，开挖深度约11 m，坑底离隧道顶面仅有5.3 m。A区和C区采用排桩结合支撑或锚索的支护方案。B区基坑与地铁隧道的相对关系如图1所示，支护剖面如图2所示，A区和C区钻孔灌注围护桩的位置在第二级放坡的坡脚处。

图2 典型支护剖面

Fig. 2 Typical section of retaining structure

增刊2 李 瑛，等. 大面积卸荷对下卧地铁隧道影响的数值分析 645

而且每条分二层开挖，底下一层土方分成两步开挖，以图1为例，土条B开挖完成方可开挖土条A和土条C，土条B的底下一层先开挖土块1，土块2的平面范围即隧道周边加固区的范围。

（4）尽量减小土体高差对回弹的影响：放坡分三级进行，第二级平台宽度达26.0 m，坡脚线离隧道轴线的距离大于20.0 m。

（5）缩短坑底土体暴露时间：土方开挖到底后在12 h内完成加筋混凝土垫层浇筑，垫层厚300 mm，垫层内钢筋锚入A区和C区围护桩压顶梁。

在以上措施之外，隧道的内力和变形情况被密切监测，并且时刻作好注浆加固的准备。

图3 三维有限元计算模型 Fig. 3 3D FEM model 表1 地层及结构计算力学参数

Table 1 Mechanical parameters for soils and tunnel segment μ 土层 γ/(kN·m-3)

① 18.5 0.30②-1 18.6 0.28②-2 19.0 0.28②-3 19.2 0.30③-1 17.3 0.35③-2 17.3 0.30

19.0 0.25加固土

25 0.20管片

c/kPa φ/(°) E/MPaK0

10.0 10.0 15.0 0.7017.0 25.0 45.0 0.5013.6 28.0 60.0 0.5010.9 29.4 15.0 0.6014.3 7.0 20.0 0.7021.2 8.5 50.0 0.6525.0 15.0 85.0 0.45

30000— — —

3 有限元模拟分析

3.1 计算模型

本段地铁隧道属于浅埋盾构隧道，无构造应力，故地应力场以自重应力为主。基坑平面基本关于隧道延伸方向对称，可取基坑的一半进行分析；在隧道延伸方向上：根据分层分块原则，土条B开挖到底并完成垫层和底板浇筑后方可开挖土条A和土条C，而且土条B的垫层和底板与两侧围护桩锚固在一起，即土条A或土条C开挖时其两侧边界基本可认为固定，因此在此方向可只选取3个土条宽度进行分析。按照隧道力学分析结果，模型横向边界到隧道边界的距离应大于3～5倍洞径，模型下边界到隧道底部边界的距离大于1倍洞径。同时考虑到本模型主要模拟基坑开挖对盾构隧道的影响，故计算模型横向边界应取至基坑边缘。利用岩土隧道结构专用有限元分析软件Midas /gts建立的三维有限元模型如图3所示，隧道洞径为6.2 m，隧道中心至各边界的距离分别为：图上左边78 m，图上右边22 m（对称边界），图上顶部18 m，图上底部32 m。

采用3D 实体单元对土体进行应力变形分析，采用2D 板壳单元模拟盾构隧道管片。隧道管片和周边土体节点完全耦合。底板垫层的作用通过施加等重量的面荷载来近似模拟。在岩土工程数值模拟中，莫尔–库仑模型采用了弹塑性理论，相对于弹性模型而言具有质的飞跃，能较好地描述土体的破坏行为，适合于本文所述问题的分析。隧道变形有严格要求，变形在弹性应变范围之内，故采用线弹性模型。计算采用的地层及结构力学参数如表1所示。考虑到施工前大面积降水固结、隧道周边土体加固、已施工的地下室抗拔桩对回弹的限制作用，本文对土体回弹模量进行了适当的提高。隧道管片厚度为0.35 m。土体泊松比和静止土压力系数的取值参照了相关规范和手册[4]。

整个分析包括3个试验。试验1分析在隧道周边土体加固和分层分块开挖时隧道的性状，设8个工况，依次为：①地应力平衡，K0固结，位移归0；②整体开挖至2.000标高；③整体开挖土条B至-1.000标高；④开挖土条B的块1，施工相应范围底板垫层；⑤开挖土条B的块2，施工相应范围底板垫层；⑥对土条A和土条C整体开挖至-1.000标高；⑦对土条A和土条C进行类似工况（3）的开挖，施工相应范围底板垫层；⑧开挖剩余土方，施工相应范围底板垫层。试验2分析在隧道周边土体加固而不分块开挖时隧道的性状，设3个工况，依次为：①地应力平衡，K0固结，位移归0；②整体开挖至2.000标高；③整体开挖至坑底，施工底板垫层。试验3分析隧道周边土体不加固但是分层分块开挖时隧道的性状，工况与试验1相同。现场施工采用试验1的方法，试验2用来对比分析分块开挖的作用，试验3用来对比分析隧道周边土体加固的作用。 3.2 计算结果

试验1（土体加固，分层分块开挖）开挖到坑底时，最大总位移13.5 mm，最大隆起量13.4 mm，即隧道变形以隆起为主，侧向位移很小，隧道的最大应

-变是6.2×106，隧道性状满足变形控制要求，并且与现场实测结果比较吻合。现场实测最大隆起量为10.0 mm，计算结果比实测结果稍大，可能原因是模型中没有直接考虑开挖区域大量抗拔桩对土体和隧道隆起的限制作用，并且加筋垫层与围护桩的锚固作用也没有在模型中考虑。

646 岩 土 工 程 学 报 2013年

表2 主要工况隧道最大隆起量

分块开挖（试验2）、未进行土体加固（试验3）3种

Table 2 Maximum tunnel heaves for important conditions 设计情况下基坑开挖到底时地基隆起云图。隧道周边项目 试验1 试验2 试验3 的加固体对盾构隧道的“屏障”作用得到显示，图8

8.4 8.4 12.7 工况1

显示未进行土体加固时全卸荷宽度的土体都有较大隆

10.3 16.3 工况2

起，隧道也随之产生较大隆起，最大达到24.7 mm，10.7 17.0 工况4

11.2 19.9 工况6 明显大于进行土体加固后的隆起量。

工况7

13.4 20.0 24.7

每个试验主要工况隧道最大隆起量均列于表2。

第一步整体开挖到2.000标高（工况1）导致的隧道隆起量占总隆起量的40%～60%。工况7产生的隆起量也比较大，由于未能考虑垫层的锚固作用，计算值应该比实际大。分层分块开挖和土体加固的有效性也得到表2中数据的证实。分层分块开挖虽然增加了施工的难度，但是隧道隆起量降低了35%左右。隧道周边土体的加固则使得隧道隆起量降低近一半。

4 结 论

杭州铁路东站西广场项目在已建地铁隧道顶部进行大面积挖土卸荷，本文对此进行三维有限元数值模拟分析，根据计算结果以及其与实测结果的对比，得出以下结论：

（1）降水固结、分层分块开挖、控制土体高差、土体加固、加筋垫层和地下室抗浮桩等措施均能有效提高地铁隧道的抗隆起能力。

（2）分层分块开挖和及时浇筑相应范围底板加筋垫层结合才能起到较好的控制隧道隆起的作用。

（3）隧道周边的加固土体在位移场中对隧道起屏障作用，有效控制隧道隆起。 参考文献：

[1] 高广运, 高 盟, 杨成斌, 等. 基坑施工对运营地铁隧道的

变形影响及控制研究[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(3): 453–459. (GAO Guang-yun, GAO Meng, YANG Cheng-bin, et al. Influence of deep excavation on deformation of operating metro tunnels and countermeasures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(3): 453–459. (in Chinese))

[2] 彭 敏. 基坑开挖引起下卧运营隧道变形的研究[J]. 中国

市政工程, 2010(10): 72–74. (PENG Min. Research on operation tunnel deformation by foundation pit excavation[J]. China Municipal Engineering, 2010(10): 72–74. (in Chinese))

[3] 程 斌, 刘国彬. 基坑工程施工对邻近建筑物及隧道的相

互影响[J]. 工程力学, 2000(A03): 486–491. (CHENG Bin, LIU Guo-bin. The effection to the adjacent building and tunnel due to excavation[J]. Engineering Mechanics, 2000(A03): 486–491. (in Chinese))

[4] 中国土木工程学会土力学及岩土工程分会. 深基坑支护技

术指南[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012. (Chinese Institution of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Guide to deep excavation support[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012. (in Chinese))

（本文责编 黄贤沙）

图4 分层分块开挖时最终隆起量

Fig. 4 Final ground heave with stop excavation and reinforced

soils

图5 一次性开挖时最终隆起量

Fig. 5 Final ground heave with a whole excavation

图6 隧道周边不加固时最终隆起量 Fig. 6 Final ground heave without reinforcement

图4～6依次显示了分层分块开挖（试验1）、不