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摘要：随着城市发展和地下空间开发，越来越多基坑工程横跨在既有地铁隧道上方，基坑开挖将改变既有地铁上方土体的应力状态，使下卧隧道产生相应变形和内力，从而影响地铁的正常使用和安全运营。本文以南京地铁南京工业大学站人防工程横穿地铁10号线地铁隧道的三条通道开挖施工为背景，采用三维有限元分析，研究不同开挖工况下对地铁隧道变形及受力的影响，最终提出合理的施工方案，通过分析为优化设计和施工提供有益的参考。
关键词：基坑；既有地铁；区间；数值模拟
随着我国城市化进程的发展，轨道交通往往先行规划先行建设，在后期城市扩张过程中，难以避免的会遇到现行基坑开挖临近既有地铁区间的情况，基坑开挖对地铁的运营安全将产生直接的影响，采用数值模拟软件对工程建设进行预分析，其结果能够指导设计并得到工程界的认可，本文采用大型岩土有限元软件MIDAS-NX建立了三维实体有限元模型来模拟地铁隧道上方通道在不同开挖工况下对地铁10号线区间隧道结构的影响，得到基坑开挖过程中区间隧道的变形、受力等数值，为设计及施工提供了参考。
1、工程概况
南京地铁南京工业大学站人防工程位于浦口大道与新浦路十字交汇口处，沿浦口大道东西向布置。三个连接通道为于浦口大道下方，横跨浦口大道连接南北两侧地下车库，其中包括一个人行地下通道和两个机动车地下通道。人行地下通道全长47m，宽4.8m，高3.3m~6.2m，横跨地铁十号线区间隧道，通道底部与隧道结构顶部净距约5.8m；1号、2号机动车通道单个长47m，宽6.6m，高3.4m~4.06m，呈倒V字设置横跨地铁十号线区间隧道，通道底部与隧道结构顶部净距约5.27m~5.48m。通道工程处地面标高约为8.1m，通道结构覆土厚度变化范围为0.5m~1.54m。
通道基坑围护结构采用拉森钢板桩（FSP-Ⅳ），桩长6.0m，支撑采用一道?609（t=16）钢支撑，基坑角部采用300mm混凝土板撑。设计过程中考虑到地基承载力不足，在基坑开挖前期先对地基土进行加固，采用旋喷桩加固至坑底下2m，坑底以上水泥掺量7%，坑底以下掺量14%，加固体底部距离隧道顶部最小间距为3.27m。基底加固采用分段加固的方式。
2、有限元模型
根据设计及地质资料，采用MIDAS-NX岩土与隧道仿真分析软件进行三维数值模拟分析，通过对人防工程人行通道及机动车通道分步开挖施工的数值模拟，分析工程建设对既有地铁.
根据工程经验，模型选取上下范围：考虑人防工程和地铁区间和车站，同时考虑计算的工作量，三维总体模型高度50m，下表面距离人防工程联络通道工程坑底约40m，距离区间隧道拱底34.9m，是人防工程基坑深度的8倍以上。
横向范围：左右线两隧道中心线两侧各125m，总宽250m；
前后范围：前后长度320m；
三维计算模型节点共147891个，单元总数为228369个，采用摩尔-库伦计算准则。
3、计算结果分析
分别对两种不同开挖工况进行模拟：
（1）基坑采用放坡开挖；
（2）基坑采用拉伸钢板桩作为支护结构的垂直开挖。
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3.1 基坑开挖对周边地层的影响
人行通道和机动车通道的开挖对地层的扰动影响较大，坑底最大隆起值达31.3mm。在后续的回筑阶段，地层变形相对减小，这是因为回填堆载使得坑底隆起量减小。工况二采用拉伸钢板桩作为支护结构的垂直开挖情况下，基坑坑底变形最大值发生在1号机动车通道基坑回筑阶段，最大值为23mm。相对工况一，工况二地层整体变形较小，相对稳定。
3.2 基坑开挖对区间隧道变形的影响
工况一竖向最大位移为+13.4mm，水平向最大位移为-3.4mm；工况二竖向最大位移为+4.29mm，水平向最大位移为-0.7mm。工况二对隧道的影响均明显小于工况一，同时，工况一因为反复进行卸载、压载，隧道变形忽大忽小，虽然最终稳定在5.1mm，但对隧道结构来说不利。工况二因卸载过后，压载量较小，竖向变形没有回弹，反而一直在缓慢的增加，最终稳定在4.29mm。虽然两者最终的上浮量相差不大，但是整个工程情况下，工况二中隧道没有受到大量的卸载和压载的反复，相比工况一结构更加稳定。
综上可知，工况二采用拉伸钢板桩作为支护形式，采用垂直、分段、分层开挖，对区间隧道的变形影响更小，比工况一放坡开挖效果更好。
5.2.2 基坑开挖对区间隧道内力的影响
由于反复的卸载和堆载量较大，隧道的最大弯矩值也起伏较大，人行通道和2号机动车通道基坑开挖后最大弯矩为397 kN.m，而人行通道和2号机动车通道基坑回筑后最大弯矩为188 kN.m。工况二采用拉伸钢板桩作为支护结构进行垂直开挖的情况下，各个工程阶段隧道的最大弯矩值变化较小，其中最大值为286 kN.m。
经计算，两者虽均满足隧道管片配筋及受力要求，但工况一起伏较大，且最大值较工况二要大许多。从受力角度分析，认为工况二对隧道结构受力的影响要较小些。
4 结论
（1）采用放坡开挖的方式，土方量的挖除和回填均较大，对地层变形的影响也很大。相比而言，采用拉伸钢板桩作为支护结构，能大大减少土方的挖除和回填量，同时也能有效地控制周边地层的变形。
（2）工况一情况下，区间隧道最大竖向变形为+13.1mm，且随着卸载和压载的反复作用下，变形量上下起伏较大，最终竖向变形值控制在+5.1mm。工况二情况下，因回填量较小，没有经过反复的增大和减小，隧道竖向变形从+2.96mm增大，最终稳定在4.29mm。
（3）两种工况下，隧道结构受力均能满足配筋及强度要求，但工况二弯矩最大值为286 kN.m，小于工况一最大弯矩值397 kN.m。
从以上地层变形、隧道变形及隧道内力的综合分析下，认为采用拉伸钢板桩作为支护结构的垂直开挖方式要优于放坡开挖方式，推荐采用方案二。
5、建议
（1）人行通道和机动车通道底部采用?800mm的钻孔灌注桩，桩长10m，距离隧道结构外皮3m净距。建议采用钢套筒成孔护壁、且不拔除，避免钻孔灌注桩成孔过程中出现缩颈、塌孔现象发生，危及地铁结构安全。
（2）需加强现场的管控措施，在地铁隧道正上方地面严禁堆载、限制大型施工机械的使用，地面施工超载不允许超过20KPa。在地铁隧道正上方土方开挖建议采用小型机械，且土方随挖随清运。
（3）人行通道及机动车通道基坑开挖建设期间，需对地铁隧道和轨道进行专项施工监控量测。监控量测项目包括轨道的沉降、隧道的收敛、隧道的水平位移以及隧道渗漏、道床翻浆冒泥等巡视。同时做好信息化施工指导工作。
（4）人行通道及机动车通道基坑开挖建设期间，监控量测数据出现报警时，应及时分析原因和调整施工方案。施工期间盾构隧道出现小的渗漏时可在工程结束后进行注浆处理。
参考文献：
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作者简介：
雷礼仪，1983-，男，陕西人，研究生，中交第一公路勘察设计研究院有限公司，工程师，目前从事地铁车站结构设计工作
论文作者:雷礼仪
论文发表刊物:《防护工程》2017年第4期
论文发表时间:2017/7/4
标签：隧道论文; 基坑论文; 工况论文; 通道论文; 地铁论文; 区间论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第4期论文;