深基坑施工对既有地铁隧道的影响及保护措施研究

林章凯

(福建建工集团有限责任公司 福建福州 350003)

0 引言

邻近既有地铁隧道开挖深基坑，国内外都积累了相当丰富的理论及实践经验。一般通过理论分析、相关行业经验、工程类比，以及三维模拟计算，评估新建工程的深基坑施工对既有地铁隧道安全的影响，并采取相应的保护措施。

黎永良[1]研究认为，开挖卸荷对地铁隧道产生的附加应力和自身变形起主要作用。周建昆等[2]研究认为，基坑底板施工对坑底隆起有显著抑制作用，可有效控制隧道隆起及侧向位移，从而保护隧道结构。

吴伯建等[3]研究认为，在基坑开挖前，利用数值软件分析模拟深基坑开挖过程，对地铁隧道的变形进行预测与分析，选择合理的支护方案，减少工程风险。陈仁朋[4]研究认为，基坑开挖会使邻近隧道结构产生纵向不均匀变形，导致受损，有必要进行三维有限元分析。刘远亮[5]应用Midas三维有限元软件对基坑开挖各个施工阶段进行数值模拟分析，发现计算结果与监测结果一致，能够应用于工程实际。

1 工程案例

省汽车运输公司工业路旧西客站地块项目由南北向A、B两个地块组成，两地块间为规划道路(路宽12 m)，地下室外边线距离约为22.80 m。A、B地块西侧紧邻福州地铁2号线宁化站～西洋站区间(以下简称“2号线宁～西区间”，隧道管片厚度为350 mm，内径为5500 mm，外径为6200 mm，环宽为1200 mm。环间错缝拼装，砼强度等级C55，抗渗等级P10)，场地部分位于地铁保护范围内，围护结构桩顶放坡外边线距离隧道结构外边最近均为5.0 m。A地块拟建1幢17层住宅，下设1层地下室，基坑面积约 4745.06 m2，基坑开挖深度4.20 m～4.70 m；B地块拟建5幢12～24层住宅，下设1～2层地下室，基坑面积约12 699.38 m2。东侧为两层地下室，基坑开挖深度4.20 m～8.40 m。拟建场地与地铁的相对关系平面图如图1所示。

图1 拟建场地与地铁的相对关系平面图

2 地铁安全评估及控制指标

根据《福州城市轨道交通控制保护区管理实施细则(试行)》及规范[6]，结合该区间结构原始状况及运营监测情况，具体变形控制指标值为：右线(近A、B地块侧)水平及竖向位移预警值取8 mm，控制值取18 mm；左线水平及竖向位移预警值取10 mm，控制值取20 mm。

3 深基坑支护方案及相应地铁保护措施

3.1 基坑支护设计方案

3.1.1 基坑支护设计方案

A地块地下1层底板面绝对标高为2.30 m，底板厚400 mm，垫层厚100 mm，邻近地铁区域基坑安全等级为一级，工程重要性系数取γ=1.10，其余位置基坑安全等级为二级，工程重要性系数取γ=1.0。

基坑支护形式：

(1)西侧邻近地铁一侧，采用三轴水泥搅拌桩内插PRC-Ⅰ500AB100型预应力混凝土桩，再加一道钢支撑进行支护；

(2)南北两侧采用Ⅳ型拉森钢板桩，再加一道钢支撑的支护形式；

(3)东侧采用Ⅳ型拉森钢板桩前插入HM488×300×11×18型钢桩，加一道钢支撑的支护形式。

其中三轴水泥搅拌桩为φ850@600，钢支撑梁采用H型钢和Φ609钢管，立柱采用HW350×350×12×19型钢。A地块基坑平面布置图如图2所示。

图2 省汽车运输公司工业路旧西客站项目A地块基坑平面布置图

3.1.2 B地块基坑支护设计方案

B地块设1～2层地下室，东侧为2层地下室，地下1层底板面绝对标高为2.30 m，底板厚400 mm，垫层厚100 mm；地下2层底板面绝对标高为-1.50 m，底板厚500 mm，垫层厚100 mm。B地块两层地下室区域及邻近地铁区域基坑安全等级为一级，工程重要性系数取γ=1.10，其余位置基坑安全等级为二级，工程重要性系数取γ=1.0。

基坑支护形式：

(1)西侧邻近地铁一侧采用双排桩支护，前排桩采用工法桩(内插HM488×300×11×18型钢)，后排桩采用三轴水泥搅拌桩内插PRC-Ⅰ型预应力混凝土桩。

(2)南北侧一层地下室区域采用土钉墙进行支护。

(3)两层地下室区域采用SMW工法桩+一道混凝土支撑+被动区进行支护，工法桩采用三轴水泥搅拌桩内插HN700×300×13×24型钢，坑中坑：采用自然放坡支护形式。B地块基坑平面布置图如图3所示。

图3 省汽车运输公司工业路旧西客站项目B地块基坑平面布置图

3.2 地铁保护措施

3.2.1 优化设计方案

该项目A、B地块近地铁侧围护桩(三轴搅拌桩插PRC-Ⅰ管桩及型钢桩)与2号线宁～西区间隧道的净距在20 m范围，围护桩方案及施工工艺满足要求。此外，桩基施工时，项目近地铁50 m范围内采用冲(钻)孔灌注桩，20 m范围内采用旋挖灌注桩。

3.2.2 优化施工工序

该项目两个基坑工程相对独立，根据场地条件，在基坑南侧设工地大门作为退土出口，先撑后挖。开挖时严格遵循“分区、分块、分层、对称、限时”原则，分阶段均匀对称开挖。注意分段分层厚度和相邻高差，由远及近先开挖远离地铁侧土方，最后开挖靠近地铁一侧，每层开挖的厚度不超过2.0 m，淤泥层开挖厚度不超过1.0 m，且应间隔开挖。开挖见底后，及时进行封底，并施作地下室承台及底板等地下室结构，地下室结构完成后，进行基坑四周均匀回填。在基坑内预留反压土，减小基坑土方开挖卸载对既有地铁的不利影响。A地块结构完成后，继续实施B地块地下2层，以减轻侧土压力的影响。基坑边2 m范围内严禁堆载，施工过程加强巡查，以及时预见险情。

总体施工顺序为A、B地块对称同时实施。第一步：A、B地块两个基坑同时开挖至1层地下室的基坑深度，并施作部分地下1层结构。其中A地块开挖顺序整体上为①、②、③、④，先开挖远离地铁侧土方(①、 ②区域)，最后开挖靠近地铁一侧土方(③、④区域)，B地块整体上为先进行远离地铁侧的1层地下室土方开挖(⑧、⑨区域)，再开挖⑤、⑥区域，最后开挖⑦区域。第二步：B地块2层地下室区域继续开挖至基底，并施作地下室结构至±0.000(地下2层在远离区间隧道一侧)，整体上为先进行远离地铁侧的2层地下室土方开挖(⑧、⑨区域)，并施作地下2层结构，再开挖⑤、⑥区域，最后开挖⑦区域，土方开挖顺序及退土路线，如图4所示。A、B地块基坑净距约20.0 m，且两基坑相接范围并非毗邻既有区间隧道，同时开挖合理可行。

图4 基坑土方开挖顺序及预留坡道和退土方向示意图(注：箭头为退土方向)

两个地块中，间隔最小处仅10 m。该区域涉及A地块3a-3a剖面、A地块部分3-3剖面、B地块4b-4b剖面及B地块5-5剖面。4b-4b为双排桩支护，前排桩采用工法桩(内插HM488X300X11X18型钢)，后排桩采用三轴水泥搅拌桩内插PRC-Ⅰ型预应力混凝土桩。5-5剖面为放坡结合拉森钢板桩支护，3-3及3a-3a剖面为Ⅳ型拉森钢板桩加一道钢支撑的支护形式。因两侧基坑支护差异性较大，先进行4b-4b剖面支护桩施工，施工完成后，进行其余剖面支护施工。A、B地块支护内基坑土方开挖，先进行3-3及3a-3a剖面内土方开挖，后进行5-5剖面内土方开挖。

4 数值模拟分析

4.1 计算软件与计算模型

采用岩土、隧道结构专用有限元软件MIDAS/GTS NX进行分析计算。为真实模拟现场情况，将上一个施工阶段中，结构体系与荷载的变化影响到后续阶段。施工阶段分析应采用累加模型，即每个施工阶段都应继承上一个施工阶段的分析结果，并累加本施工阶段的分析结果。

模型取用修正莫尔-库伦模型(Modified Mohr-Coulomb)。有限元模型中，采用三维实体单元模拟土层，采用板单元模拟该项目拟建基坑钢板桩、SMW工法桩、隧道衬砌结构。土层和结构参数，按照地勘报告和工程设计方案中构件实际截面特性确定。为保证计算结果精度，建模过程中将隧道结构简化处理，衬砌结构材料按线弹性考虑，并考虑隧道衬砌接头对衬砌结构刚度削弱的影响，将衬砌结构刚度折减15%。

4.2 计算模型及工况

4.2.1 计算模型

根据该项目与邻近地铁结构立体关系，对施工全过程进行模拟，如图5所示。为了消除模型尺寸对计算结果的影响，计算模型范围以外轮廓为基准，外扩一定距离(>5倍的基坑开挖深度)后而建立，模型深度按地铁隧道埋深的约2倍建立。有限元模型尺寸为320 m×240 m×55 m。有限元模型的边界条件为：模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移。上部边界为地表自由面，自重荷载取重力加速度。

图5 该项目与地铁2号线宁～西区间隧道轴视图

4.2.2 模拟计算工况

由于邻近地铁区间结构均已施作完成，2号线宁～西区间周边土层的应力已重新分布，建模过程中予以考虑。模拟计算工况如表1所示。

表1 模拟计算工况表

4.3 区间结构变形计算及分析

通过模拟数值计算，该项目深基坑施工对2号线宁～西区间结构随工况的位移变化如表2所示。最大位移均出现在工况6，X、Y、Z方向，位移云图分别如图6～图8所示，均未超预警值，满足规范要求。

表2 区间结构位移变化表(X、Y、Z方向)

图6 区间模型X方向位移云图

图7 区间模型Y方向位移云图

图8 区间模型Z方向位移云图

5 现场实施情况

截至2021年6月21日，第147次第三方地铁保护性监测数据表明，累计最大变形量1.4 mm，区间结构变化速率和累计变化量均在控制值范围内，且趋于收敛稳定。该项目地基与基础分部，经验收合格。

6 结语

该项目采用大型有限元软件MIDAS/GTS NX，对省汽车运输公司工业路旧西客站地块A、B地块的施工进行模拟计算，较为真实再现了该项目现场的地质情况、围护结构布置，以及不同施工区域采用的不同施工工艺，模拟了施工动态过程，给出了整个计算域在不同施工阶段的应力变形情况。根据模拟计算结果，结合现场采取的地铁保护措施实施情况表明，该工程深基坑施工对邻近地铁区间的内力影响较小，应力应变均在规范允许范围内，既有地铁隧道结构受力安全，满足地铁保护要求。