河漫灘地區深基坑對鄰近地鐵盾構隧道的施工影響及保護研究

沈曉偉 張書豐 張 杰

（1. 南京地鐵集團有限公司，江蘇 南京 210008；2. 中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 工程概況與地質條件

1.1 項目概況

本工程位于南京秦淮河漫灘地區，基坑總面積為6 159 m2，設四層地下室，基坑最大開挖深度為19.60 m；基坑東側鄰近已運營的地鐵盾構隧道 （隧道埋深16.5 m、隧道外徑6.2 m、內徑5.5 m、壁厚0.35 m、環寬1.2 m），最小凈距10.4 m。

1.2 地質概況

項目擬建場地屬于秦淮河漫灘地區，基坑開挖深度范圍內3-1層以上土層，主要為軟塑～流塑的黏性土，含水量和壓縮性均較大，土的力學性質相對較差，對支護結構受力和變形控制較為不利。場地范圍有兩層承壓水。第Ⅰ層承壓水主要賦存于3-3層中；第Ⅱ層承壓水主要賦存于3-6層含卵礫石粉土、粉砂層中。承壓水補給來源為場地外含水層側向徑流及孔隙潛水的越流補給，以地下徑流為排泄方式。基坑開挖時將面臨承壓水問題，需采取可靠的隔水措施，防止坑內降壓、降水對周邊建筑和地鐵隧道產生不良影響。

2 圍護結構設計方案

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規程》（CJJ/T 202—2013）[1]，本基坑工程東北區域與地鐵隧道結構的接近程度為“接近”，外部作業的工程影響程度屬于強烈影響區 （A），因此將近地鐵側基坑影響等級定為“特級”。擬建場地屬于秦淮河漫灘地貌單元，基坑圍護結構、土方開挖、降水施工易引起地鐵隧道產生較大變形，因此，需在設計及施工階段制定嚴密的地鐵保護措施，并在施工過程中對地鐵結構進行監測，防止引起隧道結構過大變形。

2.1 總體設計方案 （逆作法）

綜合考慮本基坑工程的開挖面積、深度、與地鐵隧道的空間關系、水文地質等條件，為減小施工過程引起的地鐵隧道結構變形，采用逆作法施工。基坑采用“兩墻合一”地下連續墻，采用結構梁板代替水平支撐體系，其剛度大有利于水平變形控制，同時避免臨時支撐拆除的影響，豎向采用一柱一樁作為豎向支承體系。逆作施工階段僅施工地下室各層梁板結構，不同時向上施工地上結構。

2.2 圍護結構設計

2.2.1 原設計方案 （四層地下室）

圍護墻采用1 000 mm厚地下連續墻，墻底 （標高-40 m）嵌入中風化基巖。近地鐵側地連墻兩側采用Φ850@600三軸深攪樁槽壁加固，攪拌樁樁底標高-29.8 m，樁底進入3～5粉質黏土層。

為研究基坑施工對地鐵盾構隧道的影響，選取基坑與地鐵盾構隧道最近處斷面，采用有限元分析軟件ABAQUS-6.14建立二維計算模型進行計算分析。計算時，假設所有材料均為均質、連續、各向同性材料，土體分層均勻分布，采用Mohr-Coulomb+線彈性材料四邊形平面應變單元模擬；由于地下連續墻、內支撐變形較小，均采用線彈性二維梁單元模擬，地鐵盾構隧道管片之間不考慮螺栓連接，同樣采用線彈性二維梁單元模擬。初始應力考慮圍巖的自重及基坑周邊30 kPa施工荷載。計算工況主要為：（1）建立盾構隧道洞通后土層初始應力場； （2）施工地下連續墻（厚度1.0 m）；（3）開挖各層土方并架設對應支撐。基坑變形云圖、隧道水平位移變形圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 基坑變形云圖

圖2 隧道水平位移圖

其中近基坑側隧道最大水平位移約為11.2 mm （向基坑側），且存在一定程度的沉降、收斂變形，當前基坑方案導致隧道水平位移超過允許控制指標。

2.2.2 調整后設計方案 （近地鐵側三層地下室）

考慮基坑距離地鐵隧道較近，采用四層地下室時基坑底已位于地鐵隧道頂下方，深層土方開挖會加劇對地鐵結構的影響。結合項目地下室整體布局，對近地鐵側的地下室進行局部減層處理，由地下4層改為地下3層 （開挖深度減小4 m），調整后挖深為15.7 m，基坑底位于地鐵隧道頂上方。

采用同樣的方法進行有限元計算，該方案下基坑變形云圖、隧道水平位移變形圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 基坑變形云圖

圖4 隧道水平位移圖

根據計算結果，基坑側隧道最大水平位移約為8.7 mm （向基坑側），相較非減層方案，基坑水平位移減小約2.5 mm，降幅達22.3%。

2.3 地下水控制

在河漫灘地區，為了確保基坑開挖面穩定并提供施工作業面，深基坑需實施坑內降水。本工程范圍內3～6層為第二承壓含水層，埋深較大但承壓水頭高，有突涌風險。如圍護結構密封性不足，將引起周邊水位下降，導致隧道管片受力情況變化。本工程采用地下連續墻入巖隔斷承壓水，為了防止坑內減壓降水對地鐵隧道產生不良影響，在鄰近隧道范圍內，對處于3～6層第二承壓含水層范圍的地連墻槽段接縫，同時采用Φ2 400定角度180°大直徑高壓旋噴樁 （RJP樁） 進行接縫止水加強。封堵樁長度為11.1 m，樁頂為第二承壓水層上6.37 m，樁底為第二承壓水層下2.03 m。

3 隧道變形監測

3.1 零狀態普查

隧道沉降：相對于運營初期，項目段上行線最大沉降了2.5 mm，最大隆起0.3 mm；項目段下行線均為隆起，且最大隆起3.4 mm。

隧道水平直徑收斂：對項目段上下行線累計134環盾構管片進行了逐環觀測，并與標準盾構隧道直徑進行對比，其最大差值為29.4 mm。

隧道表觀病害：項目段上行線67環盾構隧道，9環存在隧道表觀病害，病害占比13.4%，項目段下行線67環盾構隧道，16環存在隧道表觀病害，病害占比23.9%，隧道表觀病害主要表現為螺栓孔、注漿孔及環縱縫管片滲漏。

3.2 變形監測內容

項目實施期間，采用人工結合自動化監測的方法對項目段隧道沉降、水平直徑收斂、靜態幾何變形等進行了長期監測，并對隧道表觀病害進行了巡查統計，監測范圍為基坑正投影段地鐵上、下行線隧道及兩端各外擴50 m （總長約200 m）。根據《城市軌道交通工程測量規范》（GB 50308—2008）[2]，監測基準網按Ⅱ級垂直位移監測控制網的技術要求，布設成閉合水準路線進行2次觀測。在基坑正投影段測點布置較密，累計布設了42個沉降監測點、28個隧道收斂監測環。

3.3 監測控制標準

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規程》 《城市軌道交通工程測量規范》，結合地鐵結構初始狀態，制定本項目實施期間地鐵隧道變形主要控制標準（見表1）。

3.4 監測結果

表1 監測控制標準表

基坑施工完成后 （出±0） 的監測數據顯示，地下室施工期間，地鐵隧道產生的累計沉降2.2 mm、水平收斂3.7 mm （相對標準圓24.1 mm），變形相對比較穩定；地鐵上行線、下行線隧道水平位移最大值分別為8.0、3.7 mm （向基坑側）。根據施工期間監測數據，將施工期間地鐵隧道水平位移歷時曲線繪制（見圖5）。

圖5 隧道水平位移曲線圖

將靠近基坑側的上行線隧道各施工階段水平位移累計值、水平位移變形速率統計如表2所示。

表2 各施工階段水平位移變化量

由圖5、表2可以看出，基坑施工期間，靠近基坑的地鐵上行線隧道水平位移明顯大于遠離基坑的下行線隧道；基坑三、四層土方開挖期間地鐵上行線隧道變形速率明顯大于一、二層土方開挖期間的變形速率，但總體變形在控制標準范圍內。監測數據表明，地鐵隧道變形與基坑退讓距離、開挖深度關聯度較大。

4 結論與建議

（1） 秦淮河漫灘區為南京典型軟土區域，土體力學性能較差，在該區域實施的深大基工程對地鐵隧道的影響較常規地區更為顯著，應嚴格控制基坑開挖深度及與地鐵隧道的距離；同時，在基坑圍護、土方開挖、降水階段須采取相應的地鐵保護措施。

（2） 本工程在采用了逆作法施工、地連墻支護+隔離樁、減小臨近地鐵側地下室深度、基坑內封閉疏干降水等多重措施后，有效減小了基坑施工對鄰近地鐵隧道的變形影響。

（3） 通過有限元模擬計算，減少臨近地鐵側基坑開挖深度可有效降低基坑施工對地鐵隧道的影響。實際監測數據也予以了驗證，建議類似地層條件下盡量減小臨近地鐵隧道的基坑開挖深度。

（4） 本工程采用的地下連續墻入巖隔斷承壓水，并對位于承壓水層范圍的地連墻接縫采用RJP高壓旋噴樁補強，基坑施工期間坑外水位最大下降值約0.8 m，符合本基坑隔斷坑內外承壓水聯系、封閉疏干降水的要求。