复杂地质条件下紧邻地铁隧道基坑工程支护方案研究

金炯球

(广东省地质灾害应急抢险技术中心，广州 510425)

复杂地质条件下紧邻地铁隧道基坑工程支护方案研究

金炯球

(广东省地质灾害应急抢险技术中心，广州 510425)

为了解决高岩面地质条件下基坑支护方案的选型及邻近地铁隧道保护措施的问题，本文提出了基于地层稳定性分析结果的基坑支护方案选型方法。通过一实际工程，介绍了地层稳定性分析的具体应用过程，并结合三维有限元分析方法，研究了采用吊脚桩支护下的基坑工程开挖对周边地铁隧道的影响问题。最后利用基坑施工过程中的监测数据及邻近地铁隧道监测数据，验证了本文所提出的地层稳定分析方法的可行性和高岩面地质条件下吊脚桩基坑支护方案对邻近地铁隧道保护的有效性。

高岩面；基坑支护；吊脚桩；地铁保护

所谓的高岩面是指岩层埋深比较浅，岩面位于基坑底面以上的地质条件。在这类基坑的支护工程中，基坑上部为土层，下部为岩层，在岩层进行基坑支护需要考虑破岩的经济性。目前，在高岩面地质条件下进行基坑支护主要采用吊脚桩的支护形式，即上部土层采用桩+锁脚锚杆+内支撑/锚杆，下部岩层采用岩石锚喷支护的二元结构，这种结构充分利用了下部岩层的自稳特性，较好地实现了基坑支护的经济性[1]。广州所在地区的地质构造,水文条件非常复杂，岩土特性多种多样，在基坑施工过程中，有可能会遇到需要在高岩面地区进行基坑支护的基坑工程。由于我国城市地下空间的高密度发展，在高岩面地质条件下基坑的开挖还必须考虑对周边建筑、地铁线路的影响[3]。

为了解决高岩面地质条件下基坑支护方案的选型及邻近地铁隧道保护措施的问题，本文提出了基于地层稳定性分析结果的基坑支护选型方法。通过一实际工程，介绍了地层稳定性分析的具体应用过程，再配合三维有限元分析方法，研究了采用吊脚桩基坑支护方案下的基坑开挖工程对周边地铁隧道的影响问题，为今后高岩面地质条件下的基坑开挖方案及邻近地铁保护措施的选择提供借鉴。

1 高岩面地质条件下地层稳定性分析方法及其应用

在高岩面地质条件下进行基坑支护，首先需要了解岩面在基坑边线附近的起伏状态，然后才能针对不同的起伏状态，设置相应的吊脚桩长度，这需要了解场区岩面起伏的情况，尤其是基坑边线附近是否存在往基坑内倾斜的地层，即除了了解岩面的起伏状态外，还需要通过地层的起伏状态判断是否存在因基坑施工而产生不同土层之间、或岩与土层之间的往基坑内部的整体滑动。整体稳定性分析根据相关勘察报告进行，具体步骤如下：

(1) 利用适当的软件工具，将位置较分散的钻孔点所揭示的各地层标高信息插值为连续钻孔点的地层标高，形成一定范围内的密集数据点信息(包含各点城建坐标、地层标高等)，初步分析地层起伏情况。

(2) 将上述密集数据点信息利用三维CAD软件或其他能够利用密集数据点信息生成起伏曲面的软件，重建场地高低起伏的地层面，然后以云图的形式显示整个地层面的倾角，从整体上评价场地的稳定性。

(3) 利用上述密集数据点信息或曲面，通过相关软件的剖面显示功能，显示基坑边线上不同剖面地层的起伏形状，计算地层倾角，最终评价该剖面上地层的稳定性[3]。

通过上述三个步骤，可以计算本项目场地土层、岩层之间交界面的倾角，评价土层、岩层之间相对滑动的可能性，初步评价基坑施工是否对场地整体稳定性产生影响。基坑开挖是否对基坑边线附近地层产生不利影响与地层面的倾角和倾向有关。若地层面倾向为朝向基坑内，且倾角大于地层之间的内摩擦角，则基坑开挖会引起地层向基坑内滑动，支护结构除了受到主动的土压力以外，还可能受到地层的滑动力；若地层面倾向为朝向基坑外，则基坑开挖不会引起地层向基坑内滑动，支护结构受到的土压力可能会小于主动土压力。对于基坑地层面倾向朝向基坑内，且倾角大于地层之间的内摩擦角的基坑边线，支护结构应该嵌入基坑底以下一定的深度，以提供足够的被动土压力，此时不适宜采用“吊脚桩”基坑支护方案。而对于基坑地层面倾向朝向基坑外的基坑边线，“吊脚桩”则是较佳的方案。

2 工程实例验证

2.1 工程实例概况及基坑支护方案初步选型

本基坑支护工程项目位于广州市天河区林和东路与天河北路交汇处，本项目基坑开挖深度达25 m，根据地质勘察报告，岩层埋深仅15～20 m，故该项目所在的区域条件即为高岩面地质条件。本项目西侧约8.0 m外为林和东路，距坑边最近15.5 m处路面下有正在运营的地铁一号线；基坑东侧有多栋天俊阁(广东省社会科学研究院)4～8层建筑物，距坑边最近距离约4.9 m；基坑北侧为天河区妇幼保健院1～9层建筑，距坑边最近距离仅1.7 m；基坑南侧约8.0 m(含5.0 m宽人行道外)为天河北路，离规划地铁13号线约25 m。地铁1号线与基坑支护项目平面关系见图1。

图1 地铁1号线与基坑支护项目平面关系图

在施工上，如果基坑支护结构采用嵌入基坑底以下一定深度的方案，考虑到高岩面的地质条件，要想施工支护结构首先就必须对岩层进行破岩作业，破岩作业施工速度慢、施工经济性不好，而且破岩作业所引起的震动可能会对周边的地铁设施产生影响[4]。文献[5]表明，当基坑与隧道的间距小于3倍隧道直径时，基坑施工过程中的震动将会对隧道衬砌结构造成较大的影响，而本工程中，基坑西侧边线与隧道的距离仅为18 m，隧道宽度为10.4 m，由此可见基坑处的破岩作业所带来的震动将会对隧道结构产生较大的影响。综上所述，在该项目中不宜采用全部嵌入基坑底的基坑支护方案。采用“吊脚桩”的基坑支护方式不需对下部岩层进行过多的破岩作业，吊脚桩的桩底仅嵌入岩层一部分，而不需要嵌入至基坑底部，大大减少了破岩作业，而且充分利用了下部岩层的自稳性能[6]，因此在该项目的基坑支护中采用了旋挖钻孔灌注桩+内支撑+锁脚锚杆+基坑下部中、微风化岩坡面喷砼护面的支护方案。

2.2 地层稳定性分析

利用勘察报告提供的24个钻孔资料，将每个钻孔的广州城建坐标(x,y)、同一地层顶部高程(z)输入至三维数据可视化软件Surfer8.0中，然后利用软件自带的克立格(Kriging)插值方法，将平面位置分散、空间位置间断的钻孔信息(x,y,z)插值为一定范围内密集的等间距网格点，则可直观显示各地层的三维起伏形态，具体插值结果见图2。

图2可以判别基坑边线周围的岩面起伏程度，结合曲面的形状，可以整体判别岩面是否向基坑内倾斜0。通过三维CAD软件Unigraphics NX的计算，可以获悉整个场区微风化细砂岩层顶面倾角绝对值范围在0～6.05°，岩面起伏程度很小，粉(细)砂岩(4-M)岩层剖面位置见图3、图4、图5。

图2 场地地层高程云图

图3 粉(细)砂岩(4-M)岩层剖面位置

图4 3-3′剖面

图5 7-7′剖面

从两个方向的岩层剖面图可以看到，场地岩层较为平坦，没有大幅度的起伏，东西向岩层东高西低，南北向岩层分布平坦，结合该项目的地质报告可知，基坑边线附近的地层倾角不超过地层间的内摩擦角，岩层不会因基坑开挖而产生向基坑内的滑移，适宜采用“吊脚桩”的基坑支护形式。

2.3 基坑施工过程的三维有限元分析

对基坑支护方案进行有限元分析，计算过程中的主要荷载包括各土层的重力、地面超载以及基坑周边建筑物的荷载，并约束有限元模型底部的竖向位移以及侧面的法向位移。有限元模型中的土层参数参考岩土工程勘察报告，本构关系则采用摩尔-库伦本构，各土层参数及本构关系见表1，支撑结构的参数见表2。

各土层的弹性模量的取值则根据岩土工程勘察报告提供的压缩模量标准值进行换算，结合已有的工程经验得到。

表1 各土层参数及本构关系

表2 支撑结构参数选择

图6 整体模型有限元网络

整体有限元网络见图6，本模型共有211 896个单元，37 471个节点。根据有限元分析的结果：基坑支护结构东西向位移的量值小于14 mm，南北向位移的量值小于10 mm，基坑支护结构位移值小于现行基坑支护规程对位移的限值；岩层在东西向和南北向位移的量值均小于3 mm，底部岩层不会发生滑移，场地稳定性良好；各工况中出现的建筑物的倾斜角为0.001 6°，满足规范对建筑物倾斜控制的要求；地铁1号线的沉降最大值为0.018 mm，隧道衬砌受基坑开挖施工引起上抬值为0.278 mm，位移的最大值为2.0 mm，均控制在极小的量值范围内。由此可见，旋挖钻孔灌注桩+内支撑+锁脚锚杆+基坑下部中、微风化岩坡面喷砼护面的基坑方案满足要求。

3 基坑支护方案的验证

根据基坑施工阶段的基坑结构、地铁结构监测数据可以得到基坑施工对邻近地铁的影响，并验证基坑支护方案的安全性。在基坑靠近地铁的边线上设置旋挖桩深部位移测点、桩顶沉降和水平位移测点、土体侧向位移测点和地面沉降测点。基坑西侧靠近地铁线路上的监测结果见表3。

表3 基坑变形监测结果汇总

根据基坑监测结果可以看到，有些基坑最大变形没有发生在靠近地铁的基坑边线上，而在各基坑边线上的变形均满足有关标准的要求，因此该基坑支护方案在靠近地铁的基坑边线上满足变形要求。

除了考虑基坑的变形，还需要考虑基坑开挖对地铁1号线的影响。根据本项目基坑的设计和实际施工情况，以及地铁公司关于地铁设施保护的有关规定，从本项目基坑施工开始直至地下室主体结构施工完成且土体变形稳定后，对上述范围内受施工影响的地铁隧道结构进行自动变形监测。通过对地铁1号线隧道相邻区间段实施自动监测，准确测量出地铁隧道结构在三维方向的局部变形和隧道整体的变形值以及变形的准确位置、最大最小值、变形方向和变形速率等，其中主要包括：垂直于隧道方向的水平位移(X)、平行于隧道方向的水平位移(Y)及隧道垂直位移(Z)。

隧道监测点采用L型微棱镜，采用冲击钻在隧道侧壁上牢固安装好棱镜，并使棱镜面正对工作基点(即测站点)。监测断面按10 m的间距布置，编号分别为R(L)1～R(L)18；每个监测断面布置4个监测点，计72个监测点，监测点编号分别为R(L)1-1～R(L)1-4，… ，R(L)18-1～R(L)18-4。监测点平面布置见图7，隧道断面处的监测点布置示意图见图8，隧道位移及沉降监测成果汇总表见表4。

因本工程项目包括隧道左、右两条线，故根据隧道具体情况以及地下轨道自动化监测的有关技术要求，共布置8个基准点。基准点根据现场实际情况布设在隧道南、北两端不受建设项目施工影响的隧道远处(离开待测区域的距离大于30 m)，编号为KZ01～KZ08。由此，有8个基准点的冗余观测和测量图形强度控制，完全能保证监测的精度优于1 mm。基准点实地布置时除要便于监测实施外，还考虑了本场地周边其他建设项目对基准点稳定性的影响情况。

图9为天誉四期地铁隧道L10-1监测点纵向(X方向)累计位移量散点图及曲线拟合，可以看到，随着基坑的开挖隧道累计位移量逐渐增加。监测工作从2011年1月8日开始，结合表5可以看到，隧道累计位移量在土方开挖施工阶段增长最快，随着土方开挖施工阶段的结束，隧道累计位移量趋于稳定。

图7 地铁隧道监测点平面布置图

图8 地铁隧道剖面监测点布设示意图

图9 天誉四期地铁隧道L10-1监测点纵向(X方向)累计位移量散点图及曲线拟合

基坑施工进度基坑支护结构施工阶段土方开挖施工阶段基础桩及地下室施工阶段基坑施工完成后实际工期约60d约280d约215d约90d

根据地铁隧道的监测数据，可以反算地铁隧道结构的内力。在反算地铁隧道结构内力的过程中，根据监测数据在结构上施加强制位移，即可求得结构由于基坑开挖所引起的结构内力。由于地铁隧道的监测数据是在基坑施工过程中测得的，所以用该监测数据反算出来的结构内力就是由于基坑开挖引起的。选用地铁隧道的4号界面的监测数据进行内力反算，内力反算结果见图10。

图10 根据地铁监测数据反算的结构内力

从图10可以看到，隧道结构在监测数据下反算结果中的应力数据90%以上都小于2 MPa。部分应力数据大于8 MPa，但这是出现在强制位移附近的，强制位移附近会发生应力集中，但由于隧道的变形是整体性的，而非在某一点上面产生强制位移，故在强制位移施加点附近的应力数据不可信。根据圣维南原理，在离位移施加点足够远的地方可以认为隧道结构的内力就是在监测数据位移下的结构内力。因此，我们可以看到由于基坑开挖而引起的地铁隧道结构的内力是非常小的，可以认为对地铁隧道影响较小。

从监测成果表及变形曲线图可以看出，在天誉四期项目基坑施工期间，所测地铁隧道结构的水平位移、垂直位移均较小，累计变形量没有超过设计及相关规范中规定的变形控制值，变形曲线比较平缓。监测过程中，没有出现大量变形、不均匀沉降、严重裂缝及渗漏等影响地铁安全运营的情况，按照地铁监测数据所反算的地铁结构内力也较小。

总体来说，在整个基坑施工过程中，地铁隧道结构受基坑工程施工的影响较小，隧道一直处于相对稳定及比较安全的状态。

4 结论

本文通过一实际工程，介绍了地层稳定性分析的具体应用过程，再结合三维有限元分析方法，研究了采用吊脚桩基坑支护方案下的基坑开挖工程对周边地铁隧道的影响问题，得到如下结论：

(1) 对于高岩面的地质条件，采用吊脚桩的基坑支护方案可以有效减少破岩作业，充分利用岩层的自稳能力，既可以减少破岩而带来的施工震动，又能有效控制施工工期和造价，使得施工得到较好的经济性。

(2) 采用吊脚桩基坑支护方案时，应对基坑边线附近的地层进行地层稳定性分析，弄清地层面倾向朝向与倾角，判断是否适合采用吊脚桩的基坑支护方案。

(3) 根据天誉四期项目基坑开挖过程中的监测数据以及地铁位移监测数据，可以看到基坑开挖对地铁隧道1号线的影响有限。各位移值均在相关规范中规定的变形控制值以内，地铁隧道结构在监测数据位移下的反算内力也较小。说明基坑采用吊脚桩的支护方案，能够充分利用岩层的自稳能力，控制位移。

[1] 孟宪云.二元结构岩土基坑支护设计[J].城市建筑,2016,(8):121-122.

[2] 伍尚勇,杨小平,刘庭金，等.双侧深基坑施工对紧邻地铁隧道变形影响的分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(z1):3452-3458.

[3] 万顺,莫海鸿,陈俊生，等.深基坑开挖对邻近建筑物影响数值分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(10):1530-1533.

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[5] 秦志扬.基坑支撑爆破震动对相邻地铁隧道的影响[J].计算机辅助工程,2008,17(4):60-63.

[6] 李宁宁,董亚男,孙建成，等.上软下硬地层基坑支护型式——吊脚桩支护结构分析[J].河南城建学院学报,2013,22(2):14-17.

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STUDY ON FOUNDATION PIT SUPPORT ADJACENT TO SUBWAY RUNNEL

JIN Jiong-qiu

(Technology Center of Guangdong Geological Disaster and Emergency Rescue, Guangzhou 510425,China)

In order to solve the question of foundation pit support selection in high rock surface and adjacent subway tunnel protection, foundation pit support selection method based on formation stability analysis is put forward. Putting a specific engineering as example, this paper introduces formation stability analysis methods and studies the effect to subway runnel of suspending pile supported excavation with three-dimensional finite element analysis method. With monitoring data of excavation and adjacent subway tunnel, this paper verifies the feasibility of formation stability analysis method and effectiveness of subway tunnel protection of adjacent foundation pit support with suspending pile.

high rock surface; foundation pit support; suspending pile; subway tunnel protection

1006-4362(2017)02-0099-07

2017-01-17 改回日期： 2017-02-20

P642

A

金炯球(1965- )男，朝鲜族，吉林和龙人，硕士，总工程师。长期从事岩土工程、水工环工作。E-mail：jschen.scut@139.com