基坑及群桩基础施工对邻近地铁盾构区间的影响

康 佩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

随着我国城市建设的迅猛发展，越来越多的基坑施工邻近地铁区间隧道，基坑及桩基施工极易引起周边土体扰动，使相邻的隧道结构产生较大的附加内力和变形。已有许多学者进行了相关研究，丁智等通过数值分析的方法研究了不同相对位置关系、隧道埋深、桩身直径对软土地区相邻既有地铁盾构区间的影响[1]。徐云福等通过对试桩周围土体深层水平位移、隧道结构竖向位移和沉降进行现场监测，得到桥桩附近地铁盾构隧道和周围土体的变形趋势[2]。杨敏等认为荷载作用下单桩基础对既有隧道的影响有限，但群桩对既有地铁隧道的影响需要关注[3]。在此基础上，以长沙市黎托生态公园项目项目为例，对其基坑开挖及群桩基础对所穿越的多条既有地铁区间隧道的影响进行分析。

1 工程概况

1.1 周边工程概况

黎托公园位于长沙市高铁新城核心区，公园周边环境条件复杂，公园下方大规模群桩基础邻近地铁二号线及四号线盾构区间。区间均为单洞单线盾构隧道，线路方向为东西向。基坑平面范围内隧道结构顶高程为+16.170～+20.060 m，桩基距离区间结构水平距离为2.54～7.13 m，且部分桩底埋深超过地铁结构顶部。

1.2 基坑概况

公园园区从南向北分为A区、B区、附属坡道和通道等(如图1)。A区包含地下停车库及附属地面建筑物；B区包含下沉广场及地面建筑物。在地下车库完成回填后，坡道、人行通道、南连接通道与B区下沉广场同时施工。主体基坑支护设计深度5.5～13.0 m，基坑开挖前应整平至场地设计高程+37.300 m(如图2)。

图1 黎托生态公园基坑与地铁区间平面关系

图2 黎托生态公园基坑与地铁区间立面关系(单位：m)

将地铁周边10 m范围内划为地铁影响区，地下结构分为两个阶段施工。一阶段：开挖影响区外地下车库基坑，完成地下停车库主体结构及基坑回填。二阶段：开挖影响区内下沉广场、坡道及连接通道，进行该部分主体施工，基坑回填后施工地上结构。负一层下沉广场采用放坡支护，负二层地下车库采用土钉墙支护。场地平整之后，先施工止水帷幕，再进行基坑开挖。

1.3 桩基概况

在上跨地铁区间范围内，基坑内桩基长度为10～14 m，桩身直径为0.8～1.8 m。地铁影响区范围内采用人工挖孔，地铁影响区范围外，采用旋挖钻成孔。保护区内桩基础与地铁隧道之间距离为2.54～7.13 m，如图3、图4。

图3 黎托生态公园桩基础与地铁区间平面关系(单位：mm)

图4 黎托生态公园桩基础与地铁区间立面关系(单位：m)

1.4 工程地质情况及水文条件

本区间穿越的地层从上到下主要为杂填土、粉质黏土、粉土、卵石、泥质粉砂岩等。各地层工程地质参数见表1。基坑开挖前，于基坑周边打设高压旋喷桩作为止水帷幕。

表1 工程地质参数

2 计算模型及参数

2.1 计算方法

采用岩土与隧道有限元分析软件MIDAS GTS NX进行数值模拟分析。计算时假定土体为均匀连续介质，区间结构采用板单元模拟，在模型底部施加竖向固定约束，模型四周施加法向位移约束，地表为自由面。土体采用Mohr-Coulomb准则，隧道结构采用线弹性本构关系。

2.2 模型建立

为简化计算，选取距离地铁较近的部分区域建立基坑、桩基及地铁区间结构三维模型，以地铁线路方向为X轴，南北方向为Y轴，竖直方向为Z轴(在X方向取121 m，Y方向取192 m，Z方向取40 m)，模型共包含131 223个单元，66 595个节点。

图5 三维模型网格划分示意

图6 地铁区间及公园桩基分布示意

2.3 计算工况

开挖后施作公园群桩基础，待公园主体施工完成且满足龄期要求后，进入运营阶段。鉴于地铁保护区域外桩基施工对地铁影响较小，对分区域开挖进行简化，模型中仅考虑地铁保护区域内的支撑桩，具体工况见表2。

表2 计算工况

为得到基坑施工过程对车站区间结构产生的附加影响，将施工过程分为两个阶段6种工况(见表2)，并将工况1位移归零(作为初始状态)。

由于施工过程中可能会出现实际地质情况发生变化的现象，地层变化会导致桩基础的长度发生变化，故在上述工况的基础上，进一步分析桩长变化对地铁区间隧道的影响。

3 计算结果及分析

3.1 基坑施工及公园运营阶段

(1)计算结果

随着基坑开挖，隧道上方土体出现大范围连续卸载，隧道结构呈现隆起趋势，最终计算结果如图7～图10所示。因桩底持力层为强风化泥质粉砂岩层，且隧道所处地层为强风泥质粉砂岩及中风化泥质粉砂岩，由以往研究[4-8]可知，土体压缩模量较大，土体变形较小，进而引起的地铁隧道结构变形也相对较小。

图7 工况6桩基压力作用下地铁隧道结构X方向位移

图8 工况6桩基压力作用下地铁隧道结构Z方向位移

图9 桩基拔力作用下地铁隧道结构X方向位移

图10 桩基拔力作用下地铁隧道结构Z方向位移

工况1～6下，地铁隧道结构水平及竖直方向位移变形值如表3所示。由计算结果可见，从基坑开挖到公园运营过程中，既有线隧道结构的水平位移较小，竖向位移较大。2号线的最大水平位移为1.04 mm，竖向位移为上浮3.75 mm；4号线的最大水平位移为1.04 mm。

表3 各工况下地铁隧道结构变形 mm

(2)变形控制标准

通过对比国内外相关技术标准可知，国内外对既有地铁结构的变形控制标准多为±(5～10) mm。结合本工程实际特点，综合运营安全要求及变形预测结果，同时考虑到施工、现有常规测量仪器的检测精度等综合原因[9-12]，确定该地铁隧道结构水平变形控制值为±5 mm，竖向变形控制标准为上浮5 mm，下沉10 mm。

(3)结果分析

由上述分析可知，两线地铁隧道的水平和竖向位移最大值均小于控制值。此外，由桩基与地铁的位置关系可知，1A-13轴及其附近桩基距离地铁隧道最近，单桩承载力最大，距离桩基最近的2号线左线区间隧道位移均为最大值。虽然群桩基础与地铁隧道结构距离较小，但地铁影响区范围内桩基采用人工挖孔的方式，对地层扰动较小，引起的地铁结构变形可控，这与李宇升等的研究成果一致。既有研究表明，桩间挤土效应可在一定程度上降低地铁结构的变形[13-15]。

3.2 桩长变化影响趋势

结合上一节计算结果，分析不同桩长对地铁区间隧道的影响。在公园运营期间竖向荷载作用下，不同桩长桩基承载后地铁区间隧道变形值见表4。

表4 不同桩基深度隧道结构变形 mm

由表4可知，随着桩长变大，桩基对隧道的影响逐渐减小，桩长由隧道顶至隧道底变化的范围内，地铁2号线区间隧道的水平位移变化差值为0.11 mm，竖向位移变化差值为0.03 mm；地铁4号线区间隧道的水平位移变化差值为0.10 mm，竖向位移变化差值为0.02 mm。桩长最短情况下，地铁区间隧道水平位移最大值为1.15 mm，竖向位移最大值为3.77 mm，均小于位移控制值。据此推测，桩长变化对管片内力影响亦较小，由此可知，在运营期间竖向荷载作用下，桩长变化对区间隧道的影响基本可以不计。

4 结论及建议

(1)在黎托生态公园基坑施工过程中，因所处地层较好，其邻近的地铁2号线与4号线区间隧道结构变形均在可控范围内，施工方案可行。

(2)随着桩长的加深，桩基施工引起的土体扰动及应力重分布对相邻地铁隧道的影响逐渐减小，若施工过程中发现地层与勘察资料不符的情况，可适当调整桩基深度。

(3)通过有限元分析可模拟公园基坑施工及运营阶段对邻近风险工程的影响趋势，提前预测最大变形发生的薄弱位置，预测结构受力状态，对工程建设有一定的指导作用。

(4)由于理论计算与实际施工存在一定的差异，实际施工过程中应加强监控量测，密切关注监测结果，若发现地铁区间变形过大，应及时根据实际情况及时调整设计及施工参数，以确保工程顺利进行。