地鐵隧道正上方基坑施工地鐵保護技術研究

陳俊林，祖公博，曾小輝，胡 亮，曹 智

(中國建筑第二工程局有限公司 華南分公司，廣東 深圳 518000)

隨著城市發展的加速，越來越多的基坑項目正在接近地鐵，這些項目會對周圍的土體造成卸載，從而導致相應的變形[1-2]，特別是位于地鐵正上方的基坑開挖項目，由于大面積的土體卸荷，隧道在地下水的浮力和土體的回彈作用下，可能會出現明顯的上浮，從而導致隧道結構的內力發生變化，甚至出現開裂或滲漏等問題，因此，研究基坑開挖過程中的地鐵保護技術顯得尤為重要，以確保隧道的安全性和穩定性。過去，在地鐵側面的基坑開挖方面的研究較為深入[3-5]，但是在地鐵正面，特別是近距離開挖的基坑項目中，關于地鐵的保護研究卻相對較少。本研究以距離運營地鐵僅3.2m 的某超高層基坑項目作為應用對象，借助有限元模擬，深入研究了地鐵保護的相關考慮因素和施工技術手段，為其他上跨運營地鐵項目的實施提供參考和借鑒。

1 工程概況及地鐵保護目標

某超高層項目位于深圳市羅湖區，基坑下有深圳地鐵9#線，隧道自北向南為出站區間，隧道頂高程自本工程基坑北至南變化范圍約為-3.474～-5.302m，基坑底到隧道頂最近垂直距離約為3.2m，支護樁底距隧道頂最近垂直距離約為1.3m，工程樁距隧道管片最近水平距離為3.5m，見圖1。

圖1 地鐵與基坑位置關系

《深圳省市軌道交通控股公司軌道交通運營安全保護范圍和建設工程規劃控制區施工辦法》規定：①可能造成的車站、隧道結構的絕對沉降和水平位移應小于10mm；②其外墻承受的壓力應小于10kPa。

項目比鄰在建地鐵線路和運營地鐵線路，需提前規劃機械設備行車路線和施工時機械設備擺放位置，不僅要滿足對地鐵影響最小條件并要保證設備操作安全可靠。

項目所在區域地下水的種類包括孔隙水、受壓水以及來自基巖的滲透水，地下水的埋藏深度較淺，年變化范圍在0.5～2m 之間。施工時需考慮地下水對土壓力的影響。

2 隧道上方超近距基坑的地鐵保護方案

2.1 工程樁施工

通過使用全回轉全套管鉆機的回轉裝置，可以有效地降低鋼套管與土層之間的摩擦力，同時可以通過旋挖或旋挖鉆的方式，將套管深入到樁端持力層，從而實現挖掘的目的。在挖掘完成后，應立即進行深度測量，以確保樁端持力層的準確性，并且要及時清理掉所有的虛土。將鋼筋籠安裝在鉆孔中心，然后將導管固定在其上，最后用混凝土澆筑成樁。

2.2 抗浮結構

采用抗拔樁結合抗隆起板門式抗浮結構，坑內采用四攪兩噴工藝單軸攪拌樁，格柵布置，加固范圍為基坑底至距地鐵隧道頂不少于1.5m（圖2）。

圖2 地鐵專項保護剖面圖

2.3 分條開挖

按照1～6 的順序依序放坡分條開挖，坡率1∶0.5 至1∶1，每條挖至坑底施工混凝土底板完畢，等待48h 后，開挖下一條，見圖3。總體開挖思路為先清表后分條分層分塊開挖澆筑底板混凝土。

圖3 基坑分條開挖方式

因地下水位較高，為減輕地下水位變化對地鐵產生不利影響場內共設置24 個降水井、12 個回灌井。且基坑開挖前需完成坑內集水井和基坑周圍回灌井施工，并進行降水實驗，確保能有效控制地下水位情況。

3 基于有限元的隧道變形分析

使用MIDAS/GTS NX 這款關于巖石和隧洞的專業有限元分析軟件，采用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）彈塑性理論來研究土壤的組成，并將其應用于襯砌結構，以確保其具有良好的線彈性特征。

為考慮地下水位變化的影響，本次模擬采用應力-滲流三維耦合模型，計算模擬過程：地應力平衡（初始應力狀態）+初始滲流場模擬+既有區間隧道施工（位移清零）→基坑圍護結構施做→基坑降水及基坑開挖。

各結構的線彈性本構關系的輸入參數為彈性模量E和泊松比μ。土體的德魯克-普拉格（Drucker-Prager)彈塑性模型模擬的是彈性—完全塑性的本構關系。應力在達到屈服點前與應變成正比例關系，超過屈服點時應力—應變關系為水平線。

德魯克—普拉格模型的屈服函數

德魯克-普拉格（Drucker-Prager)模型的輸入參數為彈性模量E、泊松比μ、粘聚力C、內摩擦角φ。

選取計算的模型長寬高分別為180m×160m×60m，基坑采用“放坡”、“微型樁”及“攪拌樁+內插的工字鋼”的支護方式。

本次三維數值計算分析模型中，土體采用實體單元模擬，本構模型為德魯克-普拉格（Drucker-Prager)彈塑性模型；地鐵隧道結構采用板單元模擬，本構模型為彈性模型，按照工程設計方案中構件實際截面特性確定，支護樁根據剛度等效原則確定截面尺寸。為考慮地下水位變化的影響，本次模擬采用應力-滲流三維耦合模型，通過在模型中施加節點水頭的方式達到模擬不同水位的目的。模型前后左右邊界固定水平位移，底部邊界固定水平豎向位移，上部邊界為地表自由面，自重荷載取重力加速度?；硬捎? 分層開挖，如圖4～圖7 所示。

圖4 初始地應力形成

圖5 軌道結構建成

圖6 基坑支護施工并開挖第一層

圖7 基坑開挖到底

軌道最不利情形為基坑開挖到坑底階段，軌道變形云圖如圖8 所示。當基坑開挖至坑底后，基坑及地鐵隧道結構發生的變形最大，因土方開挖及水位變化引起的地鐵隧道結構的最大水平變形為1.03mm；地鐵隧道結構的最大豎向變形為3.46mm。理論計算結果滿足深圳市地鐵安保區控制指標要求。

4 信息化監測

采用信息化施工措施，對地鐵變形進行監測，即時調整施工節奏，具體如下。

1)在地鐵隧道內布置監測點，監測斷面間距6m，每個斷面5 個監測點，淺基坑地鐵隧道監測范圍為地塊內的2 條隧洞，且不小于3 倍基坑深度范圍，本基坑為10～20m 范圍內；基坑共計48個斷面。

2）通過有效的監測與協調，充分利用監測數據，不斷優化施工工藝和流程，實現信息化施工，以確?；邮┕さ陌踩院陀行?。

3）為了確?；拥陌踩唾|量，我們將嚴格執行監測，由專人負責記錄、整理和分析，并依據監測結果制定下一步施工計劃。此外，我們還將加強對場地范圍內地鐵軌道的目視巡查，在相鄰支護結構施工和土石方開挖時，每8h 進行一次巡查，以便及時發現和處理異常情況。

項目累計檢測結果最大水平變形為1.68mm；地鐵隧道結構的最大豎向變形為3.96mm，略大于模擬值，考慮施工過程中前期累積，整體與預測規律相符，地鐵最終變形小于地鐵安保區施工規定。

5 結論

根據工程實例，本文研究了地鐵隧道正上方超近距的地鐵保護基坑開挖方法，及其對地鐵隧道變形的影響。

1）本研究應用了全套筒全回轉樁基施工方法、坑底加固、分條開挖施工工藝、抗隆起板基坑變形控制、信息化施工等方法，對地鐵變形進行了有效控制。

2）在施工前采用了三維數值分析，從理論上驗證了在近地鐵上方進行淺基坑施工時采用“攪拌樁+內插的工字鋼”的支護形式，在基坑變形方面和對地鐵隧道影響方面都是可行的。

3）從地鐵監測結果表明，整個施工階段，采用本方法地鐵隧道變形值最大為3.96mm 遠小于地鐵保護要求的10mm 變形量。說明本研究采用的方法對于地鐵變形控制有效，可為其他類似項目提供借鑒和參考。