臨近既有地鐵區間隧道基坑設計方案研究

宋 偉

(北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100010)

1 概述

在大城市地鐵建設中，地鐵線路多沿城市主要道路下方敷設，若道路改造為下穿隧道或高架橋梁的形式，勢必出現隧道基坑或橋梁基礎基坑施工臨近既有地鐵結構的情況。基坑開挖引起周邊土體變形，易對既有地鐵結構的受力及位移控制產生不良的影響。早在20世紀80年代，Kusakabe等[1]就針對基坑開挖對臨近既有管道的影響進行過離心模型試驗研究；李志高等[2]通過有限差分法數值模擬，得到鄰近大剛度地鐵車站基坑開挖位移場的位移傳遞規律；高廣運[3]等通過研究發現，對緊貼基坑地下連續墻的土體進行二次加固及結構逆筑施工，可有效控制相鄰隧道變形；張治國等[4]提出鄰近開挖對軟土隧道縱向受力變形影響的簡化計算方法；郭典塔等[5]分析近接隧道基坑開挖施工力學特征，并探討基坑開挖對盾構隧道結構變形以及地鐵列車振動對基坑施工力學行為的影響；黃兆緯等[6]通過研究發現，地鐵上蓋基坑開挖會對既有地鐵隧道的變形產生影響，土體加固、基坑分塊開挖等技術措施能夠有效控制地鐵隧道的變形，其中土體加固技術的效果最為明顯。還有很多學者[7-10]基于工程實例，對臨近地鐵基坑工程影響機理和控制措施進行研究，研究方法主要為經驗公式法、解析法、實測分析法和有限元模擬法等[11]。

以往文獻對新建基坑側上方臨近地下結構的研究較多，對平行施工的研究較少。以下所研究的工況為道路明挖隧道基坑平行于既有地鐵區間隧道工程，針對多種設計方案，對隧道結構位移控制的敏感性要素進行分析排序，確定最優支護方案。

2 工程概況

長春市某下穿公路隧道基坑側方臨近既有地鐵區間隧道，采用明挖法施工，“鉆孔灌注樁+內支撐”支護，樁間旋噴樁止水，基坑走向與區間隧道走向基本平行，與既有地鐵隧道最近部分水平距離為4.06 m，深約14 m。區間隧道為盾構法施工，管片內徑為5.4 m，外徑為6 m，埋深約5 m。二者平立面位置關系見圖1、圖2。

圖1 基坑與地鐵平面位置關系(單位：m)

圖2 立面位置關系(單位：m)

擬建場地地貌為波狀臺地，基底巖系為白堊紀泥巖，上覆地層為黏性土層、砂土層及雜填土，無巖溶、滑坡等不良地質現象。地下水為表層孔隙性潛水及巖石裂隙水，具微腐蝕性。

3 支護參數與位移控制敏感性研究

為研究各種常規基坑支護措施對地鐵區間隧道結構位移控制的效果，在基坑支護設計中，主要考慮了5種可變參數：基坑壁土體加固參數、圍護樁截面尺寸參數、鋼支撐型號、支撐豎向布置和橫向布置參數。

支護參數研究的主要思路為，首先擬定一個常規支護方案，對此支護方案進行試算，若此方案的位移計算結果接近容許范圍，則確定此支護方案為基準方案。在基準方案的基礎上，增強或削弱一個或兩個參數，以此設定其他比較方案。通過多方案對比分析，得出位移控制與各支護參數的相關性，進而確定最優方案。

方案一：基準方案。張立明[12]等通過研究發現，袖筏管注漿可以有效地控制地鐵隧道結構位移，在方案一中，對盾構隧道與基坑之間的3 m土體進行袖閥管注漿加固，豎向范圍為從地表到基坑底部。圍護樁采用直徑1 200 mm、間距1 500 mm的混凝土鉆孔灌注樁，樁長18 m，設置三道支撐，首道支撐采用混凝土支撐，截面為800 mm×600 mm，間距6 m，第二、第三道采用直徑800 mm的鋼支撐，間距3 m。支護示意如圖3所示。

圖3 兩道鋼支撐方案

方案二：在方案一的基礎上取消注漿加固(用來判定該工程中注漿加固的效果)。

方案三：在方案一的基礎上弱化圍護樁，減小樁徑(改為直徑1 000 mm)，間距不變。

方案四：在方案一的基礎上弱化鋼支撐，減小鋼支撐直徑(改為直徑609 mm)。

方案五：在方案一的基礎上強化注漿體強度。依據地區經驗，高壓旋噴樁加固后的土體強度要高于袖閥管注漿加固，計算參數見表2。

方案六：在方案五的基礎上增加一道鋼支撐，同時調整豎向支撐的間距。方案示意如圖4所示。

圖4 三道鋼支撐方案

方案七：在方案六的基礎上調整各類支撐水平間距，混凝土支撐水平間距由6 m縮小到5 m，鋼支撐由3 m縮小到2.5 m。

為了更加直觀表述，所有研究方案參數變化見表1，調整的參數以字體加粗表示。

根據以上方案，利用巖土數值模擬軟件FLAC3d建立三維數值模型，模型長寬高分別為25 m×100 m×18 m，巖土體及地鐵隧道采用實體單元模型，符合摩爾-庫倫屈服準則。地鐵隧道管片結構為彈性模型，考慮接頭作用，在C35混凝土參數的基礎上進行30%的剛度折減。圍護樁、全部內支撐及鋼圍檁采用梁結構模型(彈性模型)，與土體變形相協調。以方案一為例，地鐵管片結構模型示意及網格劃分如圖5。

表1 研究方案

圖5 模型網格劃分

模型中巖土體和人工結構物力學參數參考地勘報告、相關設計規范[13]及相關工程經驗。取值如表2所示。

表2 巖土體及結構物理學參數

模擬施工中不考慮施工降水作用，先施工圍護樁及冠梁，分層開挖，隨開挖隨支護，施工工序及相關模型如下：

(1)建立土體及盾構隧道模型，位移清零(如圖6)。

圖6 初始工序模型

(2)加固坑壁與隧道之間的土層(如有)，施工基坑圍護樁及冠梁結構。

(3)分層開挖基坑，當開挖至某道支撐高程下約0.5 m處時，施作該道鋼圍檁支撐，并繼續開挖，直至達到坑底(如圖7)。

圖7 開挖及支護工序模型

基坑開挖后，既有區間隧道會產生朝向基坑方向的位移，區間隧道與地鐵基坑基本為水平位置關系，對既有結構的影響以水平位移為主(如圖8)，故重點對各個方案的水平位移進行分析。

圖8 開挖完畢后模型

在支護方案一中，基坑開挖完畢后，基坑最大橫向位移為9.22 mm，隧道側坑壁最大橫向位移為7.37 mm，區間隧道最大橫向位移為5.61 mm，最大沉降為1.23 mm。《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[14]規定：隧道水平位移、豎向位移和徑向收斂的預警值為10 mm，控制值為20 mm。《城市軌道交通工程監測技術規范》[15]則提出了更加嚴格的變形控制標準：隧道結構沉降累計值不得超過3～10 mm，上浮限值為5 mm，水平位移限值為3～5 mm。方案一計算數值接近容許范圍，故以此方案作為比較基準方案。土體及區間隧道結構橫向位移如圖9、圖10。

圖9 方案一巖土體橫向位移云圖

圖10 方案一隧道橫向位移云圖

各個方案計算結果統計如表3。

表3 各方案計算結果統計

4 方案分析

對比方案一、方案二可以看出，袖閥管加固坑壁土體對控制坑壁土體橫向位移效果顯著，對距離略遠的盾構隧道橫向位移控制也有一定的效果，如不加固，二者位移分別增大114%及14%。

從方案三、方案四可以看出，當弱化一檔圍護樁或內支撐參數，即圍護樁直徑由1 200 mm調整為1 000 mm，內支撐直徑由800 mm調整為609 mm時，土體和盾構隧道橫向位移均增大了約30%左右，故圍護樁尺寸及內支撐直徑對橫向位移的控制比較敏感，不宜輕易削弱。

對比方案一與方案五，采用高壓旋噴樁進行坑壁側土體加固后，雖然加固體力學參數得到進一步提升，但土體和隧道橫向位移只減小6%和2%，效果比較微弱。可以看出，提高加固體力學性能的方法并不能有效控制隧道的橫向位移。

從方案六可以看出，增加一道橫撐并相應調整支撐豎向間距后，坑壁和隧道位移分別減少了18%及13%，效果比較顯著。如果在方案六的基礎上進一步加密支撐橫向間距(方案七)，其位移繼續減少5%左右，從控制內支撐工程量、保證支撐間的空隙、方便吊車作業的角度考慮，方案七不可取。

根據地區概算定額，以上七種方案與基本方案一的每延米概算比值為：1，0.62，0.93，0.91，0.89，1.07，1.18。可以看出，方案二造價最低，即土體加固占據了顯著的投資比例；方案七造價最高則是由于增加了內支撐的投入，其他方案與基礎方案相比，差值均在15%以內波動。

綜合工程投資、工序繁簡等因素考慮，選擇方案六作為推薦方案。

5 結論

(1)為了達到控制周邊隧道位移的目的，基坑圍護樁橫截面尺寸及內支撐尺寸等圍護結構的剛度特性參數是最為敏感的設計要素。

(2)基坑支護方案加強措施排序為：圍護樁參數、優化鋼支撐直徑、鋼支撐豎向間距及道數布置、支撐水平間距、坑壁土體強度、加固土體的力學參數。

(3)坑壁與隧道之間的注漿加固很有必要，一般通過常規注漿保持坑壁土體的整體性即可，一味提高該部分土體參數并不能有效控制坑壁及周邊隧道的位移。