軟土地區深大基坑施工對過江地鐵隧道的影響

吉 文，楊 旭

(江蘇南京地質工程勘察院，江蘇 南京 210041)

長江沿岸經濟發達，建設工程多。過江地鐵隧道結構地處漫灘地貌單元，極易受周邊施工擾動的影響，導致土層原有的平衡狀態被破壞[1]，沿江地鐵的結構安全面臨巨大挑戰，其周邊的建設活動受到極大的關注。

軟土地區深基坑施工過程中，降水、圍護結構施工、土方開挖、地下室結構施工以及重載車輛碾壓和建材堆載等都會對下臥地鐵結構產生影響。吳紅斌[2]以上海某地鐵車站基坑工程為背景，采用數值模擬的方法對開挖過程中地鐵隧道的變形及周邊地表沉降進行了研究，并與現場監測數據進行對比分析。吳龍梁[3]等依托某橋梁承臺深基坑工程采取預先加固、超前支護和分層分段開挖的施工方法，分析隧道累計沉降和水平位移監測數據，研究不同施工工況對地鐵隧道位移和變形的影響規律。黃睿[4]等基于軟土地區某臨近地鐵隧道的超大深基坑工程實例，利用自動化監測及三維激光掃描技術等現場監測手段，獲取區間隧道在臨近深基坑分區開挖下的變形數據及裂縫發展情況，并結合施工過程對典型斷面的監測結果進行分析。佘格格[5]采用HSS模型分析深基坑工程引起的鄰近線路主體結構變形和地表沉降規律，并將計算結果與實際監測數據對比分析，驗證了HSS模型的適用性。

目前軟土地區的地鐵安全保護研究案例較多，也比較深入，但長江沿岸深基坑對過江隧道的影響案例研究還較少[6]。本文基于長江南岸某深基坑工程，通過建立數值模型進行有限元分析，研究總結深基坑施工對過江隧道結構的影響，同時對數值模型的參數設定提出建議。

1 工程概況

1.1 項目概況

項目位于長江南京段南岸，地處長江漫灘地貌單元，基坑長約100～127m，寬約83～91m，深度約13.1～15.1m(局部承臺部位下沉1.6～2.0m)，距離過江地鐵隧道區間約66.1～70.1m。深基坑和過江地鐵隧道位置如圖1所示。

圖1 基坑和過江地鐵隧道位置

1.2 支護結構選型及地下水處理

基坑豎向支護體系采用鉆孔灌注樁進行支護，樁型為1100@1300、1200@1400；采用三層鋼筋砼支撐體系；立柱樁采用鉆孔灌注樁，樁徑1000；鋼立柱采用型鋼格構柱立柱；止水體系采用TRD工法、CSM工法水泥土攪拌墻；降水體系采用管井進行降水。基坑圍護結構設置如圖2所示。

圖2 基坑圍護結構設置圖

1.3 地質條件

地鐵隧道區間所處地層主要為②-3b-4～3軟塑-流塑狀粉質粘土(夾粉砂薄層)、②-5b-4～3軟塑-流塑狀粉質粘土、②-5d-2～1粉砂、細砂。

項目地塊位置所處地層從上至下主要為①-1雜填土、②-1b-3-2粉質粘土(軟-可塑)、②-3b-4～3軟塑-流塑狀粉質粘土(夾粉砂薄層)(厚度約13m)、②-5b-4～3軟塑-流塑狀粉質粘土(厚度約19.8m)、②-5d-2～1粉砂、細砂。項目地塊坑底位于②-3b-4～3軟塑-流塑狀粉質粘土。過江隧道和基坑所處地層如圖3所示。

圖3 過江隧道和基坑所在位置地質縱斷面圖

1.4 地鐵結構概況

過江地鐵隧道采用外徑11.2m、內徑10.2m的大直徑盾構法施工，為單洞雙線圓形結構型式，內部按三層布置、上層為排煙道，中間為軌行區，下層為排水泵房，中間層通過設置中隔墻進行防火分隔，中隔墻兩側設置疏散平臺。大直徑盾構法隧道如圖4所示。

圖4 大直徑盾構法隧道剖面圖

工程影響段地鐵長期結構監測截止2018年4月相對于監測初值(觀測于2015年6月)道床累計下沉量在0.8～8.7mm之間。工程影響段左右線直徑收斂相對于標準圓變化分別在10.8～67.1mm之間，均為外擴。通過項目施工前的數據搜集和分析，可以發現：該工程影響段地鐵區間由于地處軟土地區，經過近3年的運營，該段地鐵結構有較大的變形。

2 數值模擬計算

本次計算采用專業巖土軟件PLAXIS 2D 2013，該軟件是用于巖土工程的變形、穩定性以及地下水滲流等問題的通用有限元系列軟件。計算模型大小選取原則：①明挖基坑范圍按對稱設置取一半結構；②由于基坑開挖對迎地鐵一側影響較大，故地鐵區間隧道反向僅取1.5D范圍即可；③沿深度方向，取地鐵隧道3D～5D深度。

為了抓住重點，較為精確地得到本項目施工對地鐵結構的影響，模型的簡化思路：①地鐵區間隧道采用板單元模擬；②區間隧道與土的關系通過界面單元模擬；③地面超載通過添加荷載來實現。

為反映初始應力狀態及施工過程，本次計算共分7個施工步驟進行，見表1。

表1 計算工況匯總表

工況7基坑支護樁水平位移如圖5所示。由圖5可以看出，當基坑開挖到底時，基坑支護樁水平最大位移為23.37mm，小于二維計算35.05mm的水平位移最大值；地鐵隧道總沉降值如圖6所示。由圖6可以看出，地鐵隧道的最大沉降為2.293mm(考慮降水分析最大沉降0.7mm)，由于地鐵隧道距離基坑較遠，基坑開挖引起的地鐵隧道的最大水平位移約2mm，隧道徑向收斂值為0.1mm，滿足施工期變形控制指標要求。

圖5 工況7基坑支護樁水平位移

圖6 地鐵隧道總沉降值

3 地鐵結構變形影響研究

3.1 地鐵監測方案設計

在深基坑施工期間，對影響區地鐵結構實施動態監測，監測項目包括道床沉降、隧道水平收斂、道床差異沉降和裂縫監測。當隧道結構變形較快時，采取優化措施，確保地鐵隧道的安全，同時也對本項目三維數值模型的適用性進行驗證。

3.2 模型適用性驗證

地鐵道床垂直位移和水平收斂變化曲線分別如圖7—8所示。

圖7 地鐵道床垂直位移變化曲線圖

從圖7和圖8可以看出，在近地鐵側圍護結構施工期，道床沉降和水平收斂相對平穩，在2019年6—7月份道床出現小幅度上浮，最大上抬量達到+2.63mm；圍護結構施工完成后因故停工1年，在此期間，隧道周邊其他基坑陸續施工，隧道也出現了一定的變形。在2021年3月復工后，為更好的評估該項目地塊深基坑施工對地鐵隧道的影響，監測單位對該段隧道區間測項重新采集了初值。隨著開挖進程加快，5月底道床上浮超黃色預警(+3.0mm)，達到了+3.9mm，月變形速率+0.09mm/d，水平收斂也逼近黃色預警(±6.0mm)；到7月中旬道床上浮超紅色預警(+5.0mm)，到了11月份，道床出現一定程度的下沉，但水平收斂超紅色預警(±10.0mm)；結合3個地塊的空間位置關系以及施工時序，初步認為水平收斂外擴超紅色預警值，受本項目地塊和周邊地塊施工的共同影響。

圖8 地鐵水平收斂變化曲線圖

4 結論

依托長江沿岸某深基坑工程，研究基坑施工過程中過江隧道結構的變形數據，得出以下結論和建議。

(1)2021年土方開挖期間，道床沉降和隧道水平收斂變形先后達紅色預警，這與之前的有限元計算結果差異較大；經過綜合研判，分析認為與中后期的群坑施工有一定的關聯，影響因素與之前的計算條件發生了很大的變化[7-8]；同時進出施工區唯一通道位于地鐵隧道正上方，深部土方開挖后出土量大，大量渣土車停在道路上，對地鐵結構造成擠壓，也對隧道結構產生不利的影響。

(2)2022年6月份起，周邊地塊基坑基本處于地下室施工階段，隧道道床進一步下沉，水平收斂進一步擴大，直至地下室施工結束仍未收斂。通過查詢長江南京段水位變化情況發現：2019年、2021年汛期(2020年停工未監測)，長江中下游地區出現了多輪強降雨，長江南京段水位處于高位，此階段隧道道床均出現一定幅度的上浮；而2022年自4月起長江南京段水位持續走低，隧道道床也持續下沉。本項目段距離長江僅30m，所處地層與長江的水力聯系較強，該段過江隧道結構沉浮趨勢與長江水位漲落基本一致，分析認為存在一定的聯系，但影響程度的定量分析還需后續大量數據試驗和更實用的數值分析模型進行驗證模擬[9]。

(3)本次項目根據規范要求，由于項目基坑距離隧道區間超66m，原監測方案只設置了道床沉降、隧道水平收斂、道床差異沉降和裂縫監測等測項，缺少了結構水平位移和豎向收斂等測項，原因在于前期的有限元計算變形數值較小。而在中后期施工環境發生較大變化時，建議重新進行結構病害普查、數值計算和中期安全評估[10-11]，進一步確定各地塊施工對地鐵隧道的影響值，從而確定新的變形控制指標；同時應適時增加結構水平位移和豎向收斂等測項，滿足對隧道結構全方位的監測。

(4)過江隧道區間的地鐵監測建議適時采用自動化監測手段，確保在外部工程全力施工階段能實時監測隧道結構變形，在變形過快時可以指導外部工程優化施工方案，降低對隧道結構附近地層的擾動，保證地鐵運營安全。