城市建设过程中，地铁的快速发展对城市地块开发和地下空间利用产生一定限制，特别是当新建工程不可避免地与既有运营地铁线路交叉或临近时，会极大增加工程建设的复杂性和风险性。基于此，文章对浅埋地铁隧道上方大范围基坑开挖的风险及控制措施展开研究。由于管幕顶进施工方法具有施工便捷、扰动效应小和适应狭小空间作业的特点，管幕抗浮体系可用于控制浅埋地铁隧道上方基坑开挖卸载后结构上浮，从而保护运营地铁安全。文章通过有限元数值模拟法对 MJS 工法和管幕法的结合应用进行分析，研究表明管幕抗浮体系可以减弱上跨工程对下方隧道的扰动影响。相关研究成果可为类似工程施工风险控制提供参考和借鉴。
工程概况
福州地铁某运营隧道上方进行地下停车场建设，交叉上行里程为SK24+887～SK25+034， 下行里程为XK24+887～XK25+034，总长为146.6m。隧道覆土厚度为5.3～7.3m，地下停车场底板与地铁隧道结构净距为2.7～4.0m。地铁交叉段隧道洞身穿越地层由上而下分别为黏土、淤泥、坡积黏性土、碎块状强风化凝灰岩、中风化凝灰岩，强风化岩多呈碎土状，裂隙发育，强度低；中风化岩强度变化较大，软硬不均，裂隙发育，岩体破碎。其中SK24+985～SK25+034段隧道洞身下卧层地层为淤泥质粉质黏土，为软弱土层。此区间为浅埋运营隧道，且隧道距离地下室底板不足1倍洞径，地下停车场基坑开挖期间易造成下方土体隆起，隧道管片发生变形及位移，甚至出现结构裂缝，从而发生渗漏水，影响运营地铁车辆运行。地铁隧道与地下停车场相互位置关系如图1所示。
地铁隧道结构采用常规预制C50钢筋混凝土管片衬砌，外径为6.2m，内径为5.5m，管片厚度为350mm。
上跨运营地铁保护措施
2.1工程施工难点与风险分析
该工程施工难点与风险包括以下几个方面。
（1）该工程结构底与地铁隧道顶之间的净距过小，基坑开挖卸荷体量大、范围广。在基坑开挖过程中，随着上覆土层的开挖卸荷引起坑底隆起，下部土体呈现出向上隆起的趋势，进而引起隧道洞周土体变形，导致隧道结构发生位移及变形，甚至产生管节之间的不均匀沉降，严重情况下可能影响隧道运营安全。
（2）桩基施工会扰动桩基附近土体，引起桩基周边土体向桩基中心挤压变形，进而引起隧道结构随土体发生位移变化。同时，地基加固产生较大振动会传递至相邻处隧道衬砌结构处，可能使隧道结构产生隧道衬砌开裂、剥落等危及结构安全和行车安全的现象。
由上可知，该工程施工难度大、风险点多，需采取可靠措施减小基坑开挖卸载后隧道竖向位移变形及桩基施工扰动对隧道水平位移变形的影响，从而保证既有地铁运营安全。
2.2地铁保护措施
为减小上方基坑开挖施工对下方运营地铁隧道的安全风险，同时控制近侧桩基施工对旁侧隧道的扰动，采用MJS门式地层加固+工程桩兼做抗拔桩-管幕抗浮体系+分坑开挖回覆配重的控制措施。MJS工法具有加固质量好、加固范围灵活、施工扰动小等优势，在保证加固效果的同时可有效控制施工对地铁隧道的影响，在地层加固后可减弱两侧桩基施工对周围土体的扰动。地铁隧道两侧布置管幕工作平台，利用加固地层重力式挡墙进行开挖，保留隧道正上方土方。为减小下方地铁隧道在上方基坑开挖卸荷后上浮位移量，在基坑与隧道之间布置一排管幕箱，在两侧平台采用顶管法进行顶进施工。管幕顶进结束后将预制钢筋笼放置于管幕箱中，通过将管幕两端与地下室桩基墩台及地梁进行刚性连接，实施混凝土同期浇筑形成整体刚性抗浮体系（图2）。在抗浮体系结构强度达到要求后再行隧道正上方土体开挖。
数值模拟计算
3.1有限元三维模型
根据勘察资料、工程经验和理论分析，对该工程采用MIDAS /GTS NX软件建立有限元三维模型分析基坑开挖下方地铁隧道结构变形情况，模型范围为260m×126m×25m（X×Y×Z）。其中，地层采用实体单元模拟，隧道衬砌采用板单元模拟，管幕、桩、地梁结构采用植入式梁单元模拟。用改变实体单元材料类型和参数的方法模拟地层加固过程，在地层加固前提下模型不考虑管幕顶进削切效应，亦不考虑桩基施工挤土效应。模型中将初始应力场视为土体自重应力场，只施加自重荷载，并假定在开挖施工前土体自重及上覆土层固结沉降已完成，地层处于平衡状态后位移清零。不考虑地下水的影响。计算模型底部约束法向及竖向位移，模型四周约束法向位移。三维几何模型如图3～图5所示。
3.2力学模型及参数选取
计算时，地层采用修正摩尔库伦模型，管片、混凝土结构采用各向同性弹性模型。土层参数及荷载按以下原则选取：
（1）地层参数按《福州南站东广场项目初步勘察岩土工程勘察报告》中的物理力学指标进行设置；
（2）地下水位按土层饱和状态考虑；
（3）弹性模量按过往工程经验，按《福州南站东广场项目初步勘察岩土工程勘察报告》中土的压缩模量进行设置。
土层参数力学参数如表1所示，管片、桩、管幕结构具体参数如表2所示。
计算结果及分析
数值模拟计算将施工过程简化为以下3个施工阶段：第1阶段为地层加固及两侧工作平台基坑开挖施工；第2阶段为工程桩-地梁-管幕抗浮体系施工；第3阶段为地铁隧道上方基坑土方开挖施工。各阶段地铁隧道位移云图如图6～图9所示。
根据计算结果可知，采用地层门式加固+桩-管幕抗浮体系措施后，上方大范围土方卸载工况下地铁隧道上浮位移量得到可以有效控制。各施工阶段过程中地铁隧道的最大位移约为4.8mm，整体表现为上浮趋势，最大水平位移约为1.4mm，左右线隧道分别向旁侧桩基方向变形。位移值满足地铁保护要求。同时根据位移云图，隧道整体变形连续且平顺，无节点突变情况，隧道没有发生不均匀沉降。
结 论
通过研究地层门式加固+桩-管幕综合刚性抗浮体系措施，经过模拟分析可知，在大范围基坑开挖的工况下，地层门式加固+桩-管幕抗浮体系措施能够有效控制近距土体卸荷作用及桩基施工扰动所引起地铁隧道结构的位移及变形，同时可抵抗后期地下水作用力。通过充分利用地下结构自有的工程桩以及管幕法施工的便捷、工期短、扰动小等优势，结合地层门式加固+桩-管幕抗浮体系措施可减小既有隧道上方大范围基坑开挖对其的不利影响，有效维护地铁结构的运营安全。本研究可为类似工程提供参考和借鉴，对上跨既有地铁隧道结构工程的施工影响提供预判，可在下阶段进一步优化指导现场施工。在工程实施过程中，由于地质条件、施工技术和外界环境等复杂因素影响，隧道结构变形实际情况与理论分析存在出入，因此上跨工程的开挖过程中仍需遵循分区分段施工原则并采取根据监测数据及时配重补偿的基本措施。
来源：现代城市轨道交通