深基坑施工對既有地鐵隧道的影響及保護措施研究

林章凱

(福建建工集團有限責任公司 福建福州 350003)

0 引言

鄰近既有地鐵隧道開挖深基坑，國內外都積累了相當豐富的理論及實踐經(jīng)驗。一般通過理論分析、相關行業(yè)經(jīng)驗、工程類比，以及三維模擬計算，評估新建工程的深基坑施工對既有地鐵隧道安全的影響，并采取相應的保護措施。

黎永良[1]研究認為，開挖卸荷對地鐵隧道產(chǎn)生的附加應力和自身變形起主要作用。周建昆等[2]研究認為，基坑底板施工對坑底隆起有顯著抑制作用，可有效控制隧道隆起及側向位移，從而保護隧道結構。

吳伯建等[3]研究認為，在基坑開挖前，利用數(shù)值軟件分析模擬深基坑開挖過程，對地鐵隧道的變形進行預測與分析，選擇合理的支護方案，減少工程風險。陳仁朋[4]研究認為，基坑開挖會使鄰近隧道結構產(chǎn)生縱向不均勻變形，導致受損，有必要進行三維有限元分析。劉遠亮[5]應用Midas三維有限元軟件對基坑開挖各個施工階段進行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)計算結果與監(jiān)測結果一致，能夠應用于工程實際。

1 工程案例

省汽車運輸公司工業(yè)路舊西客站地塊項目由南北向A、B兩個地塊組成，兩地塊間為規(guī)劃道路(路寬12 m)，地下室外邊線距離約為22.80 m。A、B地塊西側緊鄰福州地鐵2號線寧化站～西洋站區(qū)間(以下簡稱“2號線寧～西區(qū)間”，隧道管片厚度為350 mm，內徑為5500 mm，外徑為6200 mm，環(huán)寬為1200 mm。環(huán)間錯縫拼裝，砼強度等級C55，抗?jié)B等級P10)，場地部分位于地鐵保護范圍內，圍護結構樁頂放坡外邊線距離隧道結構外邊最近均為5.0 m。A地塊擬建1幢17層住宅，下設1層地下室，基坑面積約 4745.06 m2，基坑開挖深度4.20 m～4.70 m；B地塊擬建5幢12～24層住宅，下設1～2層地下室，基坑面積約12 699.38 m2。東側為兩層地下室，基坑開挖深度4.20 m～8.40 m。擬建場地與地鐵的相對關系平面圖如圖1所示。

圖1 擬建場地與地鐵的相對關系平面圖

2 地鐵安全評估及控制指標

根據(jù)《福州城市軌道交通控制保護區(qū)管理實施細則(試行)》及規(guī)范[6]，結合該區(qū)間結構原始狀況及運營監(jiān)測情況，具體變形控制指標值為：右線(近A、B地塊側)水平及豎向位移預警值取8 mm，控制值取18 mm；左線水平及豎向位移預警值取10 mm，控制值取20 mm。

3 深基坑支護方案及相應地鐵保護措施

3.1 基坑支護設計方案

3.1.1 基坑支護設計方案

A地塊地下1層底板面絕對標高為2.30 m，底板厚400 mm，墊層厚100 mm，鄰近地鐵區(qū)域基坑安全等級為一級，工程重要性系數(shù)取γ=1.10，其余位置基坑安全等級為二級，工程重要性系數(shù)取γ=1.0。

基坑支護形式：

(1)西側鄰近地鐵一側，采用三軸水泥攪拌樁內插PRC-Ⅰ500AB100型預應力混凝土樁，再加一道鋼支撐進行支護；

(2)南北兩側采用Ⅳ型拉森鋼板樁，再加一道鋼支撐的支護形式；

(3)東側采用Ⅳ型拉森鋼板樁前插入HM488×300×11×18型鋼樁，加一道鋼支撐的支護形式。

其中三軸水泥攪拌樁為φ850@600，鋼支撐梁采用H型鋼和Φ609鋼管，立柱采用HW350×350×12×19型鋼。A地塊基坑平面布置圖如圖2所示。

圖2 省汽車運輸公司工業(yè)路舊西客站項目A地塊基坑平面布置圖

3.1.2 B地塊基坑支護設計方案

B地塊設1～2層地下室，東側為2層地下室，地下1層底板面絕對標高為2.30 m，底板厚400 mm，墊層厚100 mm；地下2層底板面絕對標高為-1.50 m，底板厚500 mm，墊層厚100 mm。B地塊兩層地下室區(qū)域及鄰近地鐵區(qū)域基坑安全等級為一級，工程重要性系數(shù)取γ=1.10，其余位置基坑安全等級為二級，工程重要性系數(shù)取γ=1.0。

基坑支護形式：

(1)西側鄰近地鐵一側采用雙排樁支護，前排樁采用工法樁(內插HM488×300×11×18型鋼)，后排樁采用三軸水泥攪拌樁內插PRC-Ⅰ型預應力混凝土樁。

(2)南北側一層地下室區(qū)域采用土釘墻進行支護。

(3)兩層地下室區(qū)域采用SMW工法樁+一道混凝土支撐+被動區(qū)進行支護，工法樁采用三軸水泥攪拌樁內插HN700×300×13×24型鋼，坑中坑：采用自然放坡支護形式。B地塊基坑平面布置圖如圖3所示。

圖3 省汽車運輸公司工業(yè)路舊西客站項目B地塊基坑平面布置圖

3.2 地鐵保護措施

3.2.1 優(yōu)化設計方案

該項目A、B地塊近地鐵側圍護樁(三軸攪拌樁插PRC-Ⅰ管樁及型鋼樁)與2號線寧～西區(qū)間隧道的凈距在20 m范圍，圍護樁方案及施工工藝滿足要求。此外，樁基施工時，項目近地鐵50 m范圍內采用沖(鉆)孔灌注樁，20 m范圍內采用旋挖灌注樁。

3.2.2 優(yōu)化施工工序

該項目兩個基坑工程相對獨立，根據(jù)場地條件，在基坑南側設工地大門作為退土出口，先撐后挖。開挖時嚴格遵循“分區(qū)、分塊、分層、對稱、限時”原則，分階段均勻對稱開挖。注意分段分層厚度和相鄰高差，由遠及近先開挖遠離地鐵側土方，最后開挖靠近地鐵一側，每層開挖的厚度不超過2.0 m，淤泥層開挖厚度不超過1.0 m，且應間隔開挖。開挖見底后，及時進行封底，并施作地下室承臺及底板等地下室結構，地下室結構完成后，進行基坑四周均勻回填。在基坑內預留反壓土，減小基坑土方開挖卸載對既有地鐵的不利影響。A地塊結構完成后，繼續(xù)實施B地塊地下2層，以減輕側土壓力的影響。基坑邊2 m范圍內嚴禁堆載，施工過程加強巡查，以及時預見險情。

總體施工順序為A、B地塊對稱同時實施。第一步：A、B地塊兩個基坑同時開挖至1層地下室的基坑深度，并施作部分地下1層結構。其中A地塊開挖順序整體上為①、②、③、④，先開挖遠離地鐵側土方(①、 ②區(qū)域)，最后開挖靠近地鐵一側土方(③、④區(qū)域)，B地塊整體上為先進行遠離地鐵側的1層地下室土方開挖(⑧、⑨區(qū)域)，再開挖⑤、⑥區(qū)域，最后開挖⑦區(qū)域。第二步：B地塊2層地下室區(qū)域繼續(xù)開挖至基底，并施作地下室結構至±0.000(地下2層在遠離區(qū)間隧道一側)，整體上為先進行遠離地鐵側的2層地下室土方開挖(⑧、⑨區(qū)域)，并施作地下2層結構，再開挖⑤、⑥區(qū)域，最后開挖⑦區(qū)域，土方開挖順序及退土路線，如圖4所示。A、B地塊基坑凈距約20.0 m，且兩基坑相接范圍并非毗鄰既有區(qū)間隧道，同時開挖合理可行。

圖4 基坑土方開挖順序及預留坡道和退土方向示意圖(注：箭頭為退土方向)

兩個地塊中，間隔最小處僅10 m。該區(qū)域涉及A地塊3a-3a剖面、A地塊部分3-3剖面、B地塊4b-4b剖面及B地塊5-5剖面。4b-4b為雙排樁支護，前排樁采用工法樁(內插HM488X300X11X18型鋼)，后排樁采用三軸水泥攪拌樁內插PRC-Ⅰ型預應力混凝土樁。5-5剖面為放坡結合拉森鋼板樁支護，3-3及3a-3a剖面為Ⅳ型拉森鋼板樁加一道鋼支撐的支護形式。因兩側基坑支護差異性較大，先進行4b-4b剖面支護樁施工，施工完成后，進行其余剖面支護施工。A、B地塊支護內基坑土方開挖，先進行3-3及3a-3a剖面內土方開挖，后進行5-5剖面內土方開挖。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計算軟件與計算模型

采用巖土、隧道結構專用有限元軟件MIDAS/GTS NX進行分析計算。為真實模擬現(xiàn)場情況，將上一個施工階段中，結構體系與荷載的變化影響到后續(xù)階段。施工階段分析應采用累加模型，即每個施工階段都應繼承上一個施工階段的分析結果，并累加本施工階段的分析結果。

模型取用修正莫爾-庫倫模型(Modified Mohr-Coulomb)。有限元模型中，采用三維實體單元模擬土層，采用板單元模擬該項目擬建基坑鋼板樁、SMW工法樁、隧道襯砌結構。土層和結構參數(shù)，按照地勘報告和工程設計方案中構件實際截面特性確定。為保證計算結果精度，建模過程中將隧道結構簡化處理，襯砌結構材料按線彈性考慮，并考慮隧道襯砌接頭對襯砌結構剛度削弱的影響，將襯砌結構剛度折減15%。

4.2 計算模型及工況

4.2.1 計算模型

根據(jù)該項目與鄰近地鐵結構立體關系，對施工全過程進行模擬，如圖5所示。為了消除模型尺寸對計算結果的影響，計算模型范圍以外輪廓為基準，外擴一定距離(>5倍的基坑開挖深度)后而建立，模型深度按地鐵隧道埋深的約2倍建立。有限元模型尺寸為320 m×240 m×55 m。有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移，模型左右兩側約束水平向位移。上部邊界為地表自由面，自重荷載取重力加速度。

圖5 該項目與地鐵2號線寧～西區(qū)間隧道軸視圖

4.2.2 模擬計算工況

由于鄰近地鐵區(qū)間結構均已施作完成，2號線寧～西區(qū)間周邊土層的應力已重新分布，建模過程中予以考慮。模擬計算工況如表1所示。

表1 模擬計算工況表

4.3 區(qū)間結構變形計算及分析

通過模擬數(shù)值計算，該項目深基坑施工對2號線寧～西區(qū)間結構隨工況的位移變化如表2所示。最大位移均出現(xiàn)在工況6，X、Y、Z方向，位移云圖分別如圖6～圖8所示，均未超預警值，滿足規(guī)范要求。

表2 區(qū)間結構位移變化表(X、Y、Z方向)

圖6 區(qū)間模型X方向位移云圖

圖7 區(qū)間模型Y方向位移云圖

圖8 區(qū)間模型Z方向位移云圖

5 現(xiàn)場實施情況

截至2021年6月21日，第147次第三方地鐵保護性監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，累計最大變形量1.4 mm，區(qū)間結構變化速率和累計變化量均在控制值范圍內，且趨于收斂穩(wěn)定。該項目地基與基礎分部，經(jīng)驗收合格。

6 結語

該項目采用大型有限元軟件MIDAS/GTS NX，對省汽車運輸公司工業(yè)路舊西客站地塊A、B地塊的施工進行模擬計算，較為真實再現(xiàn)了該項目現(xiàn)場的地質情況、圍護結構布置，以及不同施工區(qū)域采用的不同施工工藝，模擬了施工動態(tài)過程，給出了整個計算域在不同施工階段的應力變形情況。根據(jù)模擬計算結果，結合現(xiàn)場采取的地鐵保護措施實施情況表明，該工程深基坑施工對鄰近地鐵區(qū)間的內力影響較小，應力應變均在規(guī)范允許范圍內，既有地鐵隧道結構受力安全，滿足地鐵保護要求。