基坑开挖及建筑加载对紧邻地铁的影响分析

马庆迅 张新涛 刘云霞

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

相关规范[1—3]对地铁结构的安全控制指标进行了详尽规定，以确保地铁的结构和运营安全。邻近地铁建设项目施工必然会引起地铁的附加应力及位移变化，严重时甚至造成地铁发生病害[4—5]。同时，由于新建结构加载的作用，其周边地铁隧道也会产生附加沉降，严重时将导致结构开裂、失稳破坏[6—7]。因此，项目建设过程中，如何合理、有效分析预测工程建设对地铁的影响，并有针对性地提出地铁加固保护措施，已成为紧邻既有地铁项目建设成败的关键。现有相关研究一般采用理论计算、现场实测、模型试验和数值模拟等手段[8—13]，研究成果多侧重于变形影响分析，有针对性地提出具体加固保护措施的较少。

本文结合北京通州运河核心区某项目工程实践，系统地分析了深基坑开挖、复杂地下水环境及超高层建筑加载对运营地铁的影响，总结并提出了紧邻地铁建设项目的加固措施及施工建议，提出建筑加载对地铁影响的分析方法（数值计算+SFIA 联合分析技术），并通过监测数据对上述分析方法及加固效果进行了验证。研究成果可为类似紧邻地铁项目建设提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

项目建设场地位于通州区运河核心区，为大型商业、居住一体化建筑群，总用地面积28847 m2，其中建设用地面积17815 m2，主体建筑包括3 栋写字楼和1 栋公寓，写字楼地上23 层，地下3 层，公寓地上24 层，地下3 层，地下结构相互连通。地基基础主要采用天然地基+抗浮锚杆、CFG 桩复合地基和钻孔灌注桩桩基相结合的地基基础方案，各栋高层基底平均荷载为422～674 kPa。本项目结构±0.00 标高为21.30 m，现地面平均标高22.5 m，主楼基坑开挖深度17.76 m，纯地下室基坑开挖深度16.76 m，局部集水坑及电梯井部位加深1.5～4.0 m。

1.2 工程地质及水文地质条件

根据勘察报告，场区地层以黏性土、粉土和细中砂互层为主，土层主要物理力学指标如表1 所示，场区典型地层剖面如图1 所示。

表1 土层主要物理力学指标

场区勘探范围内包含2 层地下水，其类型分别为潜水和承压水。具体地下水情况如表2 所示。

表2 地下水情况

1.3 周边环境情况

场区紧邻已运营地铁M6 号线新玉区间隧道，基坑距隧道左线结构外皮18.6～20.3 m；隧道底部位于基底以上1.5～2.9 m。基坑与M6 号线平面位置关系如图2 所示。

图2 基坑与M6 号线平面位置关系

2 项目建设对地铁的影响及预测分析

2.1 基坑开挖对地铁影响及预测分析

（1）围护方案及加固措施

综合考虑本项目工期、造价、施工可行性等因素，地铁侧基坑支护体系采用“桩锚支护”。支护桩长23.5 m，桩径800 mm，桩间距1.4 m，桩身混凝土强度等级为C25；桩间设4 排预应力锚杆，锚杆成孔孔径150 mm，水平间距1.4 m，采用跟管钻进成孔工艺。地铁侧基坑支护结构典型剖面如图3 所示。

图3 地铁侧基坑支护结构典型剖面图（单位：mm）

为减少深基坑开挖支护对紧邻地铁的影响，并结合本项目工程特点及施工工况，提出如下加固措施及施工建议：

1）邻近地铁50 m 范围内土方由远及近、分区分步开挖，以减少其暴露时间；同时避免土方过快卸载，产生较大变形。本工程影响范围内土方主要分三个区，先进行两侧区域土方开挖，再进行中间区域开挖，同时竖向单步开挖深度不大于2.0 m。地铁保护区范围内土方开挖工序如图4 所示。

图4 地铁保护区范围内土方开挖工序图

2）邻近地铁侧底板高度范围内的肥槽采用素混凝土回填，基础垫层延至支护桩桩身处。基坑施工完毕后应立即进行主体结构施工，同时及时配合肥槽回填，保证工序衔接严密。

3）建议保护区范围内CFG 桩调整为桩基方案，以减少桩孔数量，降低对地铁隧道的不利影响；同时预留5 m 保护土层，基础桩先行施工，使被动区土体得到预加固，避免槽底暴露时间过长，以减小基坑开挖引起的回弹对地铁的影响。

4）支护桩及预应力锚杆均采用“三一”跳打法，锚杆施工采用跟管钻进成孔工艺，以减少对地铁侧土层的扰动。紧邻地铁部位锚杆注浆压力需经试验验证，防止浆液流入区间隧道。

5）落实监测方案及各项措施，施工单位与第三方（基坑、地铁）监测数据实现联动，建立以监测指导施工的信息化体制。同时制定三级预警机制，如黄色预警、橙色预警、红色预警，针对不同预警状态，明确预警条件，并制定预警响应措施。

（2）预测分析

1）模型建立

基坑施工对既有地铁区间隧道结构影响的变形分析采用大型岩土工程有限元分析软件Z_soil 进行计算。基坑支护结构及地铁区间隧道模型如图5 所示，模型大小为340 m×280 m×70 m，约16 万个节点。在模型的底面（y＝—70.0 m）处施加竖向约束，在模型的侧面（x＝—80 m，x＝260 m；z＝—80 m，z＝200 m）处施加水平约束。

图5 基坑支护结构及地铁区间隧道模型

2）分析结果

受基坑开挖卸荷的影响，本项目周边地铁新玉区间隧道结构主要发生回弹变形。区间隧道主体结构左、右线最大回弹变形量分别为1.8 mm、0.6 mm，最大水平位移分别为0.41 mm、0.36 mm。新玉区间隧道沿线变形情况如图6 所示。

图6 新玉区间隧道沿线变形图

2.2 复杂地下水环境对地铁影响及预测分析

（1）地下水控制方案

针对不同地下水类型、不同区域并结合现场实际条件，采取多种降、止组合式地下水控制方案。对第1 层潜水采用三轴水泥土搅拌桩结合疏干井的止排水系统进行控制。第2 层承压水对集水坑、电梯井的影响主要采用如下两种控制方案：①远离地铁侧（50 m 之外）采用局部减压降水方式，并通过MODFLOW 软件有效分析减压降水对地铁的影响；②地铁50 m 范围之内采用高压旋喷桩+坑内疏干的方式。基坑开挖范围内，含水层与隔水层交界处的滞水主要采用钢板桩进行止水。

（2）预测分析

根据上述地下水控制方案，第一层潜水及紧邻地铁部位承压水均采用止水方案，对地铁影响较小；远离地铁部位承压水采用局部减压降水方式，对地铁沉降有一定影响。经计算分析，B、D 楼电梯井同时减压降水时，对地铁影响较大，最大沉降3.0 mm；而分开减压降水时，对地铁影响相对较小，最大沉降分别为1.9 mm、2.0 mm。为减小降水对地铁的影响并结合现场工程筹划，先施工D 楼电梯井，待其施工完毕后再施工B 楼电梯井。B、D 楼电梯井减压降水后等势线如图7 所示。

图7 B、D 楼电梯井减压降水后等势线图

2.3 建筑加载对地铁影响及预测分析

（1）分析思路

对于超高层建筑加载对地铁的影响分析，采用了数值计算+SFIA 联合分析技术[14—15]。首先，利用SFIA 地基与基础协同分析技术计算超高层建筑加载自身沉降；其次，基于SFIA 计算结果对数值方法进行验证、校核，确保其参数合理有效；最后，在保证风险源分析有效性的基础上，再对超高层建筑加载对紧邻地铁的影响进行分析与评价。

（2）预测分析

1）建筑加载引起的地基基础沉降

SFIA 分析方法的核心是基于大量建筑物实际沉降观测的基础上，通过大量的正、反演分析，建立和完善天然地基应力应变模型与经验修正系数，反映了土层的应力应变非线性特性，从而获得与实际较为接近的沉降分析结果。

根据本项目岩土工程勘察报告、建筑设计条件、桩基础及地基处理设计条件等资料，经两种计算结果对比分析，本项目地基基础沉降均主要发生在荷载较大的主楼核心筒位置，裙房和地下车库的沉降相对较小，两种方法的结果较为接近。两种分析方法计算结果如图8 所示，主楼最大沉降统计情况如表3 所示。

图8 建筑加载引起的基础沉降图

表3 主楼的最大沉降统计表 mm

2）建筑加荷引起的隧道结构变形

基于上述数值模型的验证、校核，经计算分析，建筑加载引起M6 线区间隧道产生一定的竖向变形。如图9 所示，左线最大沉降为1.51 mm，右线最大沉降为0.55 mm。

3 监测结果与分析

3.1 工程实施情况

本工程于2014 年12 月进行基坑土方开挖，受政府政策、业主工程筹划等方面的影响，2017 年6 月基坑挖至基底。目前，本工程主体结构均已施工完毕。项目建设过程中，对基坑围护体系、地铁6 号线区间隧道均进行了全过程监测。

3.2 监测结果与分析

（1）围护体系监测结果与分析

基坑挖至基底后，施工过程中地铁侧支护桩最大深层水平位移22 mm，桩顶竖向位移14～29 mm（向上），桩顶水平位移-15～6 mm，均未超出设计报警值。从监测结果和实际情况看，数据整体比较稳定，施工期间基坑处于安全状态。地铁侧基坑围护体系监测位移变化曲线如图10 所示。

（2）区间隧道监测结果与分析

主体结构施工完毕后，综合考虑基坑开挖与建筑加载的影响，最终地铁区间隧道竖向位移表现为回弹，回弹量为0.1～0.5 mm，横向变形量为—0.1～0.4 mm，与计算分析结果基本一致，地铁区间隧道数值模拟与实测变形对比分析见图11。整个项目建设过程中，地铁均处于正常运行状态，且各项监测指标均满足要求。

图11 地铁区间隧道变形对比分析图

4 结论

以北京通州运河核心区某项目为工程实例，系统地分析了项目深基坑开挖、复杂地下水控制及超高层建筑加载等工程因素对运营地铁的影响，并基于监测数据进行工程验证，主要结论如下：

（1）在紧邻地铁的复杂环境下进行基坑施工时，采取分区分步开挖、结构传力、基桩预施工等必要的技术措施，对于保护运营地铁的安全是切实有效的。

（2）地下水控制对于限制紧邻地铁沉降具有重要的意义。对于多层地下水情况，结合工程筹划并建立合理有效的分析模型，选择最优地下水控制方案，能够有效控制地铁隧道变形。

（3）对于超高层建筑加载对地铁的影响分析，采用数值计算+SFIA 联合分析技术，能够有效预测、评价建筑加载对地铁沉降的影响，可为类似项目建设提供参考经验。

（4）紧邻地铁项目建设过程中，对各方监测数据实现联动，并建立以监测指导施工的信息化体制，制定相应的应急预案，有利于保障整个项目建设期间运营地铁的安全。