基坑及群樁基礎施工對鄰近地鐵盾構區間的影響

康 佩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著我國城市建設的迅猛發展，越來越多的基坑施工鄰近地鐵區間隧道，基坑及樁基施工極易引起周邊土體擾動，使相鄰的隧道結構產生較大的附加內力和變形。已有許多學者進行了相關研究，丁智等通過數值分析的方法研究了不同相對位置關系、隧道埋深、樁身直徑對軟土地區相鄰既有地鐵盾構區間的影響[1]。徐云福等通過對試樁周圍土體深層水平位移、隧道結構豎向位移和沉降進行現場監測，得到橋樁附近地鐵盾構隧道和周圍土體的變形趨勢[2]。楊敏等認為荷載作用下單樁基礎對既有隧道的影響有限，但群樁對既有地鐵隧道的影響需要關注[3]。在此基礎上，以長沙市黎托生態公園項目項目為例，對其基坑開挖及群樁基礎對所穿越的多條既有地鐵區間隧道的影響進行分析。

1 工程概況

1.1 周邊工程概況

黎托公園位于長沙市高鐵新城核心區，公園周邊環境條件復雜，公園下方大規模群樁基礎鄰近地鐵二號線及四號線盾構區間。區間均為單洞單線盾構隧道，線路方向為東西向。基坑平面范圍內隧道結構頂高程為+16.170～+20.060 m，樁基距離區間結構水平距離為2.54～7.13 m，且部分樁底埋深超過地鐵結構頂部。

1.2 基坑概況

公園園區從南向北分為A區、B區、附屬坡道和通道等(如圖1)。A區包含地下停車庫及附屬地面建筑物；B區包含下沉廣場及地面建筑物。在地下車庫完成回填后，坡道、人行通道、南連接通道與B區下沉廣場同時施工。主體基坑支護設計深度5.5～13.0 m，基坑開挖前應整平至場地設計高程+37.300 m(如圖2)。

圖1 黎托生態公園基坑與地鐵區間平面關系

圖2 黎托生態公園基坑與地鐵區間立面關系(單位：m)

將地鐵周邊10 m范圍內劃為地鐵影響區，地下結構分為兩個階段施工。一階段：開挖影響區外地下車庫基坑，完成地下停車庫主體結構及基坑回填。二階段：開挖影響區內下沉廣場、坡道及連接通道，進行該部分主體施工，基坑回填后施工地上結構。負一層下沉廣場采用放坡支護，負二層地下車庫采用土釘墻支護。場地平整之后，先施工止水帷幕，再進行基坑開挖。

1.3 樁基概況

在上跨地鐵區間范圍內，基坑內樁基長度為10～14 m，樁身直徑為0.8～1.8 m。地鐵影響區范圍內采用人工挖孔，地鐵影響區范圍外，采用旋挖鉆成孔。保護區內樁基礎與地鐵隧道之間距離為2.54～7.13 m，如圖3、圖4。

圖3 黎托生態公園樁基礎與地鐵區間平面關系(單位：mm)

圖4 黎托生態公園樁基礎與地鐵區間立面關系(單位：m)

1.4 工程地質情況及水文條件

本區間穿越的地層從上到下主要為雜填土、粉質黏土、粉土、卵石、泥質粉砂巖等。各地層工程地質參數見表1。基坑開挖前，于基坑周邊打設高壓旋噴樁作為止水帷幕。

表1 工程地質參數

2 計算模型及參數

2.1 計算方法

采用巖土與隧道有限元分析軟件MIDAS GTS NX進行數值模擬分析。計算時假定土體為均勻連續介質，區間結構采用板單元模擬，在模型底部施加豎向固定約束，模型四周施加法向位移約束，地表為自由面。土體采用Mohr-Coulomb準則，隧道結構采用線彈性本構關系。

2.2 模型建立

為簡化計算，選取距離地鐵較近的部分區域建立基坑、樁基及地鐵區間結構三維模型，以地鐵線路方向為X軸，南北方向為Y軸，豎直方向為Z軸(在X方向取121 m，Y方向取192 m，Z方向取40 m)，模型共包含131 223個單元，66 595個節點。

圖5 三維模型網格劃分示意

圖6 地鐵區間及公園樁基分布示意

2.3 計算工況

開挖后施作公園群樁基礎，待公園主體施工完成且滿足齡期要求后，進入運營階段。鑒于地鐵保護區域外樁基施工對地鐵影響較小，對分區域開挖進行簡化，模型中僅考慮地鐵保護區域內的支撐樁，具體工況見表2。

表2 計算工況

為得到基坑施工過程對車站區間結構產生的附加影響，將施工過程分為兩個階段6種工況(見表2)，并將工況1位移歸零(作為初始狀態)。

由于施工過程中可能會出現實際地質情況發生變化的現象，地層變化會導致樁基礎的長度發生變化，故在上述工況的基礎上，進一步分析樁長變化對地鐵區間隧道的影響。

3 計算結果及分析

3.1 基坑施工及公園運營階段

(1)計算結果

隨著基坑開挖，隧道上方土體出現大范圍連續卸載，隧道結構呈現隆起趨勢，最終計算結果如圖7～圖10所示。因樁底持力層為強風化泥質粉砂巖層，且隧道所處地層為強風泥質粉砂巖及中風化泥質粉砂巖，由以往研究[4-8]可知，土體壓縮模量較大，土體變形較小，進而引起的地鐵隧道結構變形也相對較小。

圖7 工況6樁基壓力作用下地鐵隧道結構X方向位移

圖8 工況6樁基壓力作用下地鐵隧道結構Z方向位移

圖9 樁基拔力作用下地鐵隧道結構X方向位移

圖10 樁基拔力作用下地鐵隧道結構Z方向位移

工況1～6下，地鐵隧道結構水平及豎直方向位移變形值如表3所示。由計算結果可見，從基坑開挖到公園運營過程中，既有線隧道結構的水平位移較小，豎向位移較大。2號線的最大水平位移為1.04 mm，豎向位移為上浮3.75 mm；4號線的最大水平位移為1.04 mm。

表3 各工況下地鐵隧道結構變形 mm

(2)變形控制標準

通過對比國內外相關技術標準可知，國內外對既有地鐵結構的變形控制標準多為±(5～10) mm。結合本工程實際特點，綜合運營安全要求及變形預測結果，同時考慮到施工、現有常規測量儀器的檢測精度等綜合原因[9-12]，確定該地鐵隧道結構水平變形控制值為±5 mm，豎向變形控制標準為上浮5 mm，下沉10 mm。

(3)結果分析

由上述分析可知，兩線地鐵隧道的水平和豎向位移最大值均小于控制值。此外，由樁基與地鐵的位置關系可知，1A-13軸及其附近樁基距離地鐵隧道最近，單樁承載力最大，距離樁基最近的2號線左線區間隧道位移均為最大值。雖然群樁基礎與地鐵隧道結構距離較小，但地鐵影響區范圍內樁基采用人工挖孔的方式，對地層擾動較小，引起的地鐵結構變形可控，這與李宇升等的研究成果一致。既有研究表明，樁間擠土效應可在一定程度上降低地鐵結構的變形[13-15]。

3.2 樁長變化影響趨勢

結合上一節計算結果，分析不同樁長對地鐵區間隧道的影響。在公園運營期間豎向荷載作用下，不同樁長樁基承載后地鐵區間隧道變形值見表4。

表4 不同樁基深度隧道結構變形 mm

由表4可知，隨著樁長變大，樁基對隧道的影響逐漸減小，樁長由隧道頂至隧道底變化的范圍內，地鐵2號線區間隧道的水平位移變化差值為0.11 mm，豎向位移變化差值為0.03 mm；地鐵4號線區間隧道的水平位移變化差值為0.10 mm，豎向位移變化差值為0.02 mm。樁長最短情況下，地鐵區間隧道水平位移最大值為1.15 mm，豎向位移最大值為3.77 mm，均小于位移控制值。據此推測，樁長變化對管片內力影響亦較小，由此可知，在運營期間豎向荷載作用下，樁長變化對區間隧道的影響基本可以不計。

4 結論及建議

(1)在黎托生態公園基坑施工過程中，因所處地層較好，其鄰近的地鐵2號線與4號線區間隧道結構變形均在可控范圍內，施工方案可行。

(2)隨著樁長的加深，樁基施工引起的土體擾動及應力重分布對相鄰地鐵隧道的影響逐漸減小，若施工過程中發現地層與勘察資料不符的情況，可適當調整樁基深度。

(3)通過有限元分析可模擬公園基坑施工及運營階段對鄰近風險工程的影響趨勢，提前預測最大變形發生的薄弱位置，預測結構受力狀態，對工程建設有一定的指導作用。

(4)由于理論計算與實際施工存在一定的差異，實際施工過程中應加強監控量測，密切關注監測結果，若發現地鐵區間變形過大，應及時根據實際情況及時調整設計及施工參數，以確保工程順利進行。