城市核心区明挖法隧道近距离上穿运营地铁设计分析研究

城市核心区明挖法隧道近距离上穿运营地铁设计分析研究

高桥

中电建重庆勘测设计研究院有限公司

摘 要：基于新加坡南北高速公路隧道工程，针对城市核心区公路隧道施工近距离跨越既有地铁节点处的地铁隧道及开挖支护结构，通过三维有限元分析探讨了半盖挖法施工、分区域开挖施工、全基坑地基加固、深浅幅交替地下连续墙等设计思路。三维有限元计算结果表明，本文提出的设计方案和施工工序合理可行，研究成果对类似工程具有一定参考价值。

关键词：半盖挖隧道；地铁隧道；近距离施工；有限元；上浮；设计与分析

0 引言

近年来，随着城市建设的快速发展，城市核心区地铁交通网络也越来越完善，新建地下工程不可避免得会影响既有地铁线路。特别是地铁线路上方基坑开挖卸荷，必将会引起下方既有地铁和车站结构的整体向上位移，影响其正常运营使用[1-3]。温锁林[4]、陆宏伟[5]、赵炜[6]等都报道过城市核心区内上部基坑引发地铁向上位移的案例。因此，有必要研究新建地下工程开挖施工对既有地下工程的影响，合理选择设计方案，提出有效措施，确保新建地下工程施工对既有地下工程的影响在允许范围内。

本文以新加坡南北高速公路隧道为具体工程对象，采用构建三维有限元模型的方法[7-8]，提出半盖挖-逆作法施工、大面积深基坑分块开挖施工、大面积深基坑全地基加固、全长浅幅地连墙布置等设计思路。计算结果表明本文提出的设计方案和施工工序合理可行，研究成果对类似工程具有一定的参考价值。

1 工程概况

新建隧道为新加坡南北高速公路的一段区间，位于武吉知马路（Bukit Timah Road）和赛马场路（Race Course Road）交叉口，地表交通繁忙，车流量大。此隧道段采用单层双跨现浇结构，覆土2米，埋深9.5米，北向跨净宽17.35米，南向跨净宽17.35米，净高6.3米，为双向六车道隧道。

1.1新建隧道与既有工程关系

此隧道段采用半盖挖法施工，区间长约47.5m，宽约38.8m，穿越角度为87º，上跨新加坡小印度站（Little India Station）过街通道和东北线（North-East Line）区间，平面布置图详见图1。基坑底部与过街通道净间距1.3米，与东北线区间隧道净间距2.3米，剖面图详见图2。

图1 新建隧道平面布置图

Fig.1 Layout of new-built tunnel

图2 新建隧道与既有工程剖面关系

Fig.2 Section relationship between new-built tunnel and existing projects

1.2工程地质与水文地质

工程场地影响范围内地质情况从上而下依次为：①-1回填层土、②-2砂质淤泥、③-3砂质粘土、④-4砂岩和⑤-5基层。新建隧道结构主要位于①-1回填层、②-2砂质淤泥及③-3砂质粘土中，底板主要坐落于②-2砂质淤泥及③-3砂质粘土中。地下潜水位埋深0.87-4.45米。

表1 土层参数表

Table 1 Soil parameters

1.3施工影响控制要求

新建隧道区间位于城市核心区内，施工过程中对现有地铁、道路服务能力和地铁隧道保护要求很高。具体要求为：既有工程变形不超过15mm；施工过程需保证道路交通不减量；施工过程需保证地铁保持运营；既有工程（地铁隧道）两侧1.5米范围，上方0.5米范围不允许施工。

2 方案设计

2.1围护方案

此段新建隧道基坑围护采用地下连续墙，沿隧道方向布置三道宽度为1000mm地下连续墙，垂直隧道方向布置两道宽度为800mm地下连续墙。在基坑内部施做10座1000mm直径格构立柱，用以支撑顶板、传递竖向荷载、分割基坑空间。10座格构立柱呈矩阵形式布置，沿隧道方向布置五行，间距约7.5米，垂直隧道方向布置两列，间距13.75米。围护结构平面布置形式见图3。

图3 新建隧道围护结构平面布置图

Fig.3 Layout of new-built tunnel earth retaining or stabilizing Structures

为避免侵入地铁隧道两侧1.5米范围，沿隧道方向地下连续墙采用深浅幅交替形式，单幅宽度为3米，浅幅地下连续墙墙设计高度为9.7米，墙底距小印度站过街通道0.5米，距地铁隧道2.0米；深幅地下连续墙墙设计高度为18米，侧向距小印度站过街通道和地铁隧道均为1.5米。垂直隧道方向高度采用深幅形式，单幅宽度仍为3米，设计高度为18米，。

格构立柱传递竖向荷载至钻孔灌注桩，根据设计计算结果，桩长16-20米，桩径1200mm-2200mm。另外，为增强结构整体稳定性，采用800×800 mm横梁连接外侧地下连续墙。同时为降低造价格，利用顶板作为支撑。围护结构竖向关系见图4。

(a) A-A断面

（b）B-B断面

图4 新建隧道围护结构竖向关系

Fig.4 Section relationship of new-built tunnel earth retaining or stabilizing Structures

2.2地基加固及降水设计

为保证开挖时的土体稳定性，对此段隧道开挖范围内全部土体进行地基加固，加固深度至底板下方2米，加固方式采用套管注浆法。

基坑内降水主要通过坑内明沟、集水井等方式。此段隧道开挖范围内共布置15个集水井，深至砂质淤泥下2米。

2.3 施工工序

施工区域分为南北向两大块六小块，平面关系如图5所示。施工时，先进行北向1-3块区域施工，具体施工步骤为：交通导改–管线迁移–地连墙施工–地基加固–格构立柱桩–开挖–顶板施工–预留出土孔–第1块区域开挖–横梁施工–底板施工–第2块区域开挖–横梁施工–底板施工–第3块区域开挖–横梁施工–底板施工–回填土–出土孔回填。北向区域施工完成后，再进行南向4-6块区域施工，步骤与北向区域施工相同。

图5 施工区域划分

Fig.5 Construction sequence

3 数值模拟计算

3.1 模型建立

本次计算采用有限元软件PLAXIS 3D。考虑基坑降水及分块施工的时空效应，采用HSS模型[9]，分析基坑开挖对邻近地铁过街通道及隧道的水平及竖向位移影响。

模型以沿新建隧道方向为x轴，以垂直隧道方向为y轴，以竖向方向为z轴建立三维模型。数值模拟中，采用板单元模拟新建隧道、围护结构及过街通道和地铁隧道，采用梁单元模拟横梁和格构立柱，采用实体单元模拟土体。模型边界为：顶部无约束，自由面，底部各方向均约束，四周只约束法向。模型建立后模拟南北向六块区域施工，考虑施工过程中的受力与空间位移变化。有限元模型详见图6，土层计算参数参见表1，隧道结构（C30混凝土）力学参数根据新加坡混凝土规范选取。

图6 有限元模型

Fig.6 Finite element model

3.2 计算结果

（1）最大隆起位移

南北向隧道分六处区域分别开挖，各阶段小印度站过街通道和地铁隧道最大隆起位移值计算结果如图7所示。

图7 小印度站过街通道和地铁隧道最大隆起位移值计算结果

Fig.7 Result of maximum displacement of existing projects

结果表明，最大隆起位移发生在区域6开挖时的靠近过街通道的地铁隧道结构处，达到13.28mm，小于既有工程变形要求。

（2）地下连续墙受力和变形

北向隧道分三处区域分别开挖，各阶段沿隧道方向和垂直隧道方向地下连续墙侧向位移，轴力和剪力变化情况如表2所示。

表2(a) 沿隧道方向地下连续墙侧向位移，弯矩和剪力变化情况

Table 2(a) Lateral deflection, bending moment and shear force of diaphragm wall along tunnel direction

表2(b) 垂直隧道方向地下连续墙侧向位移，弯矩和剪力变化情况

Table 2(b) Lateral deflection, bending moment and shear force of diaphragm wall vertical to tunnel direction

结果表明，地下连续墙最大侧向位移和最大弯矩均发生在区域6开挖时。其中，沿隧道方向1000mm地下连续墙最大侧向位移仅为8mm，而垂直隧道方向800mm地下连续墙达到24mm，相差较大但都满足设计要求，相对而言，最大弯矩则相差较小，也满足设计要求。沿隧道方向地下连续墙结构最大剪力发生在区域6开挖时，而垂直隧道方向地下连续墙最大剪力则发生在区域6开挖时，但两者相差较小，均满足设计要求。

4．结语

通过对本基坑采用PLAXIS 3D三维整体分析研究，得出以下几点参考性结论：

（1）本文通过半盖挖法施工、分区域开挖施工、深浅幅交替地下连续墙形式等，将基坑开挖造成的超近距离既有地下结构减压上浮影响减少到可满足设计要求；

（2）本文通过基坑范围内全地基加固，设置横梁、格构立柱等方式将深浅幅交替地下连续墙的受力与变形控制在满足设计要求范围内；

（3）从本文结果来看，过街通道在较地铁隧道更近距离靠近开挖基坑情况下，上浮位移小于地铁隧道，说明地铁隧道对减压上浮敏感性更高；

（4）数值分析结果基本与理论相符，对近距离跨越既有地下结构地下连续墙设计具有一定的参考价值。但是，注意到设计与施工是相辅相成的工程问题，理论分析还需结合后续的施工监测结果进一步深入研究。

参考文献：

[1]王伟锋, 毕俊丽. 既有地铁结构覆土卸荷后变位及力学分析[J]. 隧道建设, 2010(s1):169-173.

[2]王卫东, 吴江斌, 翁其平. 基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟[J]. 岩土力学, 2004, 25(z2):251-255.

[3]刘国彬, 黄院雄, 侯学渊. 基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(02):202-207.

[4]温锁林. 运营地铁隧道上方基坑施工技术及保护措施[J]. 地下空间与工程学报, 2011, 07(s1):1465-1469.

[5]陆宏伟. 世纪大道杨高路下立交地铁保护段基坑设计[J]. 城市道桥与防洪, 2002(2):44-48.

[6]赵炜. 明挖法隧道近距离跨越既有盾构隧道施工技术[J]. 市政技术, 2009, 27(3):284-286.

[7]李志伟, 郑刚. 基坑开挖对邻近不同刚度建筑物影响的三维有限元分析[J]. 岩土力学, 2013,

34(6):001807-1814..

[8]胡爱宇, 喻骁, 宗兰. 基坑开挖对地铁隧道影响的PLAXIS3D数值分析[J]. 江苏建筑, 2016(5):78-81.

[9]管飞. 基于HSS本构模型的软土超大型深基坑3D数值分析[J]. 岩土工程学报, 2010(s1):177-180.