地下空间开发对邻近地铁结构影响分析及保护

李 延 川

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

当前，我国地铁建设处于高速发展时期，城市的进一步建设，同时也大大促进了地铁沿线开发。邻近地铁的工程建设越来越多，规模越来越大。地下工程施工对地铁结构产生影响，甚至会威胁到隧道使用功能和安全。因此，分析深基坑施工对隧道结构的影响，制定针对性的基坑支护方案，评价基坑支护方案可行性和适宜性，采取安全可靠的作业方案和保护措施，是必要的。

1 工程概况

本地下停车场紧邻已建地铁，为地下2层停车场，明挖法施工，基坑平面大致呈矩形，南北长约60 m，东西宽约53 m，面积约3 394 m2，周长约257 m，开挖深度10.25 m。

基坑距已建隧道结构约6.9 m。地铁采用矿山法施工(环形开挖预留核心土)；初期支护外顶埋深10.2 m，底部埋深17.12 m；二次衬砌为模筑钢筋混凝土；拱部超前小导管注浆。

本工程重点保护地铁隧道。

场地内主要揭露第四系、寒武系地层，主要包括人工填土，一般沉积土，晚更新统老黏性土及中风化石灰岩。场地内水位埋深2.40 m～2.97 m，岩溶裂隙水水位深约13.20 m～15.30 m，水头5.70 m～6.80 m。抗浮水位取1.0 m。

隧道段基坑安全等级为一级。

2 深基坑对隧道结构影响分析

根据相关规定，隧道结构外边线外侧50 m内为控制保护区。本基坑即位于保护区内。基坑开挖致使土体卸荷，使土体产生应力释放，不同程度地改变了地层应力状态，使隧道结构上土压力发生变化，引起隧道内力改变，进而可能导致隧道产生变形、结构开裂或渗漏等现象；卸荷必然也会引起周围地层位移；下层土体的受力情况发生改变，造成基坑回弹，当基坑开挖较深或面积较大时，基坑回弹量较大，往往对工程自身或周边环境造成较大影响，致使地铁结构发生位移、隆起并威胁地铁安全；土体卸荷也会改变土体的整体平衡状态，使土体有整体失稳、坑底隆起和倾覆破坏的趋势，威胁到邻近地铁的稳定。

基坑降排水会引起基坑影响范围内水位变化，使土中有效应力变化，导致邻近隧道变形和沉降；降排水也可能使隧道周边地层发生流砂，管涌等渗流破环。

3 基坑支护方案

现行标准对地铁隧道的变形要求极其严格；为保护地铁使用功能和安全，选择合理的基坑设计、施工工艺，控制对地铁结构的影响，成为工程界必须解决的课题。结合本工程地下停车场埋深、周边环境、地质条件以及地下水位埋深，从安全性、工期、造价和施工可行性等方面综合考虑，制定了两套支护方案。

方案一：

在隧道段采用密插SMW工法桩，加2道钢筋混凝土对撑、角撑体系，SMW工法桩兼作止水帷幕，基坑内采用疏干降水管井降水。

方案二：

在隧道段采用混凝土灌注桩咬合桩，加2道钢筋混凝土环撑体系，混凝土咬合桩兼作止水帷幕，基坑内采用疏干降水管井降水。

4 支护结构单元分析

围护墙按弹性地基梁法进行内力和位移计算，简化为平面问题。内支撑作为弹性压缩杆件，并按弹性情况考虑。支护结构体系内力包络图见图1，图2。

分析结果满足一级基坑变形和稳定性限值要求，支护方案可行，适用。为了确保隧道结构安全和稳定，应针对基坑和隧道共同作用和隧道安全控制指标，分析基坑对隧道的影响，并采取相应的作业方案和保护措施。

5 数值分析模型

采用通用有限元软件PLAXIS 2D进行不同支护方案下，模拟实际施工过程及措施。模型中隧道与基坑相对位置关系与实际相同，计算边界取6倍基坑深度，取60 m宽×30 m高。模型顶面自由，侧面设置水平约束，底面设置固定约束，在计算过程中，初始应力生成后和基坑开挖前位移均重置为零。

5.1 材料参数

围护墙根据等效刚度原则等效为钢筋混凝土板，衬砌、围护桩采用板单元模拟，土体采用15节点楔形单元模拟，钢筋混凝土支撑采用固定锚杆单元模拟；土体与结构界面采用加密节点界面单元模拟，并对界面强度进行折减；土体采用硬化土模型和摩尔库仑模型(MC)进行模拟，通过现场取样、室内试验获得数值计算所需土体参数，土体做排水分析。有限元模型见图3。

5.2 隧道保护措施效应分析

5.2.1围护结构、周围土体和隧道侧向位移

基坑围护墙、内支撑不同将会改变围护结构变形，间接地影响邻近隧道。因此，为研究以上2种方案对保护邻近隧道的作用，本文分析了2种方案下的侧向位移，如图4所示。

由图4可以看出，方案一桩体最大侧位移13.5 cm，土体最大侧位移9.45 cm，隧道最大侧位移3.04 cm；方案二桩体最大侧位移6.79 cm，土体最大侧位移3.3 cm，隧道最大侧位移2.38 cm；方案一的侧向变形均大于方案二，但变形均在基坑变形限值和隧道保护指标控制值内。两种方案的侧向变形均随着降水、开挖和施加支撑的步序而累积增大，最后趋于稳定。

5.2.2地表和隧道竖向位移

本文分析了以上2种方案对地表及隧道沉降的影响，见图5。

由图5可以看出，方案一土体最大沉降9.24 cm，隧道结构最大沉降1.0 cm，方案二土体最大沉降3.37 cm，隧道结构最大沉降0.5 cm；方案一的沉降变形均大于方案二，但变形范围均在基坑变形限值和隧道结构保护指标控制值内。两种方案地表沉降均随着降水、开挖和施加支撑的步序而累积增大，但隧道结构在部分步序中有反弹上浮现象。

所以本基坑工程优先选用第二种方案(混凝土咬合桩+环撑)作为支护结构体系。

5.2.3第二种方案下隧道位移发展规律

第二种方案为钢筋混凝土咬合桩+环撑方案，显著地降低了基坑土体和构筑物的变形，有效保护了隧道结构。

本文继续研究了混凝土咬合桩—环撑体系下基坑和隧道位移规律和原因。基坑和隧道位移如图6～图8所示。

由图6～图8可以看到基坑影响范围内土体和构筑物的位移规律。坑外土体均有相对较大向坑内侧位移；坑底以上的坑外土体竖向位移较大，坑底以下竖向位移很小。坑内土体由于上部卸荷而隆起和回弹，向上位移较大。土体的位移引起围护结构和隧道侧向位移较大，竖向位移相对较小，特别在基底以下的坑外土体内，总位移相对较小。

原因主要包括:基坑开挖深度内土层强度较小，压缩性较大，受基坑开挖卸荷的影响较大；而坑底以下土层，特别是⑤-3-4粘性土强度较高，承载能力强，压缩性低，抵抗外部变形的能力强；隧道结构顶部位于基坑底下，基底位于稳定的⑤-3-4粘性土层中；此部位的咬合桩进行了加长加强，桩端深入隧道基底以下3 m，最大程度隔离了降水、基坑开挖对坑外深部土层的影响，使基坑施工对隧道结构影响相对较小，引起的位移均在地铁隧道结构安全控制指标内。

6 作业方案和保护措施

为了确保隧道结构安全和稳定，满足安全控制指标要求，根据分析结果，最终确定采取以下作业方案和措施：

1)加强支护结构的整体刚度。围护结构采用大直径钢筋混凝土灌注桩，桩端深入隧道底板下约3 m，进一步隔离隧道周围土层与基坑之间的应力和水力联系，尽量减少基坑开挖对隧道周围土层的影响。

2)优化混凝土内支撑布置，增大内支撑刚度。采用环撑+对撑体系：充分利用混凝土抗压能力高的特点，内支撑体系受力合理，适用本基坑平面特点。本基坑的支护体系整体刚度大，强度较高，变形小。

3)形成封闭截水系统。基坑周边设置完善阻、排水设施；采用三轴搅拌桩和混凝土咬合桩组成环基坑封闭的截水帷幕，帷幕底落于厚度大、分布均匀稳定的粘性土层上。既排除地表水等坑外水源的影响，也保证了坑内降水的效果，减小了基坑降排水对隧道结构的影响。

4)完善施工作业方案。为了控制基坑施工对基坑内外的影响，减小作业方法对隧道结构的影响，针对一些关键工序和部位制定针对性的施工作业方案，提出明确的可操作的要求，主要包括：桩墙施工方案，基坑挖土方案，架撑、拆撑、换撑方案，基坑回填方案，控制水位变化幅度，环保和限载要求。

5)加强监测。对受影响的隧道结构进行监测，根据监测数据，结合安全控制指标值，对外部作业实行过程监控，及时反馈。

6)完善应急预案。应急预案能做到防止基坑事故和扩大，在发生事故时，首先保护轨道结构的安全。

7 结语

1)基坑施工可能导致隧道结构产生变形、开裂或渗漏等现象，发生位移、隆起，也会影响地铁结构的整体稳定，可能发生流砂，管涌等渗流破坏。

2)通过分析计算，基坑支护方案可行，适用。方案一的各项变形均大于方案二，但变形均在基坑变形限值和隧道结构保护指标控制值内。两种方案侧向变形的发展，均随着降水、分层开挖和施加支撑的步序而累积增大，最后趋于稳定。但隧道结构在局部步序中有反弹上浮现象。

3)基坑开挖深度内土层受基坑开挖影响较大；而坑底以下土层抵抗外部变形的能力强；基坑开挖对隧道结构的影响相对较小，引起的位移均在地铁隧道结构安全控制指标内。

4)加强支护结构的整体刚度，形成封闭的截水系统，完善施工作业方案、监测和应急预案，可以满足隧道结构的安全控制指标。

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