深基坑施工對鄰近礦山法隧道的綜合保護方案研究

朱斌，張書豐，沈曉偉

(南京地鐵集團有限公司，江蘇 南京 210008)

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深基坑施工對鄰近礦山法隧道的綜合保護方案研究

朱斌，張書豐，沈曉偉

(南京地鐵集團有限公司，江蘇 南京 210008)

摘要:基于對礦山法地鐵隧道結構的保護，分析基坑總體方案和圍護結構選型，通過理論分析結合數值模擬，提出加大基坑圍護結構剛度，采用有效止水措施，加強內支撐剛度，逆作法施工等綜合保護措施，并采用現場監測數據驗證，確保基坑施工期間地鐵隧道結構的安全。

關鍵詞：地鐵保護；深大基坑；礦山法隧道；現場監測

近年來，軌道交通與城市建設高速發展，出現了許多鄰近地鐵結構的深大基坑項目。地鐵區間隧道周邊基坑開挖，使土體產生卸載，從而導致土體發生變形，對既有地鐵隧道的結構安全產生影響。國內外許多學者對此開展了相關研究[1-3]，日本交通系統1996年制定了《接近既有隧道施工對策指南》[4]。但目前的研究對象主要集中在基坑對盾構區間隧道的影響，而基坑開挖對礦山法地鐵隧道的影響研究相對較少。本文基于礦山法地鐵隧道安全保護要求，對鄰近的深基坑施工進行了分析，采取針對性安全保護措施，并在施工期間對基坑和隧道進行動態監測，將監測結果與數值分析結果進行對比分析，對地鐵隧道結構安全狀態進行判定。本文可為鄰近基坑開挖時，既有地鐵礦山法隧道的安全控制標準及保護措施起到一定的指導作用。

1項目概況

1.1 環境概況

該項目由主樓、商業裙房及5層地下室組成，其中，主樓采用框架-核心筒結構體系，裙房采用框架結構。基坑面積約為12 362 m2，總周長約為481 m，裙樓和塔樓區域基坑開挖深度分別為22.4和23.9 m，基坑位置如圖1所示。

基坑圍護結構外邊線距地鐵礦山法區間最近距離約為11.4 m，區間隧道頂埋深為8.9～9.8 m，基坑與地鐵隧道相對關系見圖2。

圖1　基坑平面位置示意圖Fig.1 Layout of foundation pit

圖2　基坑與地鐵隧道相對位置關系垂直斷面圖Fig.2 Relationship of foundation pit and metro tunnels

1.2工程地質概況

本工程場地淺層分布有較厚的填土和粉質黏土，其中②-2層流塑粉質黏土土質差，開挖易流動使開挖面產生側向變形和坑底隆起。而階地上的沉積土層中③-3a層粉土和④層粉質黏土混粗砂、卵礫石透水性較好，在水頭差作用下會產生涌砂現象；其余土層工程性質較好，開挖面穩定性較好。而且基坑開挖范圍內涉及到多個含水層，水文地質較為復雜。主要土層自上而下描述見表1。

表1　地層描述綜合表

2基坑方案

2.1開挖總體方案

基坑開挖總體方案主要有順作法和逆作法2類。逆作法采用支護結構與主體結構相結合，可以節省常規順作法中大量臨時支撐的設置和拆除，經濟性好，另外，樓板剛度高于常規順作法的臨時支撐，基坑的變形較小，對基坑周邊環境的影響較小，缺點是設計與主體結構設計的關聯度大，接頭施工復雜，作業環境差，結構施工質量易受影響[5]。

由于本基坑開挖深度大，坑底在地鐵隧道底板標高以下，且基坑離地鐵隧道僅11.4 m。因此經綜合比選，本基坑采用塔樓基坑順作，裙樓基坑逆作的方案。塔樓區域先行施工進行土方開挖，其后進行裙樓逆作法施工。

2.2圍護結構方案

根據軟土地區已實施的大量基坑工程的成功實踐經驗，類似基坑工程一般采用板式圍護體系，板式圍護體一般可供選擇的有鉆孔灌注樁結合止水帷幕和地下連續墻[6-7]。

對于本基坑工程，采用鉆孔灌注樁結合止水帷幕作為基坑圍護體，存在以下2個問題。

1) 圍護體與地鐵區間隧道的距離

本工程地下室結構外墻距離地鐵隧道最近僅為11.4 m，若采用臨時性的排樁結合止水帷幕作為圍護體，扣除圍護樁、止水帷幕等厚度后，圍護體與地鐵隧道的距離將僅有8.5 m左右。距離地鐵隧道越近，則保護難度越大。

2) 止水帷幕的防滲可靠性分析

本工程基坑的開挖深度較深，所需的止水帷幕深度接近30 m，穿越的土層地質以粉質黏土為主，且需深入到中風化巖層中，巖體強度較高。根據以往工程經驗，水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁均難以確保成樁質量，達不到理想止水要求。

綜上所述，通過圍護體與地鐵區間隧道的距離以及止水帷幕防滲可靠性分析，由于周邊環境保護要求較高，因此本工程不宜采用鉆孔灌注樁結合止水帷幕作為圍護結構，推薦采用地下連續墻。

3數值分析

為準確分析深基坑開挖對鄰近地鐵區間隧道產生的影響，并考慮基坑的開挖空間效應，本文采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS 6.8.1對基坑開挖進行分析。根據基坑開挖的全過程中的各具體施工步，采用“單元生死”的方法控制各層基坑土體的開挖、各道支撐的設置和地連墻的修建，對圍護結構、鄰近地鐵隧道和周邊地層的變形和內力做出合理的預測。

3.1土體本構模型及參數選取

本次計算主要采用彈塑性和線彈性本構模型相結合的方法進行分析。對①-1～④層黏土，采用修正劍橋模型模型進行計算。對完整性較差的強風化巖層(⑤-1/1～⑤-1/2)采用彈塑性的Mohr-Coulomb 模型進行計算[8]。底部基巖則采用線彈性模型進行計算。地連墻與土體間設置接觸面，土體開挖后移除。接觸面的本構采用有限滑動的庫倫模型，設置摩擦系數和極限剪應力模擬墻體和土體之間的摩擦。

計算中不同分層土體的模型參數、重度、側壓力系數等參數一部分可以從巖土勘察報告中得到，另一部分通過大量類似工程的監測數據反演分析得到。部分主要土層物理力學參數見表2。

表2　土層物理力學參數

3.2分析模型及計算結果

本次主要對基坑的全尺寸模型進行計算，模型邊界距基坑距離分別為150 m(X 方向)和100 m(Y 方向)，計算深度取地表以下80 m 至基巖層。采用8 節點六面體實體單元和6 節點五面體實體單元模擬土體和巖體介質，空間板殼單元模擬地下連續墻和隧道襯砌，空間梁單元模擬水平支撐和圍檁，板殼厚度和梁的截面尺寸均按實際值取。三維計算模型見圖3。

圖3　三維有限元計算模型Fig.3 3D finite element model

有限元計算結果見圖4～5。

圖4　地下連續墻水平方向(X，Y方向)位移云圖Fig.4 Contour of horizontal displacement of wall

圖5　隧道水平位移及沉降云圖Fig.5 Contour of V&H displacement of tunnel

從地連墻及隧道位移云圖中可以看出，基坑開挖導致支護外側土體和隧道在水平及豎直方向均產生不同程度變形，計算位移結果分析見表3。

表3　位移計算結果匯總表

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[9]，區間隧道水平位移和豎直位移安全控制值為20 mm。地鐵線路已建成運營，產生了一定的累計變形及沉降，累計最大水平位移為5.2 mm，最大沉降為4 mm。則地鐵2號線隧道允許繼續發生的最大變形為：水平位移14.8 mm，沉降16 mm。由表3結果可看出，地鐵隧道變形在安全控制范圍內，隧道結構處于安全狀態，但該計算結果僅為參考，實際施工中需結合實測數據進行信息化施工。

基坑開挖至坑底后隧道襯砌每延米內力與開挖前對比結果如表4所示。根據計算結果，基坑開挖完成后，隧道襯砌最大彎矩、剪力與軸力分別為336.6 kN·m，255.8 kN和777.7 kN，以上計算結果表明，基坑開挖導致地鐵隧道附加內力增加較大，但仍小于隧道襯砌結構本身的抗彎、抗剪和抗壓承載力，表明本基坑開挖對隧道內力的影響在其承受能力的范圍內。

表4　隧道襯砌內力計算結果

4隧道綜合保護措施

根據數值計算結果，基坑開挖造成鄰近地鐵隧道的變形及內力較大，除了采取局部逆作，嵌巖地連墻措施外，為進一步確保隧道結構的安全，還采取了以下措施：

1) 為控制地鐵側圍護結構的側向變形，鄰近地鐵側采用1 m厚地下連續墻，其余區段采用0.8 m厚地下連續墻；

2) 地下連續墻槽段接頭選用止水性能良好的工字鋼接頭；

3) 基坑內部設置4道鋼筋混凝土支撐體系，支撐呈對撐、角撐桁架式布置，支撐水平剛度大，有利于控制圍護結構變形；

4) 土方開挖和支撐的施工工序根據分區、分塊、對稱、平衡的原則制定，同時在施工過程中盡可能縮短圍護結構的無支撐暴露時間；

5) 基坑開挖過程中，鄰近地鐵區域嚴禁超大型重載施工機械行駛或運行，確保施工超載限制在10 kPa范圍內；

6) 對在施工過程中加強隧道安全監測，采用人工和自動化2種監測手段，及時對比以便調整施工參數，做到真正的信息化施工。

5監測數據分析

為了對計算結果和保護措施的效果進行驗證，本文對該基坑施工監測期的隧道監測數據進行分析。

5.1監測范圍

該項目監測范圍為項目基坑圍護結構邊線對應的控制保護區地鐵區間線路里程及左線前外放60 m，后放66 m，右線前外放87.1 m、后外方84.1 m，地鐵隧道監測范圍為K13+118.8～K13+415.1(左線)及K13+091.1～K13+425.8(右線)，于兩側車站范圍內建立監測基準點，水平、垂直位移監測點及基準點布置如圖6所示。

圖6　監測點布置圖Fig.6 Layout of monitoring points

5.2垂直位移監測成果

圖7～8分別為上行線累計垂直位移變化曲線和下行線累計垂直位移變化曲線。

圖7　上行線累計垂直位移變化曲線Fig.7 Accumulative vertical displacement curve of up line

圖8　下行線累計垂直位移變化曲線Fig.8 Accumulative vertical displacement curve of down line

圖7～8表明：基坑降水及開挖導致隧道上下行線最大下沉量為10.4～10.8 mm。

5.3水平位移監測成果

圖9　上行線水平位移變化曲線Fig.9 Horizontal displacement curve of up line

圖9為上行線水平位移變化曲線。圖9表明：基坑降水及開挖導致隧道上下行線最大水平位移量為5.1～5.3 mm。

5.4水平收斂監測成果

圖10為上行線水平收斂變化曲線。圖10表明：基坑降水及開挖導致隧道上下行線最大水平收斂量為3.4 mm。

圖10　上行線水平收斂變化曲線Fig.10 Horizontal convergence curve of up line

5.5成果分析

通過對人工監測數據，靜力水準儀自動化沉降及全站儀斷面自動化監測數據的分析與比對，發現3套監測系統監測得出的數據變化趨勢基本一致，3套系統很好地相互印證，為本項目提供真實可靠的數據成果，較好地反應了地鐵結構的變形情況，地鐵隧道上下行最大豎直位移為10.8 mm，最大水平位移為5.3 mm，最大水平收斂量為3.4 mm，均不超過地鐵隧道安全控制標準。

在整個監測過程中，結合監測數據、施工工況及降水情況可發現：數據的變化受施工工序及降水影響較大。在基坑開挖及降水期間地鐵隧道呈明顯下沉趨勢，且隨著基坑開挖深度的加深沉降變化速率明顯增大。通過對比監測結果和數值模擬分析結果發現：兩者的變化規律是一致的；實際監測數值較數值模擬數值略小。兩者相互印證證明本項目的數值模擬分析結果是可靠的，監測結果也表明基坑采取的綜合保護措施是有效的。

6結論

1) 由于礦山法隧道本身剛度較大，隧道產生的位移一般會比相同條件下盾構區間隧道小，但是隧道襯砌附加內力較大，變形以豎向位移為主。

2) 深基坑采用局部逆作、加大圍護結構剛度、采用有效止水措施、加強內支撐剛度等地鐵綜合保護措施是有效的，隧道的變形控制在安全范圍內，可作為類似工程的參考。

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Analysis on the construction scheme of the deep excavation based on the safety protection of adjacent metro tunnelZHU Bin，ZHANG Shufeng，SHEN Xiaowei

(Nanjing Metro Co. Ltd., Nanjing 210008, China)

Abstract：Based on the protection of mining method of metro tunnels, the foundation pit layout and enclosure structure selection were analyzed through both theoritical analysis and numerical simulation. The solutions of enlarging the structural stiffness of foundation pit enclosure structure were proposed which include effective water preventions, reinforcing inner support stiffness, and building with top-down method are integrate applied with verification of on-site monitoring data to guarantee the safety of metro tunnels during construction of foundation pit.

Key words：metro protection; deep excavation; mined tunnel; field monitoring

中圖分類號：U231+.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0748-06

通訊作者：張書豐(1980-)，男，江蘇建湖人，高級工程師，博士，從事工程項目管理研究；E-mail：myuniqueid@163.com

收稿日期：2015-08-04