基坑平行上跨既有地鐵隧道工程實踐及影響分析

焦雷

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽 471000）

0 引言

隨著城市地下空間利用率提高，不同深度地下空間的交通形式也越來越多。對于許多大中城市來說，地鐵網絡逐漸完善，雖然有城市中長期規劃的安排，但不可避免會出現在既有地鐵保護區內施工的情況[1，2]。國內時常會出現既有地鐵隧道保護區內施工影響地鐵正常運行的事故，對既有地鐵隧道結構的保護要求也變得相當嚴格[3，4]。

由于地層性質的多樣性和突變性、本構模型及計算參數的近似性、土體開挖過程的時效性以及地下水位升降、外部荷載變化等多種因素的影響，造成基坑開挖過程中的實際狀態與理論狀態都存在一定程度的差別。而以往類似工程案例由于所在地區差異、工程水位地質條件、現場施工周邊環境等方面的不同，僅能作為參考而不能直接應用。因此，要控制并減低基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響，確保地鐵結構安全，最行之有效方法是在理論模擬計算基礎上，采用信息動態監控施工，根據被保護對象的實際狀態來調控，及時調整施工方案，優化施工步序，最大限度地減小基坑開挖對既有地鐵隧道的影響。目前現有類似上跨既有地鐵隧道的基坑施工大多為大角度相交，核心施工影響區域有限，極少出現長距離平行上跨的工況，可借鑒的經驗較少[5，6]。在平行于既有地鐵隧道的基坑開挖中，如何切實采取有效的施工措施，總結施工過程中既有地鐵隧道結構的變形規律，合理調整施工工序，控制既有地鐵隧道結構變形，是保證地鐵結構安全的關鍵。

文中以洛陽龍門高鐵站站前的通道基坑平行上跨既有地鐵隧道施工為例，對既有地鐵隧道開展了施工全過程的自動化監測，也為既有地鐵結構保護積累工程技術經驗。

1 工程概況及水文地質

1.1 工程概況

基坑施工的聯通通道連接新唐街與龍門高鐵樞紐北廣場，基坑深度約為6.8～7.6m，圍護結構采用放坡+土釘的圍護型式，聯通通道為單層單跨矩形結構，長101.2m，標準段凈寬8m，局部非標準段凈寬14.5m。明挖基礎平行上跨既有地鐵隧道，垂直凈距2.03～3.32m。

既有地鐵隧道為單洞單線馬蹄形，復合式襯砌，初支厚度0.25m，二襯厚度0.35m，橫斷面尺寸6.4m×6.95m。正線線間距12～14m，區間覆土約9.68～10.24m。暗挖區間隧道已完成鋪軌及軌道精調，接觸網安裝已完成。基坑與既有地鐵隧道位置關系如圖1 所示。

圖1 基坑與既有地鐵隧道位置關系

1.2 水文地質

場地地層主要有第四系全新統人工堆積層（Q4ml）雜填土、素填土，第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）黃土狀粉質黏土、黃土狀黏質粉土、細砂、卵石，第四系上更新統沖洪積物（Q3al+pl）粉質黏土、卵石，下伏新近系洛陽組（N）泥巖。場地地貌單元屬沖洪積平原地貌，沿線分布有一定厚度的濕陷性土層，地基濕陷等級為I級（輕微）。

該基坑工程屬沖洪積平原區，為孔隙潛水分布區。孔隙潛水主要賦存于上更新統及全新統砂卵石地層中，屬潛水，主要由大氣降水入滲、河流側滲、河流滲漏等補給方式。基坑基底標高142.2～143m，抗浮水位137m，經設計確認，水位位于基底下約7m。基坑縱斷面地質圖如圖2 所示。

圖2 基坑地質縱斷面圖

2 基坑施工

基坑在正常施工條件下，土方外運引起的地鐵結構上部土方卸荷，可能會引起地鐵結構產生輕微的上浮，造成地鐵豎向位移。在開挖前需要進行有關計算和施工建議，提出相應的解決辦法，按照分級、分層、分段、跳倉開挖，不能超挖，并及時澆筑墊層封閉基坑的開挖方法，在土體變形傳遞效應的影響下，開挖施工引起既有地鐵結構的變形在安全控制要求范圍內。土方開挖過程中，加強觀察和監控量測工作，以便發現施工安全隱患，并通過監測反饋及時調整開挖程序[7]。

（1）基坑施工順序。基坑施工采用放坡+土釘支護形式，受周邊交通環境影響，采用一、二期分幅施工。通道基坑開挖采用分層、跳倉開挖，第一期基坑開挖先從A 段開始，首次開挖長度為12m，確認開挖過程中無未探明管線以及障礙物，開挖順序為A→G→B→H→C→I→D→F 段，第一期開挖完畢，結構施工完成后，進行土方回填和道路恢復，然后進行第二期基坑開挖，施工順序為L→K→J 段。基坑平面施工步序如圖3 所示，施工工期節點如表1 所示。

圖3 基坑平面施工步序

表1 基坑施工工期節點

在開挖過程中掌握好“分層、分步、對稱、平衡、限時”5個要點，遵循“豎向分層（每層不超過土釘墻下0.5m）、縱向分段、橫向分塊（分為三塊、先中間后兩邊開挖）、開挖的同時應輔以人工配合，基底以上20～30cm 的土層采用人工開挖，以減少超挖、保持坑底土體的原狀結構[8，9]。

（2）施工保證措施。基坑開挖施工保證措施主要有：①為最小限度減少對既有地鐵區間隧道的影響，長臂挖機站位在區間隧道外圍進行清表，并按1：0.3 坡度放坡，及時進行基坑支護工作；②基坑周圍5m 范圍內不允許堆載土方；③放坡到基底的位置需預留1m 鋼筋接茬，即墊層超過底板長度1m；④施工完畢后按照設計要求進行回填，頂板結構以下肥槽用C20 素混凝土回填；⑤過程中密切關注監測數據變化，如有異常，及時采取應急措施。

3 既有地鐵隧道結構監測及變形分析

基坑為分段施工，每段結構施工完畢后隨即按設計要求進行回填，整個過程在短短幾個月內完成，并嚴格遵循土方開挖的“時空效應”，最大限度的減少地鐵上方土體卸荷對地鐵產生的隆沉影響。因此，必須科學合理的對既有地鐵隧道結構進行安全評估，并制定既有地鐵區間隧道保護監測方案。

（1）上部基坑開挖對既有地鐵隧道結構安全評估。結構現狀調查分析。既有地鐵隧道區間礦山段長度為107.255m（左105.528m）。通過收集范圍內地鐵結構的竣工資料、養護資料得知，施工影響范圍內地鐵結構有無裂縫、掉塊、露筋、銹蝕、變形縫損壞等，但局部存在表面濕漬、變形縫處滲漏水等。

在上部基坑正常施工條件下，因建筑施工加載，在土體變形傳遞效應的影響下2 號線區間結構及線纜通道結構產生一定的沉降和水平位移。經數值模擬計算，得出在土體變形影響下，地鐵結構將產生豎向位移，按照設計要求施工，施工引起既有地鐵結構的豎向位移變形可控制在±10mm 范圍（“+”為隆起，“-”為下沉，下同）[10]。

按照規范CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》確定基坑工程對地鐵區間隧道結構屬于強烈影響，結構安全控制指標為：隧道水平位移和豎向位移為20mm，基坑結構完成后殘余風險為Ⅲ級。因此可知，由施工引起既有地鐵隧道結構變形在安全控制要求范圍內，但在施工過程中應利用全站儀、水準儀等對影響范圍內地鐵結構斷面水平變形、豎向變形等進行測量，并進行數據分析，確保既有結構和施工安全。

（2）既有地鐵隧道結構監測。工程采用建筑基坑工程監測變形測量等級為二等要求實施監測相關內容，基坑開挖范圍內的區間隧道共21個自動化監測斷面（間距5m，每個斷面4個監測點，其中拱頂1個、兩側墻各1個，底板1個），范圍外兩端各設置3個自動化監測斷面（間距10m，每個斷面4個監測點，分布與區間內隧道相同），用于監測既有隧道在基坑施工期間的變形，監測斷面布置如圖4 所示，其中ZM表示左線監測點、YM表示右線監測點，開挖范圍外監測斷面未顯示。

圖4 基坑開挖范圍內既有地鐵隧道監測斷面布置

（3）既有地鐵隧道結構變形分析。根據施工周期和開挖順序，將整個基坑范圍內的既有地鐵隧道分為A～F、G～I 和J～L3個部分，以便分析論述基坑施工對其影響[11]。如前所述，基坑開挖土體卸荷主要對地鐵結構豎向位移產生影響，為此，文中選取每個監測斷面中區間隧道底板的豎向位移作為分析對象，繪制其在施工期的歷時曲線，如圖5～圖7 所示。

圖5 區段A～ F 基坑開挖施工時隧道結構豎向位移歷時曲線

圖6 區段G～I 基坑開挖施工時隧道結構豎向位移歷時曲線

圖7 區段J～L 基坑開挖施工時隧道結構豎向位移歷時曲線

區段A～F 和G～I 于2021 年2 月25 日開始開挖施工，總開挖長度分別為47.7m 和25m，開挖前期（2021 年4 月26 日前）主要是兩端基坑開挖施工，既有地鐵區間隧道結構豎向位移均在±1.5mm 之間。隨著基坑開挖逐漸向中間段實施，隧道結構豎向位移逐漸增大，最大豎向位置值達到了2.86mm（F 區段監測點ZM14），但基坑結構完成回填后，隧道結構豎向位移又恢復到了±1.5mm 之間。

圖6 中區段G～I 基坑為非標準段（開挖寬度14.5m）比標準區段（開挖寬度8m）大近一倍，區段G～I左線區間隧道結構豎向位移未出現明顯的下沉過程。

圖7 中區段J～L 基坑的局部開挖寬度也比非標準區段大，左線也未出現明顯的下沉過程，且該區段右線隧道結構整體的豎向位移（最大0.94mm）明顯小于左線（最大2.39mm），說明既有地鐵隧道結構在上部有較大范圍卸荷時容易引起結構偏壓。對照監測斷面圖，由圖4 可以發現，既有地鐵隧道右線在臨近龍門樞紐側部分結構輪廓線已位于基坑范圍外，這也是造成隧道結構上部荷載偏壓的原因之一。

同時，對比圖6 和圖7 中數據又發現，區段A～F和區段J～L 基坑開挖引起的隧道結構最大豎向位移值分別為2.86mm 和2.39mm，而區段G～I 基坑的則為1.56mm，由此說明，基坑端部開挖對隧道結構的影響要遠小于基坑中間區段。在基坑平行上跨既有地鐵區間隧道明挖施工中，中間區施工會引起更大豎向變形，在施工中應引起重視，可通過縮短開挖長度、堆載反壓和及時施作底板封閉等措施保證施工安全。

4 基坑監測分析

文中主要是對既有地鐵隧道結構變形進行分析，對周邊環境和其它結構物的分析僅作簡要分析，工程采用建筑基坑工程監測變形測量等級為二等的要求實施監測，監測范圍為距離基坑邊緣線15m 內。斷面布設按照滿足安全要求的原則，主要對既有地鐵隧道（前文已描述）、邊坡、基底、構筑物、周邊管線等的沉降變形、水平位移變形等進行監測，監測頻率按照規范要求進行，并與施工進度動態相結合，根據施工進度實時調整監測頻率，基坑主要監測項目的監測數據：邊坡坡頂水平最大位移（2.5mm）、地表最大沉降（16.2mm）、橋墩墩身最大沉降（1.8mm）及坑底最大豎向位移（2.2mm），各項監測數據累計值均在控制值范圍內。

5 結語

在基坑施工全程對既有地鐵隧道結構進行的自動化監測表明，結構的豎向位移在基坑工程完工后可控制在±1.5mm 以內，遠小于±10mm 的規范要求，有效保證了隧道結構安全。通過分析既有地鐵隧道結構豎向位移的變化規律，得出以下結論：

（1）隨著基坑開挖逐漸向中間段實施，施工會引起的豎向位移值最大達到了2.86mm，但在結構施工完成后部分變形可恢復至±1.5mm 以內，在施工過程中應通過縮短開挖長度、堆載反壓和及時施做底板封閉等措施保證施工安全。

（2）局部非標準段加寬基坑施工造成右線隧道結構豎向位移（最大0.94mm）明顯小于左線隧道（最大2.39mm），左線均未出現明顯的下沉過程，隧道左右線變形嚴重不均勻，施工過程中應及時調整施工工序，減少偏壓對既有隧道結構的影響。

（3）中間區段基坑開挖引起的隧道結構最大豎向位移值分別為2.86mm 和2.39mm，而端部區段基坑的則為1.56mm，基坑端部開挖對隧道結構的影響要遠小于基坑中間區段，施工中應做好安全保障措施。