鄰近既有地鐵深基坑工程安全性評價與防控

【摘? ? 要】：為減小新建工程對軌道交通設施的影響，以新建道路工程穿越既有地鐵設施為研究對象，采用數值模擬、理論計算及現場監測等方法，研究了穿越工程對隧道結構安全性影響程度，提出了采用樁錨支護方式對新建基坑進行加固并對地鐵隧道進行實時變形監測，研究結果表明：采用樁錨支護方式對基坑進行加固后隧道結構保持在穩定狀態。

【關鍵詞】：地鐵；深基坑；樁錨；支護

【中圖分類號】：U211.3【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-07-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.003

Safety Evaluation and Protection of Existing Subway under the Influence of Deep Foundation Pit Engineering

LIU Xinghao

（Beijing Gonglian Road Liaison Line Co. Ltd.， Beijing 100161， China）

【Abstract】：In order to reduce the impact of new projects on rail transit facilities， the paper takes the new road project crossing the existing subway facilities as the research object， numerical simulation， theoretical calculation and on-site monitoring are used to study the impact of the crossing engineering on the safety of the tunnel structure， and the pile-anchor support is put forward to reinforce the newly build fundation pit and monitor deformation of subway tunnel in real-time. The research results show that： after the fundation pit is reinforced by pile-anchor support， the tunnel structure keeps in a stable state.

【Key words】：subway； deep excavation； pile-anchor； support

隨著北京城市更新建設進度的不斷提升，大量新建市政道路和老舊道路改造工程進入規劃與施工階段，如豐臺火車站周邊路網改造工程等。目前北京地鐵運營里程達到799 km，運營線路32條，未來北京將擁有不低于2 500 km的軌道交通線路[1～4]。由于地鐵線路大多位于道路下方，多穿越城市繁華地帶，新建或改造道路工程經常存在與既有地鐵線路交叉穿越、并行鄰近的關系。北京地鐵客運量已達到1 300萬人次/d，列車運營安全問題至關重要[5～8]。一旦由于穿越、鄰近施工影響地鐵運營，將帶來非常嚴重的后果，甚至造成城市交通混亂與癱瘓。本文以鄰近北京地鐵10號線的四合莊西路道路工程為研究對象，開展安全影響性評估、防護設計及實時變形監測研究，為地鐵安全運營提供有效保障，也為類似工程的設計、施工及防護措施的實施提供借鑒。

1 工程概況

四合莊西路（豐臺南路—豐臺北路）規劃為城市主干路標準，設計速度為40 km/h、局部30 km/h，規劃道路紅線寬40～75 m，道路全長約2.9 km。

北京地鐵10號線（首經貿大學站—豐臺站）區間在豐臺東路路口南側與四合莊西路線位相交，之后線位于10號線東側向北延伸，與10號線之間最大距離約75 m；在豐臺站北側，過東貨場路路口后，線位逐漸過渡到10號線的上方。見圖1。

道路樁號K1+487～K1+567路段為豐草河北路閉合框架，上方為豐草河北路，頂板以上為0.8 m厚路面結構。線位西側為地鐵10號線豐臺站—前泥洼站盾構區間，覆土約13.8～12.7 m。閉合框架結構側墻外邊緣距地鐵10號線右線中線水平距離約 40.5～23.8 m，施工將引發土層較大幅度變形，對地鐵10號線盾構區間結構造成潛在的變形風險。

2 安全性影響評價

2.1 模型建立

采用Midas GTS NX軟件，根據設計圖紙，建立三維數值模型?？紤]施工過程中的空間效應，模型取新建工程與既有地鐵有效影響范圍，地層模型中土體為實體單元，地鐵結構為板（殼）單元，不同土層采用不同的材料參數，模型底面及四周采用法向約束邊界條件，頂面采用自由邊界條件。模型尺寸：沿地鐵沿線方向370 m、橫向250 m，自原始地面頂部標高向下深度60 m。新建結構范圍包含四合莊西路下拉槽道路、東側立交專用匝道基礎，既有結構包含地鐵10號線豐臺站—泥洼站區間。見圖2。

根據施工工序制定相應的模擬工序：

1）工序一，打設北段四合莊西路下拉槽段基坑圍護樁；

2）工序二，完成下圍護樁段道路下拉槽基坑開完，同步施工鄰近該段的匝道橋；

3）工序三，整體開挖下拉槽道路及豐草河箱涵基坑，開挖深度2 m；

4）工序四，繼續整體開挖下拉槽道路及豐草河箱涵基坑，開挖深度3 m，開挖完成豐草河箱涵基坑；

5）工序五，繼續向下開挖施工，完成下拉槽段道路基坑開挖。

2.2 結果分析

道路施工過程對既有地鐵10號線結構及地表產生一定程度的附加變形，基坑開挖完成后既有10號線區間隧道的豎向最大變形1.667 mm，為下沉變形，發生在道路基坑下方區間位置處區間側墻及拱頂；橫向最大變形為0.498 mm，為偏東側，發生在靠近基坑開挖側盾構隧道側墻。見圖3。

根據新建工程與既有地鐵的穿越方式、影響分區、地鐵結構變形預測值以及線路敷設形式對穿越工程的風險評估等級進行劃分，此區域內地鐵結構處于基坑影響的顯著影響區范圍內，預測變形值達到1.667 mm，超過變形允許值（2 mm）的70%，綜合判定風險等級為一級。此段范圍劃分為重點影響區域，需對結構及軌道進行變形監測及實施防護措施。

3 基坑防護設計

3.1 設計參數

根據工程總體設計、安全性評價結果以及設計規范要求，針對此區段內工程基坑進行專項設計，采用混凝土支護樁加設錨桿的支護形式，基坑開挖深度 10～11.2 m。樁基采用?800 mm@1 500 mm 的懸臂鉆孔灌注樁，嵌固深度6 m；錨索設置于樁間，入射角度與水平面夾角15°：第一道錨索水平間距3 m、總長14.5 m、錨固段長度8 m、5束鋼絞線，距基坑頂1.5 m；第二道錨索水平間距1.5 m、總長17 m、錨固段長度10 m、3束鋼絞線，距基坑頂5 m；第三道錨索水平間距1.5 m、總長12.5 m、錨固段長度7.5 m、3束鋼絞線，距基坑頂8.5 m。見圖4。

3.2 基坑樁錨支護計算

樁錨支護最大水平位移13.74 mm，地表最大沉降值17 mm，滿足規范及評估要求。見圖5和圖6。

4 監控量測

4.1 監測方案

考慮到地鐵結構及軌道運行安全，采用人工+自動化的綜合方式對地鐵結構與軌道進行實時監測。自動化遠程監測采用靜力水準遠程自動化監測系統，監測網按測線形式在軌道結構布置，沿軌道縱向按20 m間隔布設。人工監測主要包括結構沉降、水平位移、隧道收斂、管片錯臺、幾何形位及無縫線路鋼軌位移等內容，測點間距為20 m，單線隧道每個斷面布設2個測點。見圖7。

4.2 監測數據分析

自動化監測儀器布設在重點影響區域隧道結構底部，上下行各布設17臺精力水準儀，監測頻率1次/h，由于列車運行引發的結構振動對結構瞬時變形數據影響較大，因此選取每日凌晨1：00—3：00時段內的變形數據作為外部工程影響引發結構變形的數據對坑開挖時段42 d的變形數據進行分析。見圖8。

基坑開挖施工期間，上行隧道結構沉降變形值集中在-0.3～0.2 mm，下行隧道結構沉降變形值集中在-0.4～0.15 mm，區間內最大變形發生在鄰近施工側的SZDH06測點，達到-0.4 mm。施工期間隧道結構變形值未達預警值，結構保持在穩定狀態。由于靜力水準儀安裝在地鐵結構上，隨著每天地鐵列車振動影響及設備本身的精度問題，數據出現微小幅度的波動均屬于正常情況。

結構變形實測數據與安全評估預測數據有一定的差距，主要由于評估建模以最不利的開挖條件考慮結構變形，以此增加施工期間結構安全系數。通過基坑支護專項設計及支護穩定性計算，最大限度降低了基坑施工對地鐵結構的影響，全過程的實時監測數據顯示，基坑支護設計及施工工藝均起到對結構安全穩定的保障作用。

5 結語

北京地鐵線路的不斷開通，已形成了網絡化運營格局，穿越或鄰近道路也越來越多，一旦由于穿越、鄰近施工影響地鐵運營，將帶來非常嚴重的后果，甚至造成城市交通混亂與癱瘓。穿越或鄰近道路施工過程中隧道結構變形預測可達到1.667 mm，結構變形風險等級為一級；通過數值模擬的方式能夠較為有效、準確地預測地鐵結構在外部施工影響下的可能變形值，以此對軌道防護設計、施工工藝優化及變形監測提出針對性、可行性的建議。項目實施過程中采用自動化監測的方式對結構實時變形進行監測，靜力水準儀為外部施工及地鐵運營提供了實時有效數據；監測結果顯示隧道結構最大上浮變形0.4 mm，對結構安全未造成影響。

參考文獻：

[1]趙方鴿.地鐵運行誘發振動的現場實測及建筑物數值模擬分析[D].廣州：廣東工業大學，2014.

[2]崔高航，陶夏新，陳憲麥.城軌交通引起的環境振動問題綜述研究[J].地震工程與工程振動，2008，（1）：38-43.

[3]鄭金賢.城市軌道交通振動在土層中的傳播規律的研究[D]. 北京：北京建筑大學， 2017.

[4]李明明.地鐵地下線及高架線的振動傳播和長期沉降研究[D].合肥：安徽建筑大學，2017.

[5]夏? ? 禾，曹艷梅.軌道交通引起的環境振動問題[J].鐵道科學與工程學報，2004，1（1）：44-51.

[6]張麗媛.地鐵8號線瀛海站高架橋地鐵振動響應規律分析[J].黑龍江交通科技，2021，44（9）：178-179.

[7]馮立力，許永富，尹鐵鋒，等.寧波軌道交通高架線路現場振動測試與分析[J].都市快軌交通，2018，31（4）：92-97

[8]宋? ? 波，張輝，呼延辰昭，等.基于調研與實測的高架地鐵軌道的振動影響研究[J].機車電傳動， 2019，（4）：72-76+130.

收稿日期：2022-05-10

作者簡介：劉星浩（1983 - ）， 男， 內蒙古扎蘭屯人， 工程師， 從事基礎設施建設與管理工作。