中穿运营地铁两侧基坑群地铁差异变形控制技术*

周志健，高丙山，张 麒，赵子余，卢世本，王 琪

(中国建筑第八工程局有限公司华北公司，天津 300350)

0 引言

在近地铁基坑建设中，由于土方开挖卸荷、土体应力释放及基坑降水，易引起地铁及周边环境变形。近地铁基坑施工过程中，不仅要控制地铁隆沉变形，还要控制地铁隧道差异变形。沿基坑方向受基坑开挖卸荷和降水影响，地铁产生不同变形，在基坑开挖范围内和未开挖区地铁变形存在较大差异。另外,在地铁车站和隧道交界处，由于两侧结构刚度不同，开挖卸荷和降水后抵抗变形能力的不同引起过大差异变形，从而引起地铁隧道裂缝张开造成隧道渗水，引起轨道变形，严重影响运营安全。

1 工程概况

1.1 项目概况

天阅海河项目位于天津市河北区，总建筑面积43.596万m2(地上25.265万m2，地下18.33万m2)，基坑总占地面积10.91万m2，共分为6个地块，分4期建设(1期、2期(2A，2B)、3期(3A，3B)、4期)，其中2，3期横跨既有运营中的地铁6号线，地铁6号线预留北运河站位于项目内，与项目有4个连通口，基坑范围内车站主体长194m，地铁隧道长105m，如图1，2所示。

图1 天阅海河项目平面

图2 基坑与地铁车站的关系平面(单位：m)

工程1，2B期地下3层，开挖深度17.1m；2A，3A期地下2层，开挖深度11.8m；3B期地下3层，开挖深度16.6m；4期地下3层，开挖深度17.7m。

1.2 地铁与基坑的关系

天津地铁6号线北运河站为过站运营，仅修建主体土建部分，尚未修建车站出入口及地下通道、风道风亭部分。北运河站为地下3层，桩基础、车站开挖深度为24.2～25.7m，地下连续墙厚1 000mm、深42.5m，如图3所示。

图3 基坑与地铁车站关系

地铁隧道外径6.2m，隧道覆土厚约18m；隧道上部与连接的地下2层结构埋深15.0～16.3m，下方设置φ700mm钻孔灌注桩，有效桩长40m，如图4所示。

图4 基坑与盾构隧道的关系

作为天津市首例在时速60km的过站运营地铁两侧开挖、上盖、修建战时可用于防空地下室的项目，轨道集团与第三方评估单位要求，盾构区间及地铁站体控制竖向位移≤12mm，隧道结构差异沉降≤0.02% (2mm/10m)。

1.3 水文地质概况

项目地处富水软土地区，以杂填土、淤泥质土、粉质黏土层为主，影响基坑水层的有潜水层和第一承压水层，静止水位埋深1.1～3.1m，第一承压水层深17～30m，运营地铁隧道处于第一承压水层部位，如图5所示。

图5 水文地质剖面

2 近地铁基坑施工引起地铁差异变形风险分析

2.1 基坑开挖对地铁影响分析

采用有限元分析软件MIDAS GTS和PLAXIS 3D软件建立整体三维有限元模型进行计算分析。为模拟基坑开挖对地铁隧道结构的影响，模拟土方开挖工况，同时根据已有监测数据对已施工基坑开挖情况进行数值模拟反演分析，进而模拟基坑开挖。建模契合开挖方案对开挖监测结果做对比，进一步调整相关参数，以预测开挖对地铁隧道结构的影响。通过不断完善模型和分析相关计算数据，可针对性地结合现场情况，调整土方开挖工序及设计控制措施，一定程度上指导施工并确保安全高效。

2.1.1模型建立

模型中土体采用实体单元，基坑围护结构、主体结构楼板、地铁站主体结构、盾构隧道及隧道上方结构采用板单元进行模拟，基坑水平支撑、立柱采用梁单元进行模拟，地铁站体及隧道上方结构工程桩、支承柱下灌注桩采用植入式桁架单元进行模拟。

2.1.2工况模拟

为准确模拟基坑开挖对6号线北运河地铁站的影响，通过有限元软件单元钝化模拟基坑围护结构施工、各层土体分层开挖及各道支撑体系施工过程，根据基坑工程顺作法施工工况模拟开挖全过程。具体施工步骤如下：①步骤1 平衡初始地应力；②步骤2 模拟地铁车站、隧道及隧道上部地下结构与1期主体结构，并将位移清零；③步骤3 施工2A，2B期分区围护结构及立柱桩；④步骤4 2A，2B期基坑开挖至第1道支撑底标高，施工第1道支撑；⑤步骤5 2A，2B期基坑开挖到第2道支撑底标高，施工第2道支撑；⑥步骤6 2A，2B期基坑分区域开挖；⑦步骤7 2B期基坑分块一次开挖，先开挖基坑周边土体；⑧步骤8 2B期基坑分块二次开挖，开挖中间岛式土体，最终开挖到基坑底。

2.1.3结果分析

2A期基坑坑底最大隆起约60mm，2B期基坑坑底最大隆起约84mm，基坑降水引起周边沉降平均12mm，最大21mm，以上隆沉造成地铁竖向变形19.79mm，2A，2B期基坑开挖后坑底土体竖向位移云图如图6所示。

图6 基坑开挖后坑底土体竖向位移云图

运营地铁车站与隧道交界部位，隧道最大隆起变形4.5mm，向南侧逐渐减小，如图7a所示；车站主体最大隆起变形5.08mm，向北侧逐渐减小，如图7b所示。

图7 竖向位移云图

2.2 地铁差异变形风险分析

基坑范围即跨地铁站体同时存在隧道区间，在基坑分区、分段开挖及降水期间，地铁站体和区间隧道差异变形风险如下。

1)站体刚性结构与隧道柔性结构交界处的差异变形最难控制 车站与隧道连接部位差异沉降控制标准要求高，站体为桩筏刚性结构体系，隧道区间为管片半刚性结构体系。在受到开挖卸荷应力及降水引起的附加应力时，抵抗变形能力存在较大差异，当受到相同荷载影响时变形也不同。站体筏板+桩基础结构为刚性体系，隧道区间管片结构为半刚性体系；站体与隧道不同刚度及地铁隧道在基坑临界处的沉降差异较大，站体与隧道接茬部位为差异沉降控制点。

经采用MIDAS GTS软件和PLAXIS 3D进行模拟分析，站体与隧道连接处模拟差异沉降达0.58mm，超出预警值近2.5倍(0.2mm)。该位置运营前进行过修补，丰水期持续渗漏，连接处极为薄弱。

2)基坑边界处地铁差异变形风险控制难度大 隧道在基坑范围内长达105m，基坑开挖卸荷时，受土方应力释放影响引起地铁隆起变形。因基坑内受多层地下水影响，且各层水系联系较密切，基坑降水时，坑外地下水补给坑内引起坑外地下水位下降，受此影响，地铁隧道在坑内隆起，坑外下沉，导致地铁在基坑边界有过大差异变形。基坑围护结构隔断第一承压水层，盾构隧道底部又处于第一承压水层中，基坑降水引发的基坑内外水位差对盾构隧道产生较大差异沉降。基坑分界位置内外两侧隧道接缝处为差异沉降控制点。

3 差异变形控制技术

本工程车站与隧道连接部位差异沉降控制标准要求高，差异沉降也称为不均匀沉降，在结构工程中，相邻两个结构或同一个节后接缝位置，两侧基础沉降量差值过大，将对相应的上部结构产生额外应力，当累计应力值超过一定限度时产生裂缝，严重时发生倾斜甚至破坏。施工期间必须采取有效措施应对差异沉降变形。

3.1 动态调整地下水位控制交界处差异沉降技术

基于地下水位下降引起周边环境沉降问题，通过动态控制地下水位，主动抽降承压水引起沉降，平衡地铁隆起变形，另通过回灌抬升地下水水头高度抑制地铁沉降，以控制地铁差异沉降。

刚性体系与柔性体系接驳时，在同样降水作用下，各自结构应力与沉降不同，势必引起较大的差异沉降，应动态控制该部位的地下水头高度，调整水头高度产生的附加应力，维持两个结构间的基础沉降稳定。同时，盾构隧道结构是由多个管片拼装而成的柔性结构体系，整个基坑降水带动基坑内隧道结构整体发生沉降，但各点位地质条件不完全相同，基坑降水带来的附加应力作用在每段管节处的大小也不尽相同，所以需动态调整基坑内整个隧道结构两侧的水头高度，才能稳定隧道结构体系差异沉降。

根据基坑开挖模拟分析结果，基坑采用分块、分段开挖方式，结合基坑开挖工况及土层与围护结构参数关系，在地铁两侧分别设置第一承压水层和第二承压水层控制井(见图8)。2A期设置第一、二承压水层控制井，控制井交叉布置，其中车站范围间距 10m，对应隧道区域间距 5m；2B期开挖深度较深，降水井深度进入第一承压水层，因此不设置第一承压水层控制井，考虑设置第二承压水层控制井，其中车站范围间距15m，对应隧道区域间距8m，如图9所示。

图8 地下水与基坑及地铁的关系

图9 中穿运营地铁基坑水位动态控制井布置

该布置不仅控制基坑内部因开挖应力释放不均产生的差异沉降，也作为耦合地铁隆沉的备用措施，通过向各含水层进行回灌，保持车站与隧道范围承压水水位稳定不下降。结合基坑开挖工况，在开挖区通过主动抽水，保持沉降平衡。未开挖区域进行回灌，保持未开挖区水头高度，使未开挖区不产生水位下降引起沉降变形，从而控制相邻两点间的差异沉降。控制井优先考虑车站和隧道区间两侧对称启动，以保持水位平衡。

前期基坑内抽水时，因坑底绕流引起地铁及隧道侧水位下降，从而导致结构沉降，若长期降深过大，沉降可能超过允许控制值，通过回灌第一、二承压含水层，保持两层承压水水位稳定，进而减缓沉降，保护地铁及隧道安全。

后期因基坑开挖卸荷量增大，导致隧道结构上浮，此时应停止回灌，继续保持抽水，结合隧道监测数据，当不能有效控制隧道上浮量时，可启动控制井抽水，进一步降低隧道范围内承压水水位，迫使隧道下部土体发生沉降，进而迫使隧道结构主动下沉，以抵消开挖产生的上浮。

3.2动态控制围护结构内外隧道差异沉降技术

由于土方开挖量较大，卸荷产生的隆起变形远大于抽降地下水产生的沉降变形，在基坑分界处，地铁结构两侧产生较大差异变形。此时利用坑外提前设置的水位动态控制井，利用伺服一体化系统进行加压回灌，促使坑外地铁结构在水压力作用下少量上浮，以减小分界位置差异变形，从而保证地铁运营安全。

因基坑与运营地铁结构零距离接触，在基坑外侧布设6口水位控制井于隧道上行线和下行线两侧，如图10所示。为保证回灌不影响隧道变形发展，在控制差异沉降变形时，优先考虑无压回灌，并加强监测，一旦发现无压回灌不满足要求时，可结合实际情况，采用加压回灌。无压回灌采用水头自动控制，回灌前设定初始回灌水头，水头低于初始水头后启动回灌，达到初始水头或略高于初始水头后，回灌自动停止。

图10 坑外地下水位动态控制井布置平面

坑外地下水位动态控制围护结构内外隧道差异沉降应坚持同灌同抽原则，基坑内开始降水，坑外同时开始回灌。水位控制井深度根据指定控制水层位置设定，并确定降水对周边环境的风险。

控制数据设定前，需模拟验算水位控制并进行降水风险评估，确定主动控制抽降水位目标，通过设定目标水位控制抽降水施工，严格控制过度抽降地下水。

坑外水位受基坑降水影响出现下降时，自动启动回灌控制坑外水位，保持坑外水位稳定。

3.3 其他辅助技术

1)均衡开挖 在土方开挖过程中严格遵循限量限时开挖的原则，单次开挖面积≤600m2，单次开挖量≤2 500m3。地铁两侧基坑由远地铁对称向近地铁对称开挖，先行释放远地铁土体开挖应力，同时利用后开挖部位近地铁土体进行反压，控制土方卸荷隆起，减小差异沉降变形。

2)堆载反压 差异沉降变形原因为结构基础沉降不一致，在差异沉降发生部位，利用现有结构对沉降较小的部位进行堆载反压，使发生细微沉降，平衡两侧沉降数据，辅助水位动态控制调整差异变形。

3)精密注浆 在条件允许情况下，对可能发生差异沉降的部位预先进行精密的渗透注浆方式，将很大程度减少差异沉降风险。注浆位置需准确，且注浆压力不能对地铁结构产生应力干扰。

4)土体改良 差异沉降发生的原因为基础土质不良，提前对可能发生差异沉降的部位进行土体改良，提高土体承载力。采取旋喷桩、粉喷桩等方式加固格栅或裙边，但地铁隧道柔性结构需结合实际土层和变形情况进行分析。

4 实施效果

在项目实施过程中监测地铁结构，各项数据均在可控范围内，数据变化稳定。随着基坑开挖，差异沉降变形逐步发展，在变形临界处启用加压回灌，对变形控制效果明显，可抵消约0.4mm变形，随着基坑工程不断施工，数据稳定在1.7mm。地铁边界处差异变形如图11所示。

图11 地铁边界位置差异变形

实际证明加压回灌虽能有效抑制变形发展，但应提早进行控制，在基坑施工后半程控制效果有一定局限性。

5 结语

运营地铁两侧基坑群差异变形采用动态控制地下水、限量开挖、堆载反压等技术，对基坑边界、地铁站体与隧道交接位置差异变形起限制作用，使地铁差异变形处于可控状态，保证地铁运营安全。该技术对地铁差异变形控制效果显著，经济效益、社会效益明显。