中穿運營地鐵重大風險基坑群變形模擬與監測分析*

張 麒，黃軍華，高丙山，姚文山，齊貫南

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

1 工程概況

1.1 整體概況

首創·天閱海河項目位于天津市地鐵6號線北運河站，占地面積10.91萬m2，總建筑面積43.595萬m2， 由南北A，B街坊6個基坑組成，包括住宅、酒店式公寓、地下車庫、寫字樓及相關附屬設施等。地下室及地上商業樓為框架結構，地上主樓為剪力墻結構(見圖1)。建設區域內與地鐵6號線北運河站有4個結合城市新建民用建筑修建的戰時可用于防空的地下室口，是全國首例在運營地鐵兩側進行結建上蓋的站城一體化綜合體。運營地鐵兩側進行不同深度基坑開挖。

圖1 工程整體效果

天閱海河項目地上建筑面積25.265萬m2，地下建筑面積18.330萬m2,共6個基坑，分4期建設，分別為1期、2期(2A，2B)、3期(3A，3B)、4期，其中第2，3期橫跨既有運營中的地鐵6號線(預留北運河站)，第1，4期處于地鐵保護區內。

1.2 基坑設計

天閱海河項目1，2B期為地下3層，開挖深度17.1m；2A，3A期為地下2層，開挖深度11.8m；3B期為地下3層，開挖深度16.6m；4期為地下3層，開挖深度17.7m，分期情況如圖2所示。

圖2 基坑群與地鐵結構關系

項目2A期基坑整體開挖深度11.8m，2B期基坑整體開挖深度17.1m。2A期基坑圍護結構為鉆孔灌注樁支護+2道鋼筋混凝土內支撐，2B期基坑圍護結構為鉆孔灌注樁支護+2道鋼筋混凝土內支撐,局部設置3道支撐支護形式，如圖3所示。基坑側壁安全等級為一級，因工程建設需要，2A，2B期同期對稱施工。地鐵兩側對稱基坑與地鐵結構剖面關系如圖4所示。

圖3 地鐵兩側對稱基坑與地鐵結構平面關系

圖4 地鐵兩側對稱基坑與地鐵結構剖面關系

1.3 水文地質條件

項目地處富水軟土地區，主要以雜填土、淤泥質土、粉質黏土為主，影響基坑水層的有潛水層和第一承壓水層，運營地鐵結構處于第一承壓水層,如圖5所示。

圖5 基坑水文地質條件

1.4 周邊環境

項目位于天津市河北區，東側為已施工完成的新建小區，距離基坑40.0m；南側為富堤路及京杭運河，距離基坑52.0m；西側建筑物距離10.0m，與市政道路距離7.0m；距西南側既有建筑物最近約10.0m，距外側富堤路約7.0m。地下管線距深基坑較遠，分布于東側新建道路上。

1.5 監測預警值設定

地鐵變形控制指標如表1所示。

表1 地鐵變形控制指標

基坑變形控制指標如表2所示。

表2 基坑變形控制指標

2 基坑風險分析

2.1中穿不同挖深軟土基坑群

運營地鐵兩側基坑開挖深度不同，開挖期間受不均衡側向土壓力影響極易引起地鐵側向位移，運營地鐵水平位移是工程控制難點之一。前期針對工程特點進行有限元模擬分析，經模擬驗算，區間隧道水平位移為12.97mm(2A→2B，預警值7mm)，車站主體水平位移為10.58mm(2A→2B，預警值6mm)，站體與隧道水平差異變形為0.8mm(2A→2B，預警值0.2mm)。

2.2 中穿軟土基坑群運營地鐵隆沉控制

經模擬反演，2A，2B期基坑開挖卸荷時最大隆起分別為60，84mm；基坑降水引起周邊沉降平均12mm，最大21mm；以上隆沉造成地鐵豎向變形達19.79mm(預警值12mm)。

2.3 地鐵車站和盾構區間連接處差異沉降控制

站體筏板+樁基礎結構為剛性體系，隧道區間管片結構為柔性體系，站體與隧道不同剛度沉降差異較大，經模擬反演地鐵車站與盾構隧道區間連接處差異沉降0.58mm，超出控制值(0.2mm)。

3 地鐵變形數值模擬

本工程模擬計算采用PLAXIS 3D建立整體三維有限元模型，如圖6所示。模型以線路方向為x軸，垂直方向為y軸，豎直方向為z軸。為消除模型邊界效應，x軸方向取480.0m，y軸方向取510.0m，z軸方向取60.0m。模型計算采用10節點四面體單元，共劃分521 934個單元，754 700個節點。

圖6 地鐵隧道計算模型

地鐵車站x向即水平位移最大值出現在地鐵車站東側地下連續墻中心處，呈現向3B期基坑移動趨勢。z向即豎向最大位移為隆起變形，出現在東側地下連續墻頂部靠近3B期東側基坑位置，因受到3B期基坑開挖影響較大，x負向水平位移最大值6.48mm，x正向水平位移最大值12.97mm；隆起變形最大值19.79mm，沉降變形最大值6.31mm；隧道最大水平位移10.58mm，最大上浮19.63mm。通過以上分析可知，車站變形受2B，3B期東側基坑開挖影響較大，在3B期施工過程中應加強監測車站，及時采取控制措施。

隧道x，y，z向豎向最大位移都出現在東側隧道靠近2B期基坑位置，最大位移皆向2B期基坑移動，這是由于2B期基坑開挖深度較深所致。因此，開挖2B期基坑時，需嚴格控制開挖，監控隧道變形，并采取針對性保護措施，減少變形。

2B，3B期東側地下3層基坑施工影響車站、區間隧道的程度如圖7和表3所示，因此施工期間應嚴格進行控制。

圖7 主要影響階段分析

表3 數值模擬分析結果 mm

根據數值模擬分析結果，基坑開挖對既有地鐵的主要影響在于車站主體、隧道豎向及水平位移、既有地鐵車站、隧道結構最大收斂值及站端隧道結構的變形。根據預測結果，以上6項均超過報警值，需予以控制。

4 地鐵變形數據智能分析

該項目基坑工程難度大、精度要求極高，常規的監測反饋方式不適用，基坑內部、基坑外部、地鐵隧道內部、地鐵外圍結構、地下水位等部位的1 100余項監測點位數據需進行整理耦合，并要實現實時反饋，工作量與難度極大。該項目通過智能監測系統，將各監測數據和地鐵監測數據同時納入系統進行自動分析，更容易找出發生問題的關鍵點，為應急提供準確的數據支撐，從而在監測角度保證地鐵運營安全，確保項目順利實施。

以天津市地鐵為例，目前為止已將所有地鐵施工中存在的應急措施、預案進行規整，累計達360余項，且在不斷完善中。地下結構施工存在諸多不確定因素，實施過程中會不斷根據出現的風險完善應急管理體系，并針對性制定預防措施，明確應急分工，以形成完整的應急預警聯動機制，保證第一時間采取各種應急措施實施控制，保證地鐵運行安全。

該項目通過智能監測系統同時納入地鐵和基坑監測數據，并進行自動分析，每天形成匯總數據及變形曲線，可及時反饋預警點、數據，并根據監測數據調整施工步序，采取應對措施。

1)基坑監測點布設 根據基坑周邊環境情況、水平位移基準點、監測點組成附合、閉合導線或導線網。在基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位布設監測點，在布設測斜管的對應頂部位置布設水平位移監測點，監測點水平距離≤20m。

2)運營地鐵監測點布設 在地鐵內采用智能監測系統實時監測地鐵，監測點平面布設如圖4b所示。監測內容包括地鐵結構及隧道豎向位移、水平位移、差異沉降、隧道收斂等。

3)智能一體化監測 采用智能一體化系統實時監測、分析、預警運營地鐵和基坑變形。通過高清PTZ攝像系統、智能化靜力水準測量監測系統、測量機器人智能監測系統和結構縫開合度智能化監測系統，實現地鐵結構主要變形指標智能化監測，系統控制基坑及地鐵變形，以確保地鐵運營安全。利用智能監測、分析系統，實現多點協作、信息共享、應急響應聯動，通過多源數據融合進行大數據統計分析，通過多端口通信方式實時共享信息，保證在基坑監測點位異變的第一時間傳遞有效信息，以精細化管理控制地鐵風險。

地鐵停運期間，定期巡查地鐵隧道內部，觀察變形較大點位發展情況，及時分析原因，并統計整理地鐵隧道內病害，分類比對智能一體化監測數據，校正智能監測疏忽點位，及時跟進處理異常點位。

4)信息化指導施工 利用模擬推演運營地鐵變形數值，對監測數據進行自動化實時趨勢分析，通過實際工況全景監控和報警應急處置系統，保證地鐵運營安全的智能化推演、分析、應急處置。

施工前，通過模型推演變形數據制定應急預案，智能一體化系統分析監測數據實時變化后發送給專家。專家通過系統向現場管理人員發送指令，指導現場管理人員安排下一步工作。應急處置過程中，通過系統查看人、材、機應急準備時間，可對現場做相應預處置和應急準備，如圖8所示。

圖8 智能一體化監測系統

比對關鍵點位的變化趨勢與模擬推演系統形成的控制點位趨勢，校正模擬推演控制點位變形數據，通過數據調整不斷真實化模擬推演。

5 實施效果

目前2A，2B期正施工地下結構；3A，3B期進入圍護結構及樁基施工階段，基坑施工期間地鐵各變形指標變化均在可控范圍內，變形數值較穩定。地鐵變形情況如表4所示。

表4 地鐵累計變形

地鐵豎向最大位移10.3mm、水平位移4.8mm，地鐵結構與隧道間差異沉降為1.7mm，如圖9所示。隨著土方開挖，地鐵變形逐步加大，開挖卸荷位置距地鐵結構不同，地鐵變形的變化速率存在明顯不同，變化曲線與模擬數據情況基本相符，如圖10所示。

圖9 地鐵變形情況

圖10 地鐵軌道變形曲線

在啟動抽降第一層承壓水后，地鐵出現0.4mm下降，有效緩解開挖卸荷引起的隆起變形。啟動堆載反壓后，地鐵存在近0.6mm下降，隨著土方開挖完成進入結構施工階段，地鐵變形得到有效控制，各項數據基本趨于穩定。

6 結語

在特級風險基坑施工中，及時、準確的監測數據是指導現場施工的有利依據，結合預定工況進行變形數據模擬，確定最不利點位，并采取智能化手段進行監測、分析，是控制基坑變形風險的有效手段，應加以推廣應用。