随着城市建设不断推进，地下工程进入快速发展时期，基坑工程对下方既有结构的影响不可忽略。基于此，文章以某换乘地铁站项目上方基坑开挖为例，通过FLAC3D数值模拟软件，分析既有隧道结构上方基坑在一次性开挖、分区开挖、跳挖方案下隧道洞顶结构的变形状态。
某地铁站换乘厅位于两路交叉口，为1号、3号线及机场快线换乘通道，兼过街通道功能，为地下单层结构。换乘大厅基坑为不规则多边形，开挖深度为7.5m，分A、B、C、D、E、F区6个区域施工，换乘大厅平面位置如图1所示。本文研究内容为开挖换乘大厅D、E区对既有下穿地铁隧道的影响。D、E 区正下方为地铁1号线隧道，1号线隧道为既有运营线路，距离D、E区基坑最近处距离为1.55m，该地铁站换乘大厅D、E、F区下方为机场快线隧道。
1.2 工程地质条件
该换乘大厅基坑范围内主要土层由上至下分别为：① 1块石填土、③ 4砂质粉土、④ 1淤泥质粉质黏土、④ 2淤泥质粉质黏土、⑥ 1淤泥质粉质黏土、⑥ 2淤泥质粉质黏土、⑧ 1粉质黏土、⑨ 3粉细砂混砾石、（22）1层全风化凝灰岩、（22）2层强风化凝灰岩，基坑开挖土层为碎石填土、砂质粉土层，如图2所示。
本次数值模拟涉及基坑岩土体开挖卸荷、基坑横向支撑等复杂计算，故采用国际成熟的岩土仿真计算软件FLAC 3D开展相关计算与研究工作。数值分析模型根据机场快线某换乘站相关报告资料和图件建立。由于本文主要研究换乘大厅施工对下穿既有1号线区间隧道的影响，即研究D、E区不同开挖方案下对既有1号线隧道的影响，且地质勘察报告显示第2～第6层土体物理力学性质相近，填土层厚相对小，因此为计算方便，模型建立时将地层简化为2个均质土层，层厚均匀，表面平整。
三维数值分析模型如图3所示。模型长110m，宽90m，高44m，共划分697010个节点，961867个单元。岩土体、隧道衬砌、基坑维护桩、基坑底板采用实体单元模拟，基坑横向支撑采用梁结构单元Beam模拟。地铁1号线区间隧道从换乘大厅基坑D、E区的正下方穿越。其中，地铁1号线区间隧道分为上行线和下行线，上行线位于下行线上方，在竖直方向上离开挖基坑较近。
模型两侧约束 X 方向的位移 ， 前后约束 Y 方向的位移 ， 底面约束 Z 方向的位移 ， 地表为自由面 。 模型分析中仅考虑重力的作用 ， 填土层和粉质黏土层均视为理想弹塑性体 ， 适用于摩尔 - 库伦本构模型 。
根据相关资料，结合工程类比法，采用岩土体物理力学参数如表1所示，其中基坑横向支撑物理力学参数如表2所示。
为研究车站基坑不同开挖方案对下穿隧道的影响，针对某换乘车站D、E区的开挖方式，提出3种开挖方案，具体如表3所示。3种方案基坑开挖、横向支撑和荷载反压的模拟过程分别如图4 ～图6所示。
3.2 不同开挖方案对既有下穿隧道的影响机理
由于地铁1号线为上、下行线竖向交叠并行，上行线在上，地铁1号线上行线隧道竖向位移受开挖卸荷的影响较下行线大，属于强回弹区。因此后文中均对地铁1号线上行 线隧道的竖向位移进行分析研究。
通过数值计算得到，车站基坑开挖施工下穿地铁1号线区间隧道发生向上的位移。基坑开挖方案的不同，使得下穿隧道的位移响应不同，具体分析如下。
（1）方案1：D、E区一次全挖。该方案下地铁1号线上行线区间隧道洞顶位移曲线如图7所示，一次性开挖卸荷量较大，开挖卸荷后，隧道结构产生较大的竖向位移，最大位移值为12.9mm，其位于基坑平面中心的正下方；基坑底板施工并施加荷载反压，使得隧道结构竖向位移有所减小，减小后
最大竖向位移为
7.2mm
。
（
2
）
方案
2
：
D
、
E
区分别开挖
。
该方案下地铁
1
号线上行线区间隧道洞顶位移曲线如图
8
所示
，
D
区开挖后
，
隧道结构产生竖向位移
，
最大位移为
5.9mm
，
其位于基坑
D
区平面中心的正下方
；
D
区荷载反压后
，
隧道结构竖向位移有所减小
，
此时最大竖向位移为
2.2mm
；
E
区开挖后
，
隧道结构竖向位移再次增大
，
最大竖向位移值为
10.3mm
，
其位于基坑
E
区平面中心的正下方
；
E
区荷载反压后
，
竖向位移再次减小
，
此时最大竖向位移为
6.0mm
。
（
3
）
方案
3
：
跳挖方案
。
该方案下地铁
1
号线上行线区间隧道洞顶位移曲线如图
9
所示
，
随着开挖步的推进
，
使得隧道结构位移增大
；
荷载反压使隧道结构在原有的变形值条件下有所减小
。
隧道结构位移呈现
：
先增大
→
减小一部分
→
再增大
→
再减小一部分
……，
如此重复的过程
，
直至基坑施工完成
。
3.2.2 不同开挖方案洞顶位移分析
开挖结束、反压之前，3种方案下隧道结构的最大竖向位移如图10所示，最大竖向位移分别为12.9mm、 10.3mm 和4.7mm。反压结束后，3种方案下隧道结构的最大竖向位移如图11所示，该方案下的最大竖向位移分别为7.2mm、6.0mm 和3.7mm。
由上述基坑开挖施工完成后隧道结构竖向位移分析知 ， 方案 3 （ 跳挖方案 ） 的隧道洞顶最大竖向位移相较于方案 1 和方案 2 ， 分别减少了 48.6% 、 38.3% ， 因此 ， 跳挖施工方案为最优方案 。
本文以某换乘站工程为背景，通过数值计算方法，研究基坑不同开挖施工方案对既有下穿隧道的影响，得出如下结论。
（1）通过对比分析3种方案下地铁1号线上行线区间隧道洞顶竖向位移可知，采用跳挖施工法能较明显地控制隧道位移，是3种方案中最优的施工方案。
（2）跳挖方案相较于一次性开挖方案和分区开挖，隧道洞顶最大位移分别减少了48.6%、38.3%，可有效降低基坑开挖变形量。
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