杭州某緊鄰運營地鐵隧道的基坑工程設計與施工要點探討

施振東

（中鐵十六局集團有限公司，100018，北京∥高級工程師）

由于地鐵對周邊地塊商業的顯著帶動作用，緊鄰地鐵的商業開發顯得十分頻繁。已開通運行地鐵的城市如上海、廣州、北京等，其緊鄰地鐵大規模開挖大型深基坑已成為一種城市建設常態。

杭州地鐵1號線全長47.97 km，于2012年11月24日通車試運營，目前日均客流已超過30萬人次，最大日客流超過60萬人次，已成為杭州重要交通干線。由于杭州地鐵聚富效應的大力凸顯，緊鄰地鐵的各類商業地產項目日益增多。

軟土地區各類建筑深基坑緊鄰已經運營地鐵的基坑設計與施工，是一項非常復雜的工程。上海、北京、廣州等地鐵先行城市，已積累了不少屬于各自城市特點的成功經驗。

本文基于杭州工程地質特點，結合某典型緊鄰地鐵隧道開挖基坑的工程案例，探討杭州地區緊鄰地鐵隧道的基坑工程設計與施工的技術要點。

零工經濟(Gig Economy)中的零工(Gig)原意是指臨時工，是一些勞動者無法獲得正式工作，只能從事一些臨時性工作[1]。由于產業的周期性以及季節的周期性，有些工作并長期不雇傭勞動力，往往是需要的時候才雇傭工人，此時就會出現大量勞動力以團隊形式暫時的集聚于某一地方或某一產業的現象，例如農民工[2,3]。由這種臨時工所形成的經濟現象被稱為零工經濟。改革開放以來，我國的很多城市中都出現過這種“零工”現象。

1 工程概況

已運營地鐵線路對變形要求極為嚴格［1－4］：

該基坑連續墻外邊線距離已運營地鐵1號線隧道最小凈距為7.3 m，距離地鐵車站結構最小凈距為27.10 m，距離地鐵車站風亭結構最小凈距13.9 mm，距離地鐵車站出入口最小凈距為11.70 m（見圖1）。

本基坑工程東、西側均為已建成的道路，北側為臨近地塊樁基施工工地，場地內無管線，三側周邊環境相對較好，南側已運營的地鐵盾構隧道的保護為該基坑工程的關鍵點之一。

不同設計方案的模擬計算結果見圖10～圖17。

圖1 杭州某緊鄰地鐵基坑工程平面布置圖

表1 各土層主要物理力學性質指標

2 圍護結構設計方案

杭州某商業地產項目，總用地面積為25 977 m2，總建筑面積為99 141 m2，設有三～四層地下室。該地塊基坑呈長條形，平面尺寸約為250.0m×145.0m。設計基坑開挖深度為15.8 m，局部坑中坑開挖深度達18.7 m。

（1）地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移≤20 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）。車站及出入口風亭最大允許局部傾斜控制值為0.002。車站左右兩側軌道高差＜4 mm。

（2）地鐵隧道變形相對曲率＜1／2 500。

近期我國電力工業的發展，仍然是以燃煤發電為主。由于燃煤機組不斷完善，電廠規模不斷擴大，導致粉煤灰排放量急劇增長。1985年火電廠排灰渣總量達3 768萬t，到1995年增加到9 936萬t，到2007年粉煤灰排放量達到3億t。按全國平均計，每增加10 MW裝機容量，每年將增加近萬噸粉煤灰的排放量。到2010年粉煤灰排放量已達到3.3億t。按目前的排放狀況和利用水平，沖灰用水量和儲灰廠占地將增加一倍，分別達到30多億噸和6.6萬多平方米。對于我們這個水資源缺乏、可耕地人均占有率很低的國家來說，如何作好粉煤灰的利用和處置確實是一個十分重要的問題。

（3）地鐵隧道變形曲率半徑＞15 000 m，地鐵車站結構變形曲率半徑＞50 000 m。

本次數值模擬過程中，對于區間隧道襯砌采用了板單元，土體和加固土體采用實體單元。

本基坑針對地鐵保護主要圍護設計方案為：

（1）靠近地鐵側采用800 mm地下連續墻，連續墻槽壁加固采用三軸攪拌樁加固處理（外排連續套打）。

（2）支撐采用3道桁架式混凝土支撐，地鐵側支撐體系均板帶加強。局部坑中坑段設置4道鋼筋混凝土支撐。如圖2及圖3所示。

（3）連續墻外側約2.6 m布置一排直徑800 mm＠1 800 mm鉆孔灌注樁，樁頂部設冠梁與地墻冠梁板帶連成整體，樁與墻之間的土體采取旋噴樁加固處理，如圖4所示。

針對OPC UA TSN在控制器與現場層通信，貝加萊一直是其開發和標準化的核心參與者。在與之相應的標準化組織中發揮著主導作用：OPC基金會、IEC/IEEE和VDMA。貝加萊還積極參與了諸如工業互聯網聯盟（IIC）進行的測試平臺。“我們正在努力確保工業機械制造商和運營商能夠盡快從協調統一的通信中獲得實際利益。”貝加萊戰略與創新副總裁Stefan Schonegger說道。此外，貝加萊的母公司ABB已被任命為OPC基金會的董事會成員。

圖2 杭州某緊鄰地鐵基坑工程與地鐵位置關系剖面圖

圖3 杭州某緊鄰地鐵基坑工程坑中坑段基坑圍護剖面圖

圖4 連續墻外側設置隔離樁大樣圖

（4）地鐵側坑外輕型井點降水至地表下4.0m。

歷史上，山東男籃的東家如走馬燈一樣不斷更換。從體育局到金斯頓再到黃金男籃，之又有高速男籃和西王男籃。每一輪更換東家，必然會讓球隊經歷模式、思路的轉型，換血、換帥、不系統的訓練，這些問題，似乎始終與山東男籃有緣。

（5）在各道支撐的土層開挖過程中，設計要求每段開挖寬度控制在6 m以內，分層分段分塊開挖土方，盡量減小無支撐暴露時間，嚴格控制土方開挖坡度與坡高，單層土坡坡度不得大于1∶2.5，土坡高度不得大于3 m。坑內每一層土方開挖，均要求靠近地鐵側土方最后挖除。

紹興市燃氣產業集團有限公司及其下屬的燃氣運營企業、燃氣管道施工企業均有很多在建燃氣工程，2012年10月份合并報表顯示在建工程達8 240萬元，其中輸送管網施工工程就高達6 328萬元.集團公司高度重視，對施工材料成本進行了較嚴格的控制，并采取了一系列的措施.如通過引入供應商準入制度，控制工程采購材料的質量；通過入圍供應商招投標制度，控制工程采購材料的價格；同時在工程材料的入庫、領用、結算、核算、盤點等方面制訂了一系列制度，對工程材料的各環節進行嚴格的管理，以控制工程材料成本.

（6）本工程基坑面積大，開挖深度深，土方工程量大，施工周期長。為確保施工過程中運營地鐵隧道的安全，要求對隧道采取自動化監測手段，并實行動態管理和信息化施工。

圖5 土方開挖預留土堤示意圖

3 基坑開挖對隧道變形影響的數值分析

3.1 數值計算模型與分析工況

以上4類方案，計算過程均模擬基坑開挖步序，標準段（非坑中坑段）分為以下幾個步驟：

本次數值模擬分析采用摩爾·庫侖彈塑性本構模型，采用大型巖土有限元分析程序 MIDAS／GTS。

我慶幸自己作了這個選擇，我戰勝了自己的擔憂和不自信，也感悟到，凡事不要說不可能，也不要輕易否認自己在某方面的潛能，最好的辦法就是去行動去嘗試，誰能保證你不能收獲一個全新的自己呢。

土與結構物相互作用是巖土工程研究的重點和難點。在結構面和土體摩擦界面設置接觸面或者接觸單元比較能反映真實工況，但是這樣的計算非常費時，而且要根據問題研究的重點加以區分。目前許多數值軟件都內鑲有結構單元，如ABAQUS、ANSYS中的Beam（梁），Shell（殼）單元。

水生態文明建設是解決石羊河流域生態問題的必要途徑……………………………………………………… 王 浩(5.19)

(1)燃油消耗費用所占比例較高，燃油單位熱值的價格是目前所用能源中最高的，因此還可以進一步優化能源結構；

結構單元的概念類似結構力學中的桿系有限元的概念，結構單元形成自己的剛度矩陣和土體單元發生作用，所不同的就是剛度矩陣中的各項有不同的物理意義。有了這些結構單元，對于分析土與結構相互作用的問題非常方便。

結合本基坑形狀、面積、開挖深度、地質條件及周圍環境，安全等級定為一級。

板單元是由4點構成的面單元，具有平面內和平面外不同剛度，用來模擬隧道襯砌與地下連續墻，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。模型長335 m，高40 m，寬105 m。區間隧道結構長度100 m，隧道外徑6.2 m，管片壁厚0.35 m，地面超載20 kPa。

為了比較其他支護方案，遴選地鐵隧道保護的最適宜方案，數值計算模型考慮了如下4類方案，見表2及表3。

圖6 板單元特性

圖7 數值計算模型與網格劃分

圖8 區間隧道與地下連續墻有限元模型

表2 不同支護方案比較

圖9 抽條開挖有限元模型

3.2 數值計算結果分析

鑒于工程復雜性，基坑圍護設計除運用“彈性地基梁原理”進行常規的斷面計算外，尚進行了大量的數值模擬計算。

（二）分析電路圖，找到問題與已知條件間的關系。在做電學題時，要在讀清題之后，仔細的分析電路圖，先要正確的判斷電路的串并聯情況。教師可以用去掉一個用電器的方法，教學生正確的判斷電路。若去掉用電器后，電路相互影響則為串聯，若不會相互影響，則為并聯。其次要找清楚電表測量的對象，在看電壓表時，可以觀察他并聯在誰的兩端，就是測誰的電壓。在判斷電流表時，可以去掉電流表，看哪個用電器被影響到就是測誰的電流。最后根據歐姆定律，運用所學的電學公式解題。

（1）工況一——初始應力狀態，采用K0法，生成初始應力。開挖區間隧道及施工地下連續墻，同時位移清零。

（2）工況二——開挖到－1.5 m，同時施工第一道支撐。

90°，進而得△FMK∽△DFA，則由于DA=4，AF=2，所以問題轉化為求即的值．而所以得故M點的坐標為至于求點N的坐標又體現了建立平面直角坐標系的優越性了，若仿照點E、M的坐標求法，向坐標軸作垂線，坐標相當難求．但注意到點F、D的坐標分別為(2，0)，(0，4)，根據待定系數法易求直線EF、DM的解析式分別為y=3x-6和y=-x+4，聯立解方程組便可輕而易舉地求得點N的坐標為再由兩點之間的距離公式，得問題迎刃而解．

（5）工況五——開挖坑底－15.8 m。

（4）工況四——開挖到－12.2 m，同時施工第三道支撐。

（3）工況三——開挖到－7.2 m，同時施工第二道支撐。

（6）工況六——施工完底板 拆除第三道支撐。

（7）工況七——施工完下二層樓板，拆除第二道支撐。

（8）工況八——施工完下一層樓板，拆除第一道支撐。

表3 不同支護方案數值計算結果 mm

該段地層的主要特點是粉砂性地層深厚，下部有淤泥質土和粉土呈“千層餅”狀的互層結構，根據勘察報告場地土體可分為7個大層。地下潛水水位埋深為地下0.7～3.7 m之間。土層具體參數詳見表1。

圖10 設計方案盾構隧道位移云圖

圖11 設計方案基坑支撐軸力圖

圖12 比選方案1盾構隧道位移云圖

圖13 比選方案1基坑支撐軸力圖

圖14 設計方案連續墻最大位移24.7 mm

圖15 設計方案中各工況下連續墻及隧道變形

圖16 設計方案中近端隧道位移圖

圖17 設計方案中遠端隧道位移圖

3.3 小結

通過以上數值計算結果的整理分析研究，得出以下結論：

（1）相比“比選方案”，“設計方案”對隧道變形影響最小，且最經濟。其利用時空效應分區分塊、分層分段、及時架設支撐，明顯減少了連續墻變形。隧道變形減小為14.7 mm，滿足隧道變形限值要求。

（2）“比選方案1”隧道變形達到了20.5 mm，略超出了隧道變形限值要求。如施工過程未能按照“設計方案”利用時空效應進行施工，其隧道變形即為該“比選方案”計算結果。

（3）“比選方案2”將連續墻調整為1 000 mm厚，計算結果與“比選方案1”接近。由此可見，由于使用了隔離樁，整體圍護剛度已較大，增大連續墻厚度對基坑及隧道變形控制無益。

（4）“比選方案3”通過采取坑底裙邊加固，隧道變形控制與“設計方案”相當，但是經濟性遜于后者。

4 施工監測與反分析

4.1 監測手段與數據處理

本基坑工程施工時分為A、B、C、D、E、F6個區塊施工（見圖18及圖19）。目前基坑已基本實施完畢。

圖18 基坑實施過程現場照片

圖19 基坑實施時分區分塊示意圖

為有效掌握基坑開挖過程中隧道變形情況，除常規監測手段外，本工程使用了三維激光掃描儀對變形區域隧道進行了全斷面掃描，并對隧道的裂縫情況進行了測量和統計。三維激光掃描儀通過高速激光掃描測量的方法，以點云形式獲取隧道的陣列式幾何圖像數據（見圖20～圖23）。

圖20 采集數據點標靶球擺放

4.2 一般段監測結果分析

一般段選取E段第120環的監測數據作為分析段。根據監測數據與計算模型對比來看，隧道變形監測數據略大于數值計算結構，變形趨勢基本吻合，該段隧道內部狀態良好（見圖24）。

圖21 隧道內部點云數據

圖22 一個掃描站點云數據

圖23 數據預處理后建立三角網

圖24 一般段基坑開挖過程隧道變形情況

4.3 坑中坑段監測結果分析

坑中坑段（C區、D區）基坑實施過程中，因各種因素，未能按設計要求及時澆筑底板，如表4所示。

表4 不同區塊底板澆筑時間對比表

從監測情況來看，該段隧道變形較大程度超出了計算變形控制，雖目前隧道運營狀態尚良好，但隧道內部出現了不同程度的裂縫。

5 結語

緊鄰已運營地鐵隧道開挖基坑，從設計與施工角度，如何有效控制地鐵隧道變形，對于杭州地區仍是一個尚需深入研究的課題。

本文通過分析杭州某典型緊鄰地鐵隧道的深基坑工程案例，得出如下結論。

按照上海市“十二五”取水許可總量控制指標中的年度控制目標，嚴格控制取水總量，2013年取水總量為86.57億m3，完成年度控制目標任務。結合本市電力行業“上大壓小”工作，同步開展“黃浦江溫排水對水環境影響研究”，對火電企業直流循環用水提出了“控制黃浦江和內河取水、適度開展長江口取水、鼓勵杭州灣取水”的行業發展控制要求，進一步優化了本市的水資源配置。

1）本基坑工程開挖深度達15.8 m，與地鐵隧道最下凈距離僅7.3 m。圍護結構采取800 mm連續墻加隔離樁加3道鋼筋混凝土支撐方案，從實施結果來看，數值計算結果與監測反饋數據基本吻合。

不久，老板發現，環衛工人和菜市場的商販每天四點多起床，起床時吃不下飯，忙到六點左右，正是輪換吃早飯之際，早點又沒開門。為此，把營業時間改成六點。

2）“連續墻加隔離樁”的圍護結構形式，由于其剛度大、經濟性好，已在杭州類似緊鄰地鐵隧道的基坑工程有多次應用。該類圍護結構形式均要求樁與墻之間的土體采取加固處理，頂部設置板梁拉結，以形成雙排樁效應。為減少連續墻成槽施工對地鐵隧道的影響，一般要求隔離樁先期施工。從監測數據來看，本基坑工程連續墻成槽施工，基坑對隧道基本無影響。

3）從數值計算及監測數據來看，運用時空效應、分層分段、分區分塊開挖基坑仍是降低周邊環境影響最經濟有效的辦法之一。本工程坑中坑段由于未能遵循時空效應開挖基坑，未能及時澆筑底板，導致隧道變形超出設計值，對隧道構成不同程度的不利影響。

Numerical analysis of collapse-proof cable damping effect of friction pendulum bearings

4）上海地區對于類似基坑工程，已積累了不少成功經驗，值得借鑒，如：

（1）對于緊鄰地鐵側深基坑要求“化整為零”，將大基坑劃分多個小基坑。對靠近地鐵側小基坑的開挖面積、深度、時間均嚴格要求。

（2）對于靠近地鐵側基坑一般均要求采取“自動補償支撐系統”。

（3）鑒于蓋挖逆作對于周邊環境的相對有利，必要時，要求靠近地鐵側深基坑采取蓋挖逆作。

（4）嚴格有效的程序管理，地鐵業主方對施工全程采取過程管控。

［1］高廣運，高盟，楊成斌，等.基坑施工對運營地鐵隧道的變形影響及控制研究［J］.巖土工程學報，2010.

［2］劉國彬，黃院雄，侯學淵.基坑工程下已運行地鐵區間隧道上抬變形的控制研究與實踐［J］.巖石力學與工程學報，2001，2（2）：202.

［3］劉廷金.基坑施工對盾構隧道變形影響的實測研究［J］.巖石力學與工程學報，2008（27）：3393.

［4］李進軍，王衛東.基坑工程對臨近建筑物附加變形影響的分析［J］.巖石力學，2007（28）：623.

［5］麥家兒.基坑施工對鄰近地鐵車站和區間隧道的影響分析［J］.城市軌道交通研究，2012（6）：100.