杭州某紧邻运营地铁隧道的基坑工程设计与施工要点探讨

施振东

【摘 要】软土地区紧邻地铁深基坑的开挖会引起周围土体移动,从而对临近运营地铁隧道构成不利影响.对隧道变形控制是该类基坑工程的核心问题.以杭州某紧邻运营地铁隧道的基坑工程为背景,利用MIDAS/GTS模拟基坑开挖对隧道结构的影响,并通过了后期施工监测数据分析.初步提出了适合杭州地质特点的紧邻地铁隧道的基坑工程设计与施工要点,可供后续类似工程参考借鉴. 【期刊名称】《城市轨道交通研究》 【年(卷),期】2014(017)008 【总页数】8页(P87-94)

【关键词】软土深基坑;紧邻地铁隧道;影响分析 【作 者】施振东

【作者单位】中铁十六局集团有限公司,100018,北京 【正文语种】中 文 【中图分类】U456.3

由于地铁对周边地块商业的显著带动作用，紧邻地铁的商业开发显得十分频繁。已开通运行地铁的城市如上海、广州、北京等，其紧邻地铁大规模开挖大型深基坑已成为一种城市建设常态。

杭州地铁1号线全长47.97 km，于2012年11月24日通车试运营，目前日均客

流已超过30万人次，最大日客流超过60万人次，已成为杭州重要交通干线。由于杭州地铁聚富效应的大力凸显，紧邻地铁的各类商业地产项目日益增多。 软土地区各类建筑深基坑紧邻已经运营地铁的基坑设计与施工，是一项非常复杂的工程。上海、北京、广州等地铁先行城市，已积累了不少属于各自城市特点的成功经验。

本文基于杭州工程地质特点，结合某典型紧邻地铁隧道开挖基坑的工程案例，探讨杭州地区紧邻地铁隧道的基坑工程设计与施工的技术要点。 1 工程概况

杭州某商业地产项目，总用地面积为25 977 m2，总建筑面积为99 141 m2，设有三～四层地下室。该地块基坑呈长条形，平面尺寸约为250.0m×145.0m。设计基坑开挖深度为15.8 m，局部坑中坑开挖深度达18.7 m。

该基坑连续墙外边线距离已运营地铁1号线隧道最小净距为7.3 m，距离地铁车站结构最小净距为27.10 m，距离地铁车站风亭结构最小净距13.9 mm，距离地铁车站出入口最小净距为11.70 m（见图1）。

本基坑工程东、西侧均为已建成的道路，北侧为临近地块桩基施工工地，场地内无管线，三侧周边环境相对较好，南侧已运营的地铁盾构隧道的保护为该基坑工程的关键点之一。

该段地层的主要特点是粉砂性地层深厚，下部有淤泥质土和粉土呈“千层饼”状的互层结构，根据勘察报告场地土体可分为7个大层。地下潜水水位埋深为地下0.7～3.7 m之间。土层具体参数详见表1。 图1 杭州某紧邻地铁基坑工程平面布置图

表1 各土层主要物理力学性质指标层号 土层名称 含水量／%密度／（kN／m3）孔隙比压缩模量／MPa地基承载力标准值／kPa 内聚力／kPa 内摩擦角／（°）1－1 杂填土 18.30 12.0 15.0 1－2 素填土 17.30 13.0 16.0 2－1 黏质粉土 27.6

18.77 0.802 12.40 120 8.5 29.6 2－2 砂质粉土 27.3 18.88 0.775 11.80 150 8.4 30.2 2－3 砂质粉土 24.8 19.28 0.682 12.63 140 6.1 31.9 2－4 砂质粉土 25.4 19.19 0.708 12.94 110 6.3 32.7 3－1 砂质粉土 24.3 19.14 0.709 11.83 155 8.2 32.5 3－2 粉土夹粉质黏土薄层 29.0 18.49 0.839 10.68 140 10.1 32.7 3－3 粉质黏土与粉土互层 30.9 18.23 0.869 7.26 100 23.0 22.2 4－1 淤泥质粉质黏土 41.1 17.23 1.231 3.41 70 11.4 10.1 4－2 粉质黏土 31.6 18.39 0.873 5.25 75 39.1 17.8

2 围护结构设计方案

已运营地铁线路对变形要求极为严格［1－4］：

（1）地铁结构设施绝对沉降量及水平位移≤20 mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）。车站及出入口风亭最大允许局部倾斜控制值为0.002。车站左右两侧轨道高差＜4 mm。

（2）地铁隧道变形相对曲率＜1／2 500。

（3）地铁隧道变形曲率半径＞15 000 m，地铁车站结构变形曲率半径＞50 000 m。

结合本基坑形状、面积、开挖深度、地质条件及周围环境，安全等级定为一级。 本基坑针对地铁保护主要围护设计方案为：

（1）靠近地铁侧采用800 mm地下连续墙，连续墙槽壁加固采用三轴搅拌桩加固处理（外排连续套打）。

（2）支撑采用3道桁架式混凝土支撑，地铁侧支撑体系均板带加强。局部坑中坑段设置4道钢筋混凝土支撑。如图2及图3所示。

（3）连续墙外侧约2.6 m布置一排直径800 mm＠1 800 mm钻孔灌注桩，桩顶部设冠梁与地墙冠梁板带连成整体，桩与墙之间的土体采取旋喷桩加固处理，如图4所示。

图2 杭州某紧邻地铁基坑工程与地铁位置关系剖面图 图3 杭州某紧邻地铁基坑工程坑中坑段基坑围护剖面图 图4 连续墙外侧设置隔离桩大样图

（4）地铁侧坑外轻型井点降水至地表下4.0m。

（5）在各道支撑的土层开挖过程中，设计要求每段开挖宽度控制在6 m以内，分层分段分块开挖土方，尽量减小无支撑暴露时间，严格控制土方开挖坡度与坡高，单层土坡坡度不得大于1∶2.5，土坡高度不得大于3 m。坑内每一层土方开挖，均要求靠近地铁侧土方最后挖除。

（6）本工程基坑面积大，开挖深度深，土方工程量大，施工周期长。为确保施工过程中运营地铁隧道的安全，要求对隧道采取自动化监测手段，并实行动态管理和信息化施工。

图5 土方开挖预留土堤示意图 3 基坑开挖对隧道变形影响的数值分析 3.1 数值计算模型与分析工况

鉴于工程复杂性，基坑围护设计除运用“弹性地基梁原理”进行常规的断面计算外，尚进行了大量的数值模拟计算。

本次数值模拟分析采用摩尔·库仑弹塑性本构模型，采用大型岩土有限元分析程序 MIDAS／GTS。

土与结构物相互作用是岩土工程研究的重点和难点。在结构面和土体摩擦界面设置接触面或者接触单元比较能反映真实工况，但是这样的计算非常费时，而且要根据问题研究的重点加以区分。目前许多数值软件都内镶有结构单元，如ABAQUS、ANSYS中的Beam（梁），Shell（壳）单元。

结构单元的概念类似结构力学中的杆系有限元的概念，结构单元形成自己的刚度矩阵和土体单元发生作用，所不同的就是刚度矩阵中的各项有不同的物理意义。有了

这些结构单元，对于分析土与结构相互作用的问题非常方便。

本次数值模拟过程中，对于区间隧道衬砌采用了板单元，土体和加固土体采用实体单元。

板单元是由4点构成的面单元，具有平面内和平面外不同刚度，用来模拟隧道衬砌与地下连续墙，如图6、图7、图8、图9所示。模型长335 m，高40 m，宽105 m。区间隧道结构长度100 m，隧道外径6.2 m，管片壁厚0.35 m，地面超载20 kPa。

为了比较其他支护方案，遴选地铁隧道保护的最适宜方案，数值计算模型考虑了如下4类方案，见表2及表3。 图6 板单元特性

图7 数值计算模型与网格划分

图8 区间隧道与地下连续墙有限元模型

表2 不同支护方案比较区分段开挖比选方案1 800 mm连续墙加3道钢筋混凝土支撑比选方案2 1 000 mm连续墙加3道钢筋混凝土支撑比选方案3 800 mm连续墙加3道钢筋混凝土支撑加坑内裙边加固方案 支护方案设计方案 800 mm连续墙加3道钢筋混凝土支撑加分注：① 以上4类方案靠近地铁侧均考虑设置隔离桩，如图3所示；②4类方案局部坑中坑段均考虑设置了第四道钢筋混凝土支撑；③ 方案3中坑内裙边加固是指在基坑内采取搅拌对坑底土体采取加固，加固范围为5.0m（宽）×5.0m（深） 图9 抽条开挖有限元模型 3.2 数值计算结果分析

以上4类方案，计算过程均模拟基坑开挖步序，标准段（非坑中坑段）分为以下几个步骤：

（1）工况一——初始应力状态，采用K0法，生成初始应力。开挖区间隧道及施

工地下连续墙，同时位移清零。

（2）工况二——开挖到－1.5 m，同时施工第一道支撑。 （3）工况三——开挖到－7.2 m，同时施工第二道支撑。 （4）工况四——开挖到－12.2 m，同时施工第三道支撑。 （5）工况五——开挖坑底－15.8 m。

（6）工况六——施工完底板 拆除第三道支撑。 （7）工况七——施工完下二层楼板，拆除第二道支撑。 （8）工况八——施工完下一层楼板，拆除第一道支撑。

表3 不同支护方案数值计算结果 mm方案 连续墙最大水平位移 隧道最大变形设计方案 23.3 14.5比选方案1 31.2 20.5比选方案2 30.7 19.4比选方案3 24.7 15.4

不同设计方案的模拟计算结果见图10～图17。 图10 设计方案盾构隧道位移云图 图11 设计方案基坑支撑轴力图 图12 比选方案1盾构隧道位移云图 图13 比选方案1基坑支撑轴力图 图14 设计方案连续墙最大位移24.7 mm 图15 设计方案中各工况下连续墙及隧道变形 图16 设计方案中近端隧道位移图 图17 设计方案中远端隧道位移图 3.3 小结

通过以上数值计算结果的整理分析研究，得出以下结论：

（1）相比“比选方案”，“设计方案”对隧道变形影响最小，且最经济。其利用时空效应分区分块、分层分段、及时架设支撑，明显减少了连续墙变形。隧道变形

减小为14.7 mm，满足隧道变形限值要求。

（2）“比选方案1”隧道变形达到了20.5 mm，略超出了隧道变形限值要求。如施工过程未能按照“设计方案”利用时空效应进行施工，其隧道变形即为该“比选方案”计算结果。

（3）“比选方案2”将连续墙调整为1 000 mm厚，计算结果与“比选方案1”接近。由此可见，由于使用了隔离桩，整体围护刚度已较大，增大连续墙厚度对基坑及隧道变形控制无益。

（4）“比选方案3”通过采取坑底裙边加固，隧道变形控制与“设计方案”相当，但是经济性逊于后者。 4 施工监测与反分析 4.1 监测手段与数据处理

本基坑工程施工时分为A、B、C、D、E、F6个区块施工（见图18及图19）。目前基坑已基本实施完毕。 图18 基坑实施过程现场照片 图19 基坑实施时分区分块示意图

为有效掌握基坑开挖过程中隧道变形情况，除常规监测手段外，本工程使用了三维激光扫描仪对变形区域隧道进行了全断面扫描，并对隧道的裂缝情况进行了测量和统计。三维激光扫描仪通过高速激光扫描测量的方法，以点云形式获取隧道的阵列式几何图像数据（见图20～图23）。 图20 采集数据点标靶球摆放 4.2 一般段监测结果分析

一般段选取E段第120环的监测数据作为分析段。根据监测数据与计算模型对比来看，隧道变形监测数据略大于数值计算结构，变形趋势基本吻合，该段隧道内部状态良好（见图24）。

图21 隧道内部点云数据 图22 一个扫描站点云数据 图23 数据预处理后建立三角网 图24 一般段基坑开挖过程隧道变形情况 4.3 坑中坑段监测结果分析

坑中坑段（C区、D区）基坑实施过程中，因各种因素，未能按设计要求及时浇筑底板，如表4所示。

表4 不同区块底板浇筑时间对比表区块 土方开挖完成时间底板浇筑完成时间前两者时差／d A（B）区块2013年9月15日—10月21日 10月30日8 C区块 2013年6月20日—8月8日9月2日（坑中坑西10月30日）24（坑中坑西82）D区块 2013年5月20日—6月15日7月6日（坑中坑东9月23日）21（坑中坑西88）E区块 2013年5月30日—7月20日 7月28日 8 F区块 2013年6月27日—7月25日 8月8日13

从监测情况来看，该段隧道变形较大程度超出了计算变形控制，虽目前隧道运营状态尚良好，但隧道内部出现了不同程度的裂缝。 5 结语

紧邻已运营地铁隧道开挖基坑，从设计与施工角度，如何有效控制地铁隧道变形，对于杭州地区仍是一个尚需深入研究的课题。

本文通过分析杭州某典型紧邻地铁隧道的深基坑工程案例，得出如下结论。 1）本基坑工程开挖深度达15.8 m，与地铁隧道最下净距离仅7.3 m。围护结构采取800 mm连续墙加隔离桩加3道钢筋混凝土支撑方案，从实施结果来看，数值计算结果与监测反馈数据基本吻合。

2）“连续墙加隔离桩”的围护结构形式，由于其刚度大、经济性好，已在杭州类似紧邻地铁隧道的基坑工程有多次应用。该类围护结构形式均要求桩与墙之间的土

体采取加固处理，顶部设置板梁拉结，以形成双排桩效应。为减少连续墙成槽施工对地铁隧道的影响，一般要求隔离桩先期施工。从监测数据来看，本基坑工程连续墙成槽施工，基坑对隧道基本无影响。

3）从数值计算及监测数据来看，运用时空效应、分层分段、分区分块开挖基坑仍是降低周边环境影响最经济有效的办法之一。本工程坑中坑段由于未能遵循时空效应开挖基坑，未能及时浇筑底板，导致隧道变形超出设计值，对隧道构成不同程度的不利影响。

4）上海地区对于类似基坑工程，已积累了不少成功经验，值得借鉴，如： （1）对于紧邻地铁侧深基坑要求“化整为零”，将大基坑划分多个小基坑。对靠近地铁侧小基坑的开挖面积、深度、时间均严格要求。

（2）对于靠近地铁侧基坑一般均要求采取“自动补偿支撑系统”。

（3）鉴于盖挖逆作对于周边环境的相对有利，必要时，要求靠近地铁侧深基坑采取盖挖逆作。

（4）严格有效的程序管理，地铁业主方对施工全程采取过程管控。 参考文献

［1］高广运，高盟，杨成斌，等.基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究［J］.岩土工程学报，2010.

［2］刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践［J］.岩石力学与工程学报，2001，2（2）：202.

［3］刘廷金.基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究［J］.岩石力学与工程学报，2008（27）：3393.

［4］李进军，王卫东.基坑工程对临近建筑物附加变形影响的分析［J］.岩石力学，2007（28）：623.

［5］麦家儿.基坑施工对邻近地铁车站和区间隧道的影响分析［J］.城市轨道交通

研究，2012（6）：100.