鄰近地鐵施工明挖隧道基坑安全影響控制研究

摘要：文章針對基坑施工過程對臨近地鐵高架橋的不利影響，分析基坑自身安全穩定性及基坑開挖的不同階段對鄰近高架橋樁水平位移變形及沉降的影響，并根據評價結果提出地鐵保護的應對措施，在施工過程中采取分坑分層開挖、鉆孔灌注樁+止水帷幕+鋼支撐軸力伺服系統的圍護措施+隔離樁保護措施，保證基坑自身安全與穩定的同時，將基坑開挖施工對高架橋墩基礎的影響降到最低，可為同類型基坑工程建設提供借鑒和參考。

關鍵詞：明挖隧道；側穿地鐵橋樁；基坑圍護；變形控制

中文分類號：U455.2A401285

0引言

隨著城市地下空間開發建設密度越來越大，市政道路隧道不可避免地交叉穿越已建成的軌道交通線，對周邊環境的影響與保護，是深基坑工程所面臨的重要課題。因此，需要采取針對性的設計、施工專項方案才能保證工程建設順利進行［1-3］。針對該類基坑工程的特點，許多學者［4-6］采用了如地下連續墻、水平支撐、隔離樁及坑底土體加固、跳倉法開挖等方法，以減小基坑開挖對周邊環境尤其是地鐵車站、高架橋梁的干擾。

汪彬［7］分析了既有高架橋下施工存在的風險及安全保障措施。宗晶瑤等［8］探討了圍護結構的插入比、設置內支撐的數量、隔離樁及基坑與高鐵橋墩距離四個因素對高鐵橋梁變形的影響。吳楠等［9］分析了基坑平面布置、深度、數量等因素下軟土地區基坑群對鄰近地鐵結構的變形影響。劉尊景等［10］統計、分析杭州地鐵沿線基坑工程案例，總結了與基坑建設類型相適應的地鐵保護措施。汪小林［11］通過合理選擇基坑圍護體系、優化支撐布設、設計土方開挖、調整支撐與拆除時序以及注漿加固等措施，確保了基坑施工期的安全。張子新等［12］采用精細化三維數值分析、室內試驗和現場實測等方法，對近距離開挖卸荷引起的高架橋墩響應進行研究。本文分析隧道基坑施工對鄰近地鐵高架橋水平位移及沉降的影響，并提出相應的保護措施。

1項目概況

某市快速路隧道工程按雙向六車道標準設計，沿既有城市道路下方敷設，其中下穿一處地鐵高架橋。橋梁結構形式為37 m+60 m+37 m連續箱梁，橋墩尺寸為3 m×2.2 m，橋墩承臺設5根樁徑為1.5 m、樁長為66 m的鉆孔灌注樁，橋下凈空約14.5 m。

2工程地質水文地質情況

2.1工程地質

根據地質勘察成果，隧址區勘探深度范圍內總體土質一般，基坑開挖范圍內為粉質黏土、黏土，隧道底板位于1a、1b層、1-1層、1-2層、2-1層、2-1a層、2-1b層及2-1c層，各土層具一定差異性，屬不均勻地基。開挖深度內土體穩定性差～一般。特殊性巖土主要為表層填土、軟（弱）土，無不良地質現象。

2.2水文地質

（1）項目區內河流眾多，灌溉溝渠密布，區內地表水與地下水聯系密切。

（2）隧址區地下水主要為第四系孔隙潛水及弱承壓水。孔隙潛水主要賦存于淺部松散地層中，與地表水存在緊密的水力聯系，受大氣降水補給；弱承壓含水層主要分布于2-1c層、3-1c層及4-1c層砂性土層中，其上下發育有厚度較大黏性土隔水層。鉆孔混合水穩定水位埋深為1.40～4.70 m，水位標高為0.10～3.40 m，3-1c層承壓水位埋深約5.70 m，穩定水位標高約為-2.32 m。

對各巖土層鉆孔分層及各土層物理力學特征進行分析選用，其主要物理力學指標見表1。

3隧道基坑圍護方案

3.1基坑圍護標準要求

為減小該工程基坑施工對地鐵的影響，根據相關規范及地鐵保護要求，對基坑安全及側壁變形提出控制要求如下：

（1）基坑安全等級：一級（10 m以上）。

（2）圍護結構重要性系數：1.1（一級）。

（3）圍護結構設計使用期限：2年。

（4）基坑側壁變形控制保護等級定為一級，圍護結構最大水平位移≤0.18%H，且≤30 mm，地表最大沉降≤0.15%H。

3.2基坑開挖影響等級

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）、《軌道交通結構安全保護技術標準指南（2018）》及地方軌道交通條例要求，地面和高架車站以及線路軌道結構外邊線外側30 m內為安全保護區，10 m內為特別保護區。項目基坑距離高架橋樁7.88 m，對地鐵結構安全的影響等級綜合評定為一級。

3.3臨近地鐵高架保護標準

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911-2013）要求，該項目實施對鄰近地鐵結構影響的控制標準應按運營階段進行控制，綜合考慮建設過程對鄰近地鐵結構的不利影響，得出安全控制標準（見表2）。

整個施工過程引起鄰近地鐵高架區間的橋墩底部結構產生的水平位移安全控制值（順橋向、橫橋向）均應≤6 mm，豎向位移安全控制值≤10 mm。

3.4基坑圍護施工方案

項目隧道基坑尺寸為33.2 m（寬）×12.1 m（深），兩側距離地鐵高架橋樁約7.88～8.45 m。基坑施工分兩期（見圖1）：先期施工地鐵高架橋投影下方兩側基坑，后期施工隧道高架橋下方基坑。

先行基坑土層為粉質黏土，基坑底部土層為2-1粉質黏土，工程地質良好，圍護結構采用800-1000鉆孔灌注樁+850-600三軸止水帷幕，基坑支撐結構采用1道混凝土撐（水平間距6 m）+2道609鋼撐（水平間距3 m），見圖2。

后行基坑距離地鐵高架橋樁較近，基坑邊線到橋樁承臺最小距離僅8.0 m，施工風險較大。綜合考慮基坑深度、變形控制要求、經濟性，基坑圍護結構采用1 200@1 400鉆孔灌注樁+1 200@900MJS止水帷幕，嵌固比為1∶1；基坑支撐結構采用1道混凝土撐+2道鋼撐，鋼支撐采用軸力伺服系統；基坑坑底采用高壓旋噴樁裙邊+抽條加固，加固至坑底以下5 m；同時距離橋樁樁基5 m處施做800@1 000隔離樁，見圖3。

4圍護結構計算

基坑工程由于開挖卸載，基坑側壁發生側向位移，坑底產生一定的隆起變形，地表發生沉降，也帶動鄰近橋梁結構發生側向和豎向變形，其變形量的大小是判別基坑變形和穩定的重要依據。

由于項目基坑鄰近地鐵高架區間橋墩，為確保實施過程中鄰近運營線路的安全，應保證基坑自身安全及側壁變形在允許值范圍內。采用二維+三維有限元方法建立數值模型對基坑開挖過程進行模擬分析，分析基坑開挖對地鐵高架橋的結構安全、運營安全的影響。

4.1二維計算

根據基礎資料，對下穿地鐵高架處隧道基坑斷面進行計算驗證，基坑施工過程中所產生的基坑變形及地面沉降相對較小，圍護最大水平位移9.7 mm，地面沉降計算值8.5 mm，均在控制標準允許范圍內。見圖4～6。

4.2三維計算

4.2.1模型的建立

建立基坑三維模型分析工程開挖對既有地鐵高架橋樁的空間影響，采用修正摩爾-庫侖（修正M-C準則）彈塑性本構模型，見圖7。基坑圍護結構（已按抗彎剛度等效）、隧道主體結構采用2D板單元，支撐體系、主體結構梁、柱采用1D梁單元，樁基采用植入式1D梁單元，地鐵高架基礎承臺采用實體單元，高架樁基采用植入式1D梁單元，橋墩以上結構簡化為豎向荷載考慮。土體采用3D實體單元，地面超載取20 kPa。

4.2.2分析計算

隧道后行基坑開挖到底及結構施工完成，對既有地鐵高架橋樁結構的分析計算結果詳見圖8，各計算工況及相應位移變形值匯總見表3。

分析各計算工況過程可知：隧道先行基坑開挖與回筑過程中，地鐵高架橋墩2座承臺及樁基順橋向水平位移呈先向基坑方向靠攏，后遠離基坑方向的趨勢，順橋向水平位移最大為2.58 mm，橫橋向水平位移呈先向基坑西側位移，后向基坑東側位移，最大水平位移為0.7 mm＜6 mm，位移總體較小；豎向位移呈現先沉降后隆起再回落的趨勢，最大豎向位移為4.3 mm＜10 mm。

通過上述數據顯示，各項數值均在變形控制允許范圍內，隧道結構穩定，整體變形影響較小。

5建議施工工序

軟土地區深基坑開挖具有明顯的空間效應，對于基坑群，不同的基坑開挖次序引起的地層位移及周邊建筑結構響應不同。考慮到該項目深基坑距離地鐵區間高架橋墩較近，根據類似項目的工程經驗，從有利于地鐵保護的角度對于后行施工基坑提出建議的施工工序如下（見圖9和圖10）：

（1）開挖表層土，施工第一道混凝土支撐。

（2）開挖至第二道支撐底，施工第二道鋼支撐。

（3）預留①③區土坡，開挖②區土至基底，施工②區第三道鋼支撐。

（4）回筑②區隧道。

（5）開挖①③區預留土坡，施工①③區第三道鋼支撐。

（6）回筑①③區隧道。

（7）拆除支撐，覆土回填。

6結語

本項目鄰近地鐵施工的深基坑工程，根據分析計算可看出變形趨勢為：臨近位置的承臺結構發生向基坑方向的水平位移，豎向位移隨荷載增減變化，卸載過程隆起，加載過程沉降。

本基坑施工臨近地鐵高架，實施過程對地鐵高架橋承臺和樁基存在一定風險，故在施工過程中采取分坑分層開挖、鉆孔灌注樁+止水帷幕+鋼支撐軸力伺服系統的圍護措施+隔離樁保護措施，在保證基坑自身安全與穩定的同時，將基坑開挖施工對高架橋墩基礎的影響降到最低，可為同類型基坑工程建設提供借鑒和參考。

參考文獻：

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基金項目：中國中鐵股份有限公司重大專項課題“城市軌道交通工程復雜環境基坑施工風險控制及新技術研究”（編號：中國中鐵股份有限公司科技研究開發計劃2023-專項-10）；2024年度中鐵四局重大專項課題“城市軌道基坑建造風險控制及裝備研發”（編號：中鐵四局集團有限公司2024年度科技開發計劃2024-03）

作者簡介：杜偉（1991—），碩士，高級工程師，主要從事地下空間及隧道軌道交通工程設計咨詢與施工技術科研工作。