既有地鐵隧道上方明挖基坑施工方案分析

劉長寶 鄒金杰 彭加強

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，310014，杭州∥第一作者，高級工程師）

擁有城市軌道交通線路的城市，其中心區的基礎設施建設不可避免地涉及對既有地鐵隧道的保護問題。在軟土地層中，開挖基坑引起的坑底隆起會同步帶動下方地鐵隧道隆起［1-3］，從而對地鐵隧道使用功能和安全性產生影響，稍有不慎將會嚴重威脅地鐵的安全。

根據地鐵盾構隧道相關技術經驗，保證地鐵安全的盾構隧道變形控制值為：豎向最大沉降及水平位移絕對值≤20 mm，隧道變形相對曲率≤1/2 500，隧道變形曲率半徑≥15 000 m，這就給工程建設提出更高的技術要求。因此，有必要進一步研究明挖基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響，合理選擇控制地鐵隧道變形的設計方案，提出有效措施，確保地鐵隧道可以正常使用。

本文以杭州市延安路至仁和路過街通道基坑開挖具體工程為研究對象，采用構建三維有限元模型的方法，探討基坑開挖中采用的地基加固等技術方案對既有隧道的影響，提出門式框架加固、分期開挖及控制降水等保護措施。

1 工程概況

延安路至仁和路過街地道位于杭州市最繁華的商業街延安路與仁和路交叉口，是延安路綜合整治工程的一部分，周邊房屋密集。如圖1所示，該過街地道主通道呈“一”字型布置，橫跨杭州地鐵1號線，與地鐵隧道近似垂直相交，采用明挖法施工。地道基坑開挖深度約8.4 m，基坑長38.2 m，寬11.4 m，坑底部至隧道拱頂覆土厚度僅為3.9 m。基坑圍護采用鉆孔樁加止水帷幕，第一道撐采用混凝土支撐，第二道撐采用鋼管支撐。

工程場地開挖影響范圍內的土體自上而下分別為雜填土、素填土、粉質黏土、砂質粉土和淤泥質粉質黏土。坑底位于淤泥質粉質黏土層，土體性質差，含水量高，滲透性差，流變特性比較明顯。

2 主要技術措施

本工程地鐵隧道拱頂至基坑底覆土厚度僅為3.9 m，小于1倍盾構隧道直徑（D=6.2 m），且施工期與地鐵隧道內道床等二次結構的施工期相沖突，不具備在地鐵隧道內部對其進行加固的條件。因此，需考慮采取相應的措施，減少基坑開挖對既有地鐵隧道的影響。

圖1 杭州市延安路至仁和路過街地道坑底加固范圍

2.1 設計措施

由于過街地道上跨地鐵隧道，為盡量減少基坑開挖對既有地鐵隧道的擾動，在滿足埋設管線的基礎上盡可能減小過街地道頂板覆土厚度，以增大地道底板與隧道拱頂間的豎向距離。基坑圍護采用“鉆孔樁+止水帷幕+混凝土支撐”方案，增大圍護體系整體剛度，減少基坑側向變形。

2.2 加固措施

為降低基坑開挖引起的土體回彈，減小隧道的隆起變形，對坑底與隧道拱頂之間土體，以及隧道兩側土體進行加固并設置抗拔樁，結合過街地道底板形成門式框架結構（見圖2）。加固范圍包括：

①地鐵隧道頂部土體：地道底板與距地鐵隧道頂部0.5 m之間的土體；

圖2 坑底加固剖面圖

②位于基坑兩端地鐵隧道的側向土體：兩端地鐵隧道主體至外側1.6 m間土體，加固深度距地鐵隧道拱底1.0 m；

③位于基坑中部兩地鐵隧道間的側向土體：中部兩地鐵隧道至內側1.6 m間土體，加固深度距地鐵隧道拱底1.0 m。

2.3 降水措施

本項目位于城市繁華建成區，地層主要為淤泥質粉質黏土層，滲透性差，流變特性明顯，開挖困難。坑外大范圍降水風險高且實施難度大，所以本工程帷幕內坑內降水主要作為施工輔助措施，為方便坑內土體開挖及運輸，在仿真分析中僅按重度變化進行簡化處理。

2.4 施工措施

根據本工程地鐵隧道覆土淺，以及對施工擾動和注漿壓力敏感等特點，土體加固采用注漿壓力小、施工振動輕、施工質量保證度高的三軸攪拌樁施工工法。結合地面交通疏解要求，本工程主通道設置分割墻，將通道分為兩個基坑，分期實施。

2.5 監測措施

本工程施工過程中對地鐵隧道及明挖基坑進行全過程晝夜監測，監測內容主要包括隧道收斂變形、隧道管壁應力監測、地表沉降、土體深層位移等方面。監測過程嚴格按規范及國家標準執行，確保數據的連續性和準確性。一旦出現預警，立即停止開挖，采取應急措施，保證施工安全。

3 數值模擬計算

3.1 模型參數及計算工況

采用大型有限元軟件ABAQUS建立三維數值模型，基坑開挖的淤泥質黏土層和粉質黏土層均采用修正劍橋模型（Clay Plasticity）進行模擬。根據地質詳勘報告確定本構模型計算參數，通過分層孔隙比-土體壓力值曲線（e-p曲線）變換得到正常固結線（NCL）的斜率λ。回彈曲線的斜率κ根據經驗取λ值的1/5，攪拌樁水泥土加固區域的土體采用線彈性模型模擬。模型參數根據經驗選取：①水泥土的模量 E=120 MPa，泊松比 v=0.25；②混凝土 E=3×105MPa，v=0.2；③鋼材 E=2×105MPa，v=0.3。其他模型參數設置見表1。

3.2 三維分析計算

根據圍護設計技術方案要求，計算工況如表2所示。

表1 土層材料模型參數

表2 工程圍護設計三維分析計算工況表

3.3 計算結果分析

各工況計算結果最大值詳見表3。由表3可知：一期、二期基坑開挖至坑底時均為最不利工況：基坑最大隆起值為13.98 mm；加固區坑底隆起最大值為1.897 mm；隧道最大水平位移為1.725 mm，最大豎向位移為6.191 mm。由此可見，基坑開挖到底部時隧道變形最大。可采取提高墊層混凝土標號、墊層內設置鋼筋網等措施對坑底進行快速封閉，并通過備好鋼錠及砂袋進行壓重等措施來控制隧道變形。

表3 明挖基坑及地鐵隧道變形最大值統計表 mm

圖3 基坑底部隆起值隨施工工序變化圖

圖4 土體豎向位移分布云圖（工序5）

圖5 土體xz斷面豎向位移分布云圖（工序5）

3.3.1 基坑底部隆起變化

基坑底部最大隆起值變化關系及位移云圖見圖3～6。從圖3可以看出：非加固區基坑底部隆起最大值在施工工序1時最大，為13.98 mm；隨著施工工序的增加，基坑底部最大隆起值不斷減小；加固區基坑底部隆起呈波動變化，各工序間相差不大，最大隆起值均較小。可見，對基坑進行加固處理可有效減小基坑底部的最大隆起值。

圖4～6為工序5時的土體位移分布云圖。從圖中可以看出：非加固區位置，基坑底部隆起值較大位置在靠近兩端位置處，但基坑底部左右兩側隆起并不是對稱的，靠近左側隧道基坑底部隆起較右側大；在加固區位置，基坑底部在框架中部隆起較大，且呈對稱分布。

3.3.2 地鐵隧道結構位移變化

地鐵隧道結構水平及豎向位移變化關系及位移云圖如圖7～9所示。

圖6 加固區土體豎向位移分布云圖（工序5）

圖7 隧道最大變形值隨施工工序變化圖

圖8 地鐵隧道結構水平位移分布云圖

從圖7可以看出：地鐵隧道水平位移最大值隨施工工序的變化較小，工序2產生的水平位移最大值較大，為1.725 mm；地鐵隧道豎向位移隨施工工序的改變呈波動變化，在工序2與工序5分別達到波峰，工序1、工序3、工序6則位于波谷。基坑的開挖對地鐵隧道豎向變形影響較大。

圖8、圖9為工序5時的地鐵隧道結構位移分布云圖。從圖中可以看出：地鐵隧道在基坑位置處水平位移較大，為1.029 mm，其他部位水平位移值均較小；地鐵隧道在基坑位置處向上凸起，遠離基坑處向下凹陷，且右側地鐵隧道豎向位移變化較大。

圖9 地鐵隧道結構豎向位移分布云圖

4 監測情況

為掌握明挖基坑施工對地鐵隧道的影響，以及基坑自身的變形情況，在本通道施工過程中，對通道下方及左右兩側各50 m范圍內的隧道管片進行布點監測（見圖10），雙線共布置靜力水準儀68個、拱頂沉降測點132處、橫向收斂測點66組、水平位移測點66處。在明挖基坑周邊，共布置房屋沉降觀測點20處、地面沉降測點40處、測斜孔7孔、水位孔7孔、樁頂位移測點7處、支撐軸力測點8支。從基坑開挖至土建完工，全過程晝夜不間斷監測。

圖100 地鐵隧道靜力水準儀測點布置圖

施工全過程監測資料顯示，靜力水準儀日最大變形值為-0.5 mm，累計最大日變形值為4.3 mm；橫向收斂日最大變形值為0.6 mm，累計最大日變形值為-3.9 mm。以上變形均滿足地鐵保護要求。明挖基坑監測中房屋累計沉降最大值為-4.2 mm，地表沉降累計最大值為-17.2 mm，水平位移累計最大值為16.8 mm，地下水位變化累計最大值為-260 mm，也均滿足明挖基本保護要求。根據上述監測數據可看出，仿真數值模擬及現場實測數據基本吻合。由此可見，本工程采用的門式加固體系及分期施工組織方案對既有地鐵隧道的保護有效、可靠，滿足施工的技術要求。

5 結語

明挖基坑卸荷及降水對鄰近地鐵隧道有一定的影響。通過三維有限元分析及現場實測數據來看，基坑開挖范圍越大、暴露時間越長、土體力學性質越差，地鐵隧道所受的影響程度也越大。根據實際工程情況提出的坑底土體加固、結合地道底板設置抗拔樁的門式框架結構等措施，對地鐵隧道起到了確實有效的保護作用，可為今后類似工程提供良好的借鑒。