建筑基坑施工對地鐵結構安全性影響分析

唐曉天

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

隨著地鐵建設的發展，城市規劃建設中出現越來越多新建項目位于地鐵控制保護區范圍內的情況，如果在基坑施工過程中不采取針對地鐵保護的專項措施，輕則導致地鐵結構出現裂縫、局部滲水等情況，嚴重時將危及地鐵運營安全。

1 工程概況

成都某超高層建筑群基坑開挖深度23.35～30 m，基坑底主要位于中風化泥巖層，采用排樁+內支撐梁支護方式。已運營的地鐵1號YDK19+887.000～YDK20+160.850區間在基坑施工的影響范圍內，此段區間線路以18‰的坡度下坡，最大覆土厚度5.8 m，最小覆土厚度2.5 m，為明挖段現澆鋼筋混凝土框架結構，土釘支護及網噴支護。基坑開挖圍護樁邊線與地鐵區間標準段結構外皮橫向凈距離約13.7 m，與地鐵風亭結構外皮橫向凈距離約11.0 m。見圖1。

圖1 基坑與既有地鐵區間平面關系

地下水埋深5.50～7.50 m，相應高程478.49～480.15 m。基巖面在±0以下14～15 m，由于基巖面較淺,基巖頂面1～2 m范圍內地下水無法采用井點降水排出，必須在坑內設置排水溝和集水井，以明排疏干基坑表層的積水。故降水方案采用管井降水輔以坑內設置水泵進行明排。

根據相關規范規定，擬建工程施工界面與區間隧道間距均在1.0H～2.0H（H為基坑深度）之間，屬于較接近，擬建工程施工對區間影響分區位于強烈影響區。綜上所述，擬建工程對既有區間隧道的影響等級為一級。

2 安全性影響分析

基坑工程施工及超高層建筑建成對既有地鐵區間隧道結構會造成一定影響，對其進行安全性分析是本項目工作的重點。通過收集、整理和分析地勘、設計和現狀調查資料，運用數值分析、工程類比和專家評議等多種方法，預測施工引起既有地鐵區間結構的變形，同時考慮在該變形條件下既有區間結構的最終內力狀態，在此基礎上評價既有地鐵區間結構及運營是否安全。

2.1 分析方法

用于地下結構理論計算的力學模型主要有兩種：連續介質模型，即地層-結構模型；作用-反作用模型，即荷載-結構模型。具體到本工程，考慮到施工引起的區間結構沉降與地層關系密切，采用地層結構模型分析施工過程對區間結構的影響，使用Midas-GTS軟件，選取連續介質模型。

1）數值分析假定：施工期間既有地鐵區間結構僅考慮正常使用工況；基坑、地鐵區間結構與土體之間符合變形協調原則；基坑開挖、支護、降水施工處于良好控制中。

2）控制標準：地鐵明挖區間結構水平位移預警值不超過6 mm，控制值不超過10 mm；結構豎向位移預警值不超過6 mm，控制值不超過10 mm；軌道橫向高差移預警值不超過2 mm，控制值不超過4 mm［1］。

2.2 模型建立

本次計算采用三維模型［2］。模擬區域長310 m、寬220 m、深70 m；土層厚度：填土2.0 m、黏土4.8 m、細砂4.8 m、稍密卵石土1.9 m、中密卵石土1.4 m、強風化泥巖2.2 m、中風化泥巖20 m。見圖2。

圖2 計算模型

采用四面體模擬實體單元；地鐵區間結構采用殼單元模擬；圍護結構換算成等剛度墻，采用板單元模擬；基坑內支撐、腰梁及雙排樁之間的連梁采用梁單元模擬。圍巖在開挖過程中考慮塑性變形，破壞準則采用修正摩爾-庫倫彈塑性準則，地鐵區間結構和地塊圍護結構僅考慮彈性工作，采用線彈性本構關系。

根據地質報告提供的參數及工程經驗，考慮安全性分析需要，對一定深度范圍內巖土類別相近的土體進行了合并，對土層參數進行綜合取值。基坑圍護樁和混凝土支撐采用C30鋼筋混凝土，地鐵明挖區間框架結構采用C35鋼筋混凝土。

模型計算荷載主要包括：自重、土壓力、水壓力、超載、建筑物上部結構荷載。

2.3 計算工況

考慮基坑施工過程中將會進行坑外管井降水，建成后，地下水回升，基坑降水會對區間結構變形有一定影響，模擬計算過程中考慮地下水位差的作用，區間西側降水至地面以下約8.5 m，東側降水至地面以下約5.5 m。計算工況如下［3］：

1）地層及既有地鐵區間模型建立及計算（初始工況）；

2）樁基施工，鄰近地鐵區間側注漿加固；

3）降水至地面以下約8.5 m；

4）基坑整體分層開挖至地面以下3.5 m；

5）基坑整體分層開挖至地面以下10.5 m；

6）預留核心土，T2、T3區域分層開挖至坑底；

7）T1區域施工，架設第1道混凝土支撐，開挖至第2道支撐處；

8）T1區域架設第2道混凝土支撐，開挖至坑底；

9）基坑回筑，T1區域施工B1～B4地下室，依次拆除混凝土支撐；

10）核心土上部分開挖至地面以下14.1 m，架設豎向斜撐；

11）核心土下部分開挖至坑底；

12）基坑回筑，T2、T3區域施工B3～B4地下室，拆除豎向斜撐；

13）T2、T3區域施工B1～B2地下室；14）回筑完畢，加載上部結構荷載。

以上各工況僅考慮施工全過程中的最不利階段，計算重點分析基坑開挖卸載過程對既有地鐵區間結構的影響。

2.4 計算結果

1）區間結構變形值見表1。

表1 既有區間結構變形mm

2）區間結構內力值見表2。

表2 既有區間結構底板內力

在基坑開挖及回筑過程中，區間結構最大水平位移3.44 mm、最大豎向位移3.17 mm，區間軌道橫向高差最大值為0.01 mm，均滿足控制值要求。既有區間結構內力變化較小，能滿足受力要求。

3 結論及建議

在超高層民建項目基坑施工控制良好的情況下引起的結構受力、位移變化較小，未超過規范規定安全控制值，可認為該工程實施對既有地鐵區間結構在預測變形范圍內是安全的，可滿足地鐵安全運營的要求。

同時數值計算也反映出，降水和基坑開挖至坑底兩個工況對地鐵結構變形影響較為明顯，故提出如下建議：

1）在基坑開挖、支護、主體回筑階段應該嚴格控制各項施工質量，確保基坑自身安全；

2）降水施工應嚴格控制出砂率，設置地下水回灌井，以減少地鐵明挖結構兩側的水位差；

3）土方回填時，主體結構與地下室外墻之間的肥槽分層回填密實，在條形基礎外部以及樓板板面標高處采用素混凝土回填，保證側向土壓力的傳遞，防止拆撐過程中地鐵側圍護結構變形；

4）合理安排土方開挖和支撐的施工，保證支護體系的均勻、對稱受力；

5）聘請專業監測機構對基坑和地鐵區間同步進行自動化監測，由施工引起的地鐵區間內巡視和監測應持續至基坑回筑到地面后1月；

6）基坑施工前，制定完善的施工組織設計和應急預案，在基坑開挖過程中遇地鐵區間位移預警，應啟動應急措施，控制區間位移。