基坑平行上跨既有地铁隧道工程实践及影响分析

焦雷

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南洛阳 471000）

0 引言

随着城市地下空间利用率提高，不同深度地下空间的交通形式也越来越多。对于许多大中城市来说，地铁网络逐渐完善，虽然有城市中长期规划的安排，但不可避免会出现在既有地铁保护区内施工的情况[1，2]。国内时常会出现既有地铁隧道保护区内施工影响地铁正常运行的事故，对既有地铁隧道结构的保护要求也变得相当严格[3，4]。

由于地层性质的多样性和突变性、本构模型及计算参数的近似性、土体开挖过程的时效性以及地下水位升降、外部荷载变化等多种因素的影响，造成基坑开挖过程中的实际状态与理论状态都存在一定程度的差别。而以往类似工程案例由于所在地区差异、工程水位地质条件、现场施工周边环境等方面的不同，仅能作为参考而不能直接应用。因此，要控制并减低基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响，确保地铁结构安全，最行之有效方法是在理论模拟计算基础上，采用信息动态监控施工，根据被保护对象的实际状态来调控，及时调整施工方案，优化施工步序，最大限度地减小基坑开挖对既有地铁隧道的影响。目前现有类似上跨既有地铁隧道的基坑施工大多为大角度相交，核心施工影响区域有限，极少出现长距离平行上跨的工况，可借鉴的经验较少[5，6]。在平行于既有地铁隧道的基坑开挖中，如何切实采取有效的施工措施，总结施工过程中既有地铁隧道结构的变形规律，合理调整施工工序，控制既有地铁隧道结构变形，是保证地铁结构安全的关键。

文中以洛阳龙门高铁站站前的通道基坑平行上跨既有地铁隧道施工为例，对既有地铁隧道开展了施工全过程的自动化监测，也为既有地铁结构保护积累工程技术经验。

1 工程概况及水文地质

1.1 工程概况

基坑施工的联通通道连接新唐街与龙门高铁枢纽北广场，基坑深度约为6.8～7.6m，围护结构采用放坡+土钉的围护型式，联通通道为单层单跨矩形结构，长101.2m，标准段净宽8m，局部非标准段净宽14.5m。明挖基础平行上跨既有地铁隧道，垂直净距2.03～3.32m。

既有地铁隧道为单洞单线马蹄形，复合式衬砌，初支厚度0.25m，二衬厚度0.35m，横断面尺寸6.4m×6.95m。正线线间距12～14m，区间覆土约9.68～10.24m。暗挖区间隧道已完成铺轨及轨道精调，接触网安装已完成。基坑与既有地铁隧道位置关系如图1 所示。

图1 基坑与既有地铁隧道位置关系

1.2 水文地质

场地地层主要有第四系全新统人工堆积层（Q4ml）杂填土、素填土，第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）黄土状粉质黏土、黄土状黏质粉土、细砂、卵石，第四系上更新统冲洪积物（Q3al+pl）粉质黏土、卵石，下伏新近系洛阳组（N）泥岩。场地地貌单元属冲洪积平原地貌，沿线分布有一定厚度的湿陷性土层，地基湿陷等级为I级（轻微）。

该基坑工程属冲洪积平原区，为孔隙潜水分布区。孔隙潜水主要赋存于上更新统及全新统砂卵石地层中，属潜水，主要由大气降水入渗、河流侧渗、河流渗漏等补给方式。基坑基底标高142.2～143m，抗浮水位137m，经设计确认，水位位于基底下约7m。基坑纵断面地质图如图2 所示。

图2 基坑地质纵断面图

2 基坑施工

基坑在正常施工条件下，土方外运引起的地铁结构上部土方卸荷，可能会引起地铁结构产生轻微的上浮，造成地铁竖向位移。在开挖前需要进行有关计算和施工建议，提出相应的解决办法，按照分级、分层、分段、跳仓开挖，不能超挖，并及时浇筑垫层封闭基坑的开挖方法，在土体变形传递效应的影响下，开挖施工引起既有地铁结构的变形在安全控制要求范围内。土方开挖过程中，加强观察和监控量测工作，以便发现施工安全隐患，并通过监测反馈及时调整开挖程序[7]。

（1）基坑施工顺序。基坑施工采用放坡+土钉支护形式，受周边交通环境影响，采用一、二期分幅施工。通道基坑开挖采用分层、跳仓开挖，第一期基坑开挖先从A 段开始，首次开挖长度为12m，确认开挖过程中无未探明管线以及障碍物，开挖顺序为A→G→B→H→C→I→D→F 段，第一期开挖完毕，结构施工完成后，进行土方回填和道路恢复，然后进行第二期基坑开挖，施工顺序为L→K→J 段。基坑平面施工步序如图3 所示，施工工期节点如表1 所示。

图3 基坑平面施工步序

表1 基坑施工工期节点

在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”5个要点，遵循“竖向分层（每层不超过土钉墙下0.5m）、纵向分段、横向分块（分为三块、先中间后两边开挖）、开挖的同时应辅以人工配合，基底以上20～30cm 的土层采用人工开挖，以减少超挖、保持坑底土体的原状结构[8，9]。

（2）施工保证措施。基坑开挖施工保证措施主要有：①为最小限度减少对既有地铁区间隧道的影响，长臂挖机站位在区间隧道外围进行清表，并按1：0.3 坡度放坡，及时进行基坑支护工作；②基坑周围5m 范围内不允许堆载土方；③放坡到基底的位置需预留1m 钢筋接茬，即垫层超过底板长度1m；④施工完毕后按照设计要求进行回填，顶板结构以下肥槽用C20 素混凝土回填；⑤过程中密切关注监测数据变化，如有异常，及时采取应急措施。

3 既有地铁隧道结构监测及变形分析

基坑为分段施工，每段结构施工完毕后随即按设计要求进行回填，整个过程在短短几个月内完成，并严格遵循土方开挖的“时空效应”，最大限度的减少地铁上方土体卸荷对地铁产生的隆沉影响。因此，必须科学合理的对既有地铁隧道结构进行安全评估，并制定既有地铁区间隧道保护监测方案。

（1）上部基坑开挖对既有地铁隧道结构安全评估。结构现状调查分析。既有地铁隧道区间矿山段长度为107.255m（左105.528m）。通过收集范围内地铁结构的竣工资料、养护资料得知，施工影响范围内地铁结构有无裂缝、掉块、露筋、锈蚀、变形缝损坏等，但局部存在表面湿渍、变形缝处渗漏水等。

在上部基坑正常施工条件下，因建筑施工加载，在土体变形传递效应的影响下2 号线区间结构及线缆通道结构产生一定的沉降和水平位移。经数值模拟计算，得出在土体变形影响下，地铁结构将产生竖向位移，按照设计要求施工，施工引起既有地铁结构的竖向位移变形可控制在±10mm 范围（“+”为隆起，“-”为下沉，下同）[10]。

按照规范CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》确定基坑工程对地铁区间隧道结构属于强烈影响，结构安全控制指标为：隧道水平位移和竖向位移为20mm，基坑结构完成后残余风险为Ⅲ级。因此可知，由施工引起既有地铁隧道结构变形在安全控制要求范围内，但在施工过程中应利用全站仪、水准仪等对影响范围内地铁结构断面水平变形、竖向变形等进行测量，并进行数据分析，确保既有结构和施工安全。

（2）既有地铁隧道结构监测。工程采用建筑基坑工程监测变形测量等级为二等要求实施监测相关内容，基坑开挖范围内的区间隧道共21个自动化监测断面（间距5m，每个断面4个监测点，其中拱顶1个、两侧墙各1个，底板1个），范围外两端各设置3个自动化监测断面（间距10m，每个断面4个监测点，分布与区间内隧道相同），用于监测既有隧道在基坑施工期间的变形，监测断面布置如图4 所示，其中ZM表示左线监测点、YM表示右线监测点，开挖范围外监测断面未显示。

图4 基坑开挖范围内既有地铁隧道监测断面布置

（3）既有地铁隧道结构变形分析。根据施工周期和开挖顺序，将整个基坑范围内的既有地铁隧道分为A～F、G～I 和J～L3个部分，以便分析论述基坑施工对其影响[11]。如前所述，基坑开挖土体卸荷主要对地铁结构竖向位移产生影响，为此，文中选取每个监测断面中区间隧道底板的竖向位移作为分析对象，绘制其在施工期的历时曲线，如图5～图7 所示。

图5 区段A～ F 基坑开挖施工时隧道结构竖向位移历时曲线

图6 区段G～I 基坑开挖施工时隧道结构竖向位移历时曲线

图7 区段J～L 基坑开挖施工时隧道结构竖向位移历时曲线

区段A～F 和G～I 于2021 年2 月25 日开始开挖施工，总开挖长度分别为47.7m 和25m，开挖前期（2021 年4 月26 日前）主要是两端基坑开挖施工，既有地铁区间隧道结构竖向位移均在±1.5mm 之间。随着基坑开挖逐渐向中间段实施，隧道结构竖向位移逐渐增大，最大竖向位置值达到了2.86mm（F 区段监测点ZM14），但基坑结构完成回填后，隧道结构竖向位移又恢复到了±1.5mm 之间。

图6 中区段G～I 基坑为非标准段（开挖宽度14.5m）比标准区段（开挖宽度8m）大近一倍，区段G～I左线区间隧道结构竖向位移未出现明显的下沉过程。

图7 中区段J～L 基坑的局部开挖宽度也比非标准区段大，左线也未出现明显的下沉过程，且该区段右线隧道结构整体的竖向位移（最大0.94mm）明显小于左线（最大2.39mm），说明既有地铁隧道结构在上部有较大范围卸荷时容易引起结构偏压。对照监测断面图，由图4 可以发现，既有地铁隧道右线在临近龙门枢纽侧部分结构轮廓线已位于基坑范围外，这也是造成隧道结构上部荷载偏压的原因之一。

同时，对比图6 和图7 中数据又发现，区段A～F和区段J～L 基坑开挖引起的隧道结构最大竖向位移值分别为2.86mm 和2.39mm，而区段G～I 基坑的则为1.56mm，由此说明，基坑端部开挖对隧道结构的影响要远小于基坑中间区段。在基坑平行上跨既有地铁区间隧道明挖施工中，中间区施工会引起更大竖向变形，在施工中应引起重视，可通过缩短开挖长度、堆载反压和及时施作底板封闭等措施保证施工安全。

4 基坑监测分析

文中主要是对既有地铁隧道结构变形进行分析，对周边环境和其它结构物的分析仅作简要分析，工程采用建筑基坑工程监测变形测量等级为二等的要求实施监测，监测范围为距离基坑边缘线15m 内。断面布设按照满足安全要求的原则，主要对既有地铁隧道（前文已描述）、边坡、基底、构筑物、周边管线等的沉降变形、水平位移变形等进行监测，监测频率按照规范要求进行，并与施工进度动态相结合，根据施工进度实时调整监测频率，基坑主要监测项目的监测数据：边坡坡顶水平最大位移（2.5mm）、地表最大沉降（16.2mm）、桥墩墩身最大沉降（1.8mm）及坑底最大竖向位移（2.2mm），各项监测数据累计值均在控制值范围内。

5 结语

在基坑施工全程对既有地铁隧道结构进行的自动化监测表明，结构的竖向位移在基坑工程完工后可控制在±1.5mm 以内，远小于±10mm 的规范要求，有效保证了隧道结构安全。通过分析既有地铁隧道结构竖向位移的变化规律，得出以下结论：

（1）随着基坑开挖逐渐向中间段实施，施工会引起的竖向位移值最大达到了2.86mm，但在结构施工完成后部分变形可恢复至±1.5mm 以内，在施工过程中应通过缩短开挖长度、堆载反压和及时施做底板封闭等措施保证施工安全。

（2）局部非标准段加宽基坑施工造成右线隧道结构竖向位移（最大0.94mm）明显小于左线隧道（最大2.39mm），左线均未出现明显的下沉过程，隧道左右线变形严重不均匀，施工过程中应及时调整施工工序，减少偏压对既有隧道结构的影响。

（3）中间区段基坑开挖引起的隧道结构最大竖向位移值分别为2.86mm 和2.39mm，而端部区段基坑的则为1.56mm，基坑端部开挖对隧道结构的影响要远小于基坑中间区段，施工中应做好安全保障措施。