臨地鐵區間環境下富水地區基坑工程設計的探討

張 杰 ，沈曉偉 ，韓春雷 ，李季佩 ，藍 天

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

0 引言

近年來，地鐵的建設帶來了地鐵周邊土地的商業開發，目前南京地鐵已開通運營線路10 條，在建線路12 條，線路總長度位居國內第四，初步形成了覆蓋市內所有區縣的地鐵線網。受地鐵沿線土地開發增值的影響，地鐵隧道臨近項目深基坑工程呈現出數量越來越多、規模越來越大、深度越來越深、與地鐵凈距越來越小的趨勢，由此帶來的安全隱患和安全事故屢見不鮮。因此，如何合理進行基坑設計和設置針對性保護措施，以保證地鐵變形處于可控范圍內是關鍵所在。

Kojima Yoshiyuki 等[1]、劉庭金[2]、肖同剛[3]結合大量現場基坑工程實例，通過現場監測及結果分析等詳盡分析了如何在基坑施工時有效控制地鐵隧道變形相關措施。侯凱[4]結合有限元模擬和實測數據對比分析發現采取加強基坑支護結構側向剛度、支撐整體剛度、被動區加固、基坑劃大坑為小坑等措施可有效控制地鐵結構變形。

1 項目背景

1.1 工程概況

擬建地塊位于區間隧道北側，最近處距離下行線（左線）隧道結構外皮為17.0 m；

基坑開挖面積約為22 000 m2，圍護結構周長約為650 m，開挖深度約為9.0 m~10.7 m。

近地鐵側基坑采用800 mm 厚地下連續墻，其余側采用Φ900@1 100 mm 或Φ1 000 @1 200 mm鉆孔灌注樁+800 mm 厚TRD 水泥土攪拌墻。其與地鐵盾構區間相對位置關系圖如圖1~圖2 所示。

圖1 基坑工程與地鐵結構相對位置平面圖（m）

圖2 基坑工程與地鐵結構豎向關系圖

1.2 地質概況

項目擬建場地位于南京河西長江漫灘區，對應地鐵隧道主要穿越粉細砂層，土層具體參數見表1。

表1 土層參數

2 風險等級

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規程》[5]CJJ/T 202—2013，本基坑工程與地鐵隧道結構的接近程度為“較接近”，外部作業的工程影響程度屬于顯著影響區（A），因此近地鐵側基坑影響等級劃分為“一級”；由于擬建場地屬于長江漫灘地貌單元，地質條件較差，故將本基坑項目外部作業影響等級提高一級。

3 基坑降水影響分析

3.1 坑外水位變動對地鐵隧道影響

1）計算模型

采用PLAXIS2D 軟件建立平面應變有限元模型，土體采用莫爾-庫倫模型，地鐵區間采用板單元模擬，盾構區間外徑為Φ6.6 m，厚度0.35 m。將坑外地下水位變化依次按 0.28 m，1 m，3 m，5 m，10 m 降深模擬，如圖3~圖7 所示，得到對應水位降低引起地鐵盾構區間的變形位移。

圖3 水位降低0.28 m 時模型圖

圖7 水位降低10 m 時模型圖

2）計算結果

不同水位降深對應引起地鐵盾構區間變形位移結果見表2。

表2 不同水位降深下地鐵區間位移變形

圖4 水位降低1 m 時模型圖

圖5 水位降低3 m 時模型圖

圖6 水位降低5 m 時模型圖

由表2 可以看出，坑外地下水位降低對地鐵盾構區間變形影響比較大，當地下水位降低5 m 時，地鐵盾構區間最大水平位移達到1.87 mm，最大豎向位移達到10.37 mm，僅僅地下水位變化就已經超過了地鐵盾構區間變形允許的范圍。因此，臨近地鐵區間的基坑應嚴格控制坑外地下水變化，有條件的情況下應優先選擇封閉性降水方式。故本項目采取地連墻和TRD 落底式帷幕，避免因坑內降水引發坑外地下水位的變化。

3）三維滲流模擬

為進一步說明，地下連續墻和TRD 落底式降水的可靠性，本文采用三維滲流計算軟件Visual MODFLOW 進行分析，計算模型如圖8 所示。

圖8 數值模型剖分圖

從圖9~圖10 可知，坑外水位降深最大不超過0.28 m，地表沉降約為0.5 mm，故基坑降水對周邊環境影響較小。該沉降結果與上文水位降深0.28 m計算結果相一致，也很好佐證了軟件的可靠性。

圖9 坑內外水位降深等值線（mm）

圖10 坑外沉降等值線（mm）

4 基坑施工對地鐵影響二維分析

4.1 土體加固施工對地鐵區間影響

1）計算模型

土體加固會產生對周邊土體的擾動，且攪拌樁施工后未硬化時其強度較低，可能會引起周圍土體的側向變形。為研究土體加固施工對地鐵盾構隧道的影響，本文將加固體范圍內土體參數降低，以模擬攪拌樁硬化之前性質，如圖11 所示。

圖11 地墻槽壁及被動區加固模型圖

2）計算結果

由圖12 可看出，土體加固時在加固范圍下方會產生一定的沉降，達到4.24 mm，但地鐵盾構隧道的位移值非常小，最大水平位移為0.125 mm，最大豎向位移為0.095 mm，故土體加固對地鐵盾構隧道的影響較小。

圖12 地墻槽壁及被動區加固變形云圖（×10-3 m）

4.2 基坑開挖對地鐵區間影響

為研究土體加固對基坑開挖時的有利作用，本文分別針對基坑有、無土體加固情況下對地鐵盾構區間的影響。

1）計算模型

本文分別建議無加固時基坑開挖對地鐵隧道影響、有加固時基坑開挖對地鐵隧道影響，具體模型如圖13~圖14 所示。

圖13 無加固時基坑開挖模型圖

圖14 有加固時基坑開挖模型圖

2）計算結果

從表3 可知，有土體加固情形下基坑開挖至設計標高時，地鐵盾構區間最大水平位移為1.62 mm，最大豎向位移為0.655 mm。相比無土體加固情形下基坑開挖至設計標高時，地鐵盾構隧道的最大水平位移為2.26 mm，最大豎向位移為0.829 mm。所以，土體加固措施可實現有效減小基坑開挖引起的地鐵盾構區間水平、豎向位移，土體加固對地鐵盾構區間有很好的保護作用，實施土體加固是有必要的。

表3 基坑開挖對隧道的影響對比 mm

5 基坑施工對地鐵影響三維分析

5.1 計算模型

采用MIDAS-GTS 三維數值模擬軟件，土體采用修正Mohr-Coulomb 模型。區間管片采用板單元，地連墻采用殼單元，冠梁、支撐和立柱均采用梁單元。計算模型如圖15 所示。

圖15 基坑與地鐵隧道模型圖

5.2 監測控制標準

根據《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》[6]DGJ 32—J 195—2015，基坑開挖期間引起地鐵區間結構變形控制標準見表4。

表4 地鐵區間隧道變形控制值 mm

5.3 計算結果

由表5 可知，開挖引起的區間豎向累計最大位移為-1.0 mm＜10 mm，考慮降水分析中降水引起區間沉降0.57 mm，區間總沉降為-1.57 mm＜10 mm，開挖引起的區間累計最大水平位移2.2 mm＜5 mm，降水引起區間水平位移0.1 mm，區間總水平位移2.3 mm＜5 mm，均滿足規范要求，故本項目采取的措施能滿足地鐵結構及運營安全。

表5 基坑開挖過程中隧道變形情況 mm

6 結論

本文通過有限元模擬，從基坑降水、圍護施工及土方開挖3 個方面，討論了對地鐵盾構區間的影響及安全控制措施。

1）坑外地下水位降低對地鐵盾構區間變形影響比較大，當地下水位降低5 m 時，地鐵盾構區間最大水平位移達到1.87 mm，最大豎向位移達到10.37 mm，已經超過了地鐵盾構區間變形允許的范圍。因此，臨近地鐵區間的基坑應嚴格控制坑外地下水變化。

2）采用地連墻和TRD 落地式帷幕可有效解決基坑降水對隧道結構影響，坑外水位降深最大不超過0.28 m，地表沉降約為0.5 mm，地鐵盾構區間最大水平位移達到0.10 mm，最大豎向位移達到0.57 mm，故基坑降水對周邊環境影響較小。

3）土體加固施工對區間結構影響較小，地鐵盾構隧道最大水平位移為0.125 mm，最大豎向位移為0.095 mm，故土體加固對地鐵盾構隧道的影響較小。但基坑開挖工況下，有土體加固情形下地鐵盾構區間最大水平位移為1.62 mm，最大豎向位移為0.655 mm。相比無土體加固情形下地鐵盾構隧道的最大水平位移為2.26 mm，最大豎向位移為0.829 mm，地基加固對控制基坑變形有很好的效果。

4）三維分析中將降水、地基加固均納入考慮，基坑開挖引起的區間豎向累計最大位移為-1.0 mm，考慮降水分析中降水引起區間沉降0.57 mm，區間總沉降為-1.57 mm，開挖引起的區間累計最大水平位移2.2 mm，降水引起區間水平位移0.1 mm，區間總水平位移2.3 mm，均滿足規范要求。

本文可為類似的富水地區臨地鐵結構進行基坑工程設計和建設提供一定借鑒，更好實現基坑變形控制以確保地鐵結構及運營安全。