超深基坑施工對臨近既有線變形的實測分析

摘要：隨著城市軌道交通工程快速發展，在城市核心區出現了大量樞紐車站，而樞紐車站通常采用多次建設，后期實施的線路需解決在緊鄰既有線的情況下安全修建超深基坑的難題。以成都軌道交通18號線3期工程騾馬市站超深基坑工程為背景，通過數值模擬分析、調查現場情況、研究監測數據，對既有結構變形的誘因進行分析。結果表明，在成都地區選擇“間隔圍護樁+內支撐”的支護體系，配合基坑外降水是可行的；在局部變形敏感的范圍采用部分蓋挖擬作實施主體結構能更有效地控制基坑變形、保護既有線安全。分析結果可為緊鄰既有線的超深基坑設計、施工方案提供思路。

關鍵詞：超深基坑； 既有線變形； 現場實測； 數值模擬

中國分類號：U452.2+6A

［定稿日期］2023-01-16

［作者簡介］劉昕銘（1987—），男，碩士，高級工程師，從事地下空間及隧道工程工作。

0 引言

近年來，隨著我國城市軌道交通工程快速發展，在城市核心區出現了大量樞紐車站，新建線路通常較既有線路埋深更大，施工過程中基坑的變形以及周邊土體的沉降會對臨近建（構）筑物及既有線的安全產生影響［1-3］。因此，復雜環境下的深基坑施工對臨近既有線的影響，已成為諸多學者研究的熱點問題之一［4-6］。

研究基坑開挖過程中周圍土體變形規律通常采用現場監測、理論模型、模型試驗、數值模擬等手段。然而，常規的分析方法不能準確考慮土體、基坑支護和周邊環境的相互作用，而整體三維分析由于模型數據龐大，模型精度有時無法保證而影響計算準確度［7-9］。因此，以實際工程的監測數據出發，通過分析數值計算結果、調查現場施工過程、查看地勘資料等手段，綜合分析，是找到超深基坑施工對臨近既有線變形原因的合理方法。

本文選取成都軌道交通18號線三期工程騾馬市站基坑工程為研究對象，該基坑從地面至地下30 m主要為砂卵石地層，30 m以下至基底主要為風化泥巖層，基坑是目前成都市最深的大規模基坑（同為18號線三期工程的火—騾區間風井為成都市目前最深的基坑，達到48.5 m，但其平面規模小，不適合作為此次研究對象），且緊鄰既有線，在成都地區非常有代表性。

1 工程概況

騾馬市站為成都軌道交通1號、4號、10號、18號線的四線換乘站，其中，1號、4號線已通車運營，10號、18號線為在建線路。1號線車站為地下2層站，南北向布置，位于人民中路道路正下方；4號線車站為地下3層站，東西向布置，位于西玉龍街道路正下方，與1號線形成T字換乘；10號線車站（含配線段）為地下4層站，東西向布置，位于西御河沿街、東御河沿街道路正下方；18號線車站為地下6層站，南北向布置，位于1號線西側，人民中路西側地塊內。

10號、18號線車站基坑同步實施，整體呈T形，其中，兩線車站主體為統一基坑，10號線配線段為單獨基坑。18號線基坑長約185 m，寬約28 m，深43.5～45.5 m；10號線基坑（車站段）長約166 m，寬約35.2 m，深約35 m；10號線基坑（配線段）長約137 m，寬11.9～14.7 m，深34.3～35.3 m。

根據詳勘報告及現場開挖情況，18號線基坑范圍地層依次為雜填土、粉質黏土、稍密卵石土、中密卵石土、密實卵石土層及中風化泥巖（車站南北端頭井位置局部存在強風化泥巖夾層，局部鉆孔揭示存在0.4～1.9 m厚粉細砂或密實中砂），底板位于中風化泥巖層。巖面約為地下30 m，勘察期間場地水位埋深2～7.1 m，洪水期地下水埋深2～4 m，卵石土滲透系數27.8 m/d。

騾馬市站四線布置總平面見圖1；18號線車站基坑及地質縱斷面情況見圖2；地質參數見表1。

2.1 支護方案

根據成都地區地鐵基坑的設計、施工經驗，在上部砂卵石地層、下部泥巖地層的基坑采用“間隔圍護樁+內支撐”的支護體系，配合基坑外降水是經濟、安全、快捷的。

1號線明挖車站與盾構隧道接口處為結構體系的薄弱環節，由于剛度不連續，該處對變形敏感，因此在18號線基坑設計時，對應既有線的不同位置，采取了分段措施以保證結構的安全。

18號線基坑的1～16軸，采用6層明挖順作的方案，共設置了7道支撐，其中第一、三、五道采用鋼筋混凝土支撐，其余采用鋼支撐。

18號線基坑的16～23軸，為減小基坑開挖對1號線車站、區間接口位置的影響，加強深基坑節點支護安全性，同時結合現場工籌安排，采用局部2層明挖，剩余4層蓋挖逆作的方案，明挖部分設置3道支撐，其中第一、三道采用鋼筋混凝土支撐，第二道為鋼支撐（圖3、圖4）。

2.2 地下水處理方案

對于超深基坑，地下水的處理方案是影響基坑安全的最重要因素之一。本基坑設計階段綜合比選了隔水和降水2種方案。若采用隔水方案，對基坑周邊建（構）筑物的影響較小，但基坑本身始終處于高水頭的狀態，不利于基坑的穩定［10］，且由于基坑荷載的顯著增加，會大幅提升工程投資。若采用降水方案，由于降水對地層的影響，周邊建（構）筑物可能會產生沉降，但對于超深基坑不構成高水頭，有利于基坑本身的安全與穩定，且節約了工程投資。

綜合考慮了降水影響、基坑安全、工程投資等因素，本基坑采用了降水方案。有別于傳統基坑的降水方案，采取的針對性措施：

（1）優化水泵功率（由常規的15 kW調整為11 kW、7.5 kW間隔設置）、減少降水井間距（由常規的15～25 m間距增加至10～15 m間距），最大限度減少降水出砂率，嚴格控制在1/（10萬）以內，保持地層穩定。

（2）采用階梯降水思路，不僅在新建10、18號線基坑周邊設置降水井，在既有1號線東側也設置了降水平衡井，目的是減少1號線兩側的水位差，控制不均勻沉降。

巖土工程與地下工程劉昕銘： 超深基坑施工對臨近既有線變形的實測分析

（3）結合成都地區基坑降水經驗，一般在卵石層，管井降水效果較好，在砂卵石至泥巖層交界面，很難將地下水完全抽排，因此在該范圍采用樁間打設泄水孔對的方式，在坑內設置縱向連通的排水溝和集水井進行明排。

2.3 既有線保護專項措施

為保護既有結構安全，18號線基坑主要采取了提升基坑剛度、對既有結構周圍土體注漿加固2個措施。

（1）在成都地鐵常規深基坑設計方案的基礎上，加強支撐高度，豎向設置3道鋼筋混凝土支撐，標高分別位于基坑冠梁處、1號線底板處、砂卵石與泥巖交界面處。

（2）對靠近既有線一側的圍護樁進行加密處理，常規基坑的圍護樁常采用1.2 m@2.2 m的參數，本基坑采用1.2 m@1.5 m的參數。

（3）在2個結構之間的夾土，采用預注漿進行加固；在1號線車站結構及盾構隧道底部，隨基坑開挖，從基坑內橫向打設108 mm的鋼花管進行注漿加固，并預留跟蹤注漿條件。

3 模擬計算

3.1 模型的建立

本次計算采用Midas GTS建立三維模型進行有限元分析，土體采用3D單元進行模擬。既有建筑物及車站墻板采用2D板單元進行模擬，既有建筑物及車站柱采用梁單元進行模擬。18號線車站基坑支撐、圍護樁及格構柱均采用梁單元進行模擬，錨桿采用植入式桁架單元進行模擬。混凝土及鋼材均采用線彈性本構模型，巖土采用修正摩爾-庫倫本構模型。

基坑深度范圍內土層分布依次為雜填土、粉質黏土、中密卵石土、密實卵石土、密實卵石土、中風化泥巖。車站基坑三維整體模型中建入既有1號線區間、既有1號線車站、既有4號線區間、御河人防工程及成都房地產大廈等風險源，基坑整體模型如圖5所示。

3.2 模擬結果

模擬計算步驟與實際實施工序一致，基坑開挖前降水至基坑底以下1 m，然后逐層開挖土體形成結構體系。車站變形以豎向位移為主，水平位移不明顯，計算結果見圖6、圖7。

計算結果顯示：

（1）既有1號線車站最大豎向變形為4.1 mm，發生在車站靠近新建基坑側的側墻、底板（1號線縱向的中間部位），該處亦是最大水平位移發生點位，為1.3 mm，位移趨勢為靠近新建基坑一側。

（2）既有1號線區間最大豎向位移為2.4 mm，發生在1號線車站南端頭車站與區間接口處，該處亦是最大水平位移發生點位，為1.3 mm，位移趨勢為靠近新建基坑一側。

4 監測數據及分析

4.1 監測技術指標

按照成都地鐵相關管理辦法要求， 1號線監測點布置要求如表2所示。監測控制指標根據城市軌道交通的結構安全保護技術要求及現行國家標準GB 50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》《城市軌道交通控制保護區外部作業專項應急預案》等要求確定，如表3所示。

/既有線軌行區采用自動化監測，監測頻率為4次/天。軌行區監測點及監測設備的現場情況如圖8所示。

4.2 監測情況

本基坑的砂卵石泥巖層交界面在-30 m，根據監測數據，在基坑開挖進入泥巖層后，基坑的內力、變形及周邊風險源的沉降均趨于穩定，因此僅針對泥巖層以上的基坑開挖進行監測數據分析。

監測橫斷面沿1號線線路方向布置，在1號線車站范圍內為：DM37—DM57，靠近側墻的軌道布置2號監測點，靠近站臺側的軌道布置3號監測點。根據斷面監測數據，靠近18號線基坑一側的右線參數與左線相比，更劇烈。圖9為基坑開挖至-30 m時，右線監測數據，從圖9中可知：

（1）1號線軌道豎向位移最大值為-6.43 mm。

（2）DM43—DM46范圍，1號線軌道豎向位移在-4.51～-6.43 mm之間，其余監測值均為超過-4 mm。

（3）車站南端頭，與盾構隧道接口處，豎向位移為-1.76 mm。

由于DM43—DM46范圍的豎向位移遠超其它地段，對該段歷史監測數據進行分析，如圖10所示，結合基坑的施工步驟及關鍵監控值，分析為：

（1）2020.11—2021.3枯水期間，本工程處于停工狀態， 1號線右線軌道豎向最大位移為-3.88 mm。

（2）2022年2月15日，啟動騾馬市站東側降水井， 2022年2月25日變化速率加快，累計沉降值達-4.65 mm，東側降水停止，為保護既有線，現場增加注漿措施。

（3）2022年5月21日，累計沉降值達-6.41 mm，超過沉降預警值，現場停止開挖，繼續增加注漿措施，并開啟1號線東側的平衡降水井及10號線配線段的降水井，待監測數據穩定后再繼續開挖。

（4）分析的監測數據為基坑開挖至卵石土與泥巖層分界面處，在基坑開挖進入泥巖層后，配合階梯降水的形成，后續開挖工況支護體系剛度無明顯降低，監測數據較為穩定，在基坑見底時，既有線豎向位移最大值在-7.4 mm左右。

4.3 原因分析

結合新建基坑設計方案、施工工序、地質條件，對基坑開挖期間既有線沉降的監測數據綜合分析，主要影響因素：

（1）降水影響：2021年11月開始開挖基坑，開挖至-15 m處時，整體監測數據基本穩定；2022年2月15日～2月25日期間，局部降水井出砂率超標（約6/10000），監測數據從-2.83 mm降至-4.01 mm，因此關閉了出砂率超標的降水井；2022年2月25日起，基坑繼續開挖至-30 m，監測數據在3個月內從-4.01 mm降至-6.41 mm。

降水井的出砂率和降水井整體布置對既有線沉降影響較大。在出砂率滿足要求小于1/（10萬）的前提下，監測數據較穩定，局部降水井出砂率超標后約6/10000，監測數據反應敏感；在降水井群整體開啟時，監測數據較穩定，關閉局部降水井后，造成了既有線兩側水位差，加劇了局部降水井的出砂率，進一步導致了既有線沉降。

（2）地質條件：對沉降最大的DM43—DM46范圍進行分析，該處恰好是既有1號線底板下細砂層最豐富的地段（地下17.1～21 m處存在砂層，最厚達3.9 m），該處的降水井出砂率高、基坑開挖過程中明排水攜泥帶砂量大，對既有線沉降影響較大。（3）以往工程實施的影響：根據調查，既有1號、4號線騾馬市站基坑施工時由于降水效果不理想，存在帶水作業的情況，在2008—2015年間，基坑施工對地層擾動產生砂層流失，這對新建基坑影響既有1號線亦埋下安全隱患。

5 結論及建議

經過調查現場情況、研究監測結果，針對超深基坑施工對臨近既有線變形的影響，得出結論：

（1）超深基坑的降水對臨近既有線變形產生直接影響。為保證既有線安全，降水方案建議采用分布分序的階梯降水，針對地層中砂層分布范圍，合理調整降水井參數，嚴格控制出砂率。

（2）當既有結構的底板下方存在大量砂層，尤其是細砂時，降水對其沉降影響較大，建議在新建基坑開挖至既有線底板標高前，提前進行預注漿加固，且保留跟蹤注漿條件，以確保進一步開挖時的安全。

（3）超深基坑支護方案及明挖、蓋挖方案的選擇直接影響了基坑變形及周邊建（構）筑物的安全。在成都地區選擇“間隔圍護樁+內支撐”的支護體系，配合基坑外降水是可行的；在局部變形敏感的范圍采用部分蓋挖擬作實施主體結構能更有效地控制基坑變形，保護既有線安全。

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