鄰近地鐵隧道深基坑工程設(shè)計施工的研究

韓暢

（武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430070）

鄰近地鐵隧道深基坑工程設(shè)計施工的研究

韓暢*

（武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430070）

軟土地區(qū)鄰近地鐵運營線路的深大基坑開挖是一項極其復(fù)雜的工程，基坑開挖過程中如何保證運行中地鐵隧道的穩(wěn)定和安全是整個工程中必須考慮的問題。本文結(jié)合武漢軌道交通4號線梅中區(qū)間還建樓基坑工程，通過計算分析不同支護及加固技術(shù)措施的變形控制效果，對確保地鐵的正常運營，減少基坑開挖對緊鄰地鐵隧道影響的控制措施進行了探討。

深基坑；地鐵隧道；變形控制；軟土地區(qū)；監(jiān)測

1　引 言

隨著我國城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵區(qū)間的隧道縱橫交錯，地鐵附近的商業(yè)物業(yè)價值也隨之迅速增長，而城市建設(shè)用地日趨緊張，使得深基坑工程經(jīng)常緊鄰正在運營的地鐵隧道，有可能對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此如何在嚴(yán)格控制臨近地鐵隧道變形的條件下進行深基坑支護設(shè)計，是工程實踐中十分常見而棘手的難題。

雖然地鐵隧道局部剛度遠大于土體，但達到一定長度的地鐵隧道整體剛度小，抗縱向變形能力差，在隧道縱向變形或曲率半徑達到一定的量值后，就可能出現(xiàn)管片環(huán)縫張開量過大而漏水或管片縱向受拉破壞［1］。因此，為了保護地鐵的正常運營，地鐵管理部門針對當(dāng)?shù)貙嶋H情況，對地鐵隧道的變形控制提出了明確要求，考慮到湖北地區(qū)工程實際，提出地鐵變形控制指標(biāo)的建議值:①地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量小于或等于10 mm；②隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m；③相對彎曲小于或等于1/2500［2］。

本文結(jié)合緊鄰武漢地鐵4號線一期工程梅中區(qū)間（梅苑小區(qū)站至中南路站）還建樓項目基坑工程的設(shè)計和實踐，并針對鄰近地鐵區(qū)間隧道的保護要求，對緊鄰地鐵區(qū)間隧道深基坑的支護設(shè)計方法進行詳細介紹。

2　工程概況

2.1工程地質(zhì)概況

擬建場地內(nèi)，基坑開挖的深度影響范圍內(nèi)的地層情況如下:

第（1-1）層:雜填土:顏色雜，稍濕，表面為建筑材料、瀝青路面，其下為碎石、黏性土及磚瓦片等，松散～密實狀態(tài)。全場地分布。

第（1-2）層:淤泥（Ql）:灰褐、灰黑色，流塑～軟塑狀態(tài)，含有機質(zhì)豐富，具腐臭味。

第（2-1）層:粉質(zhì)黏土（Qal+pl4）:黃灰～灰褐色，可塑，含氧化鐵、鐵錳質(zhì)等，切面稍光滑，韌性高，無搖振反應(yīng)，干強度較高。全場地分布。

第（2-2）層:粉質(zhì)黏土（Qal+pl3）:黃褐色，硬塑，含氧化鐵、鐵錳質(zhì)及條紋狀高嶺土等，偶夾少量角礫，切面稍光滑，韌性高，無搖振反應(yīng)，干強度較高。全場地分布。

第（3-1）層:中細砂（Qal+pl3）:黃灰色，中密，飽和，主要礦物成分為長石、云母和石英，夾少量礫砂，局部混有粉土、粉質(zhì)黏土。全場地分布。

其中，第（1-2）層淤泥為流塑～軟塑狀態(tài)，屬軟土層，第（2-2）層粉質(zhì)黏土屬膨脹土。從地質(zhì)剖面可見本場地基坑開挖范圍內(nèi)以軟塑～可塑狀態(tài)的軟土為主，對基坑安全極為不利，具體地層厚度及各層土物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

場地地下水主要分為賦存于（1-1）雜填土及（1-2）淤泥層中的上層滯水和賦存于下部砂性土層中的承壓水。其上層滯水的水位、水量隨季節(jié)變化，主要受大氣降水及生活排放水滲透補給。由于坑底以下有厚層黏性土，承壓水對本基坑影響較小。

各層土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表　表1

2.2周邊環(huán)境概況

本工程的周邊環(huán)境如圖1所示，位于文安路與付家坡一路交匯處，其中文安路位于基坑西南側(cè)，道路紅線距基坑邊緣約12 m；付家坡一路位于基坑?xùn)|南側(cè)，道路紅線距基坑邊緣約10 m。重點環(huán)境保護對象為位于基坑西北側(cè)正在運營的武漢市軌道交通4號線區(qū)間隧道。軌道交通4號線區(qū)間隧道采用內(nèi)徑5 400 mm，外徑6 000 mm鋼筋混凝土管片，分為左線和右線兩條線路，隧道覆土厚度約5.5 m～7.8 m，基坑邊緣距右線隧道最近約2.8 m，如圖2所示。

圖1　基坑周邊環(huán)境圖

圖2　基坑與地鐵區(qū)間隧道關(guān)系圖

3　基坑圍護結(jié)構(gòu)

結(jié)合類似工程項目的基坑工程設(shè)計方案，在基坑工程圍護結(jié)構(gòu)方案選型階段，提出了“地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐”和“灌注樁排樁+內(nèi)支撐”兩種支護方案。

選擇地下連續(xù)墻作為基坑圍護結(jié)構(gòu)，施工對環(huán)境影響較小，水平抗側(cè)剛度大，水平變形小，地下連續(xù)墻既作為擋土結(jié)構(gòu)又作為止水帷幕，可同時起到擋土和止水的目的。但是地下連續(xù)墻適用于鄰近存在保護要求較高的建筑物，對基坑本身的變形和防水要求較高的，或者基坑內(nèi)空間有限，地下室外墻與紅線距離很近，且對防水、抗?jié)B有較嚴(yán)格要求的工程，一般開挖深度大于10 m才有較好的經(jīng)濟性。根據(jù)地鐵4號線一期工程梅苑小區(qū)站～中南路站區(qū)間開發(fā)還建樓項目基坑的特點，開挖深度6.7 m～7.7 m，采用地下連續(xù)墻施工方案時工程造價太大，不建議采用地下連續(xù)墻施工方案，而選用常規(guī)的灌注樁排樁+內(nèi)支撐方案。

本工程采用樁撐方案，選用鉆孔灌注樁作為基坑圍護墻結(jié)構(gòu)，如圖3所示。對于臨近地鐵的隧道區(qū)域采用直徑為 1 000 mm，間距為1 300 mm的鉆孔灌注樁，其他區(qū)域采用直徑800 mm，間距為1 000 mm的鉆孔灌注樁。

設(shè)計樁撐單元內(nèi)力及變形計算成果如表2所示。

樁撐支撐單元內(nèi)力及變形計算成果統(tǒng)計表　表2

以上計算統(tǒng)計結(jié)果表明:支護體系的變形嚴(yán)格控制在10 mm以內(nèi)。

考慮到對地鐵隧道的保護，支護樁施工中必須“跳打跳灌”，采用影響最小的回旋成孔工藝，嚴(yán)格控制泥漿配比，嚴(yán)防塌孔，縮頸。同時，本工程2#樓主樓采用樁筏基礎(chǔ)，筏基底面為高承載力的2-2粉質(zhì)黏土（老黏土），當(dāng)樁基有一定變形（包括樁身彈性壓縮）時，樁間土體將承受一定荷載，加上樁摩阻力的作用，為減少樁間土荷載對隧道的不利影響，在筏板底設(shè)置100 mm ～200 mm中粗砂墊層，并利用臨近隧道一側(cè)的支護樁兼做隔離樁，以減小主樓荷載對隧道的影響。

圖3　基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面圖

4　支撐體系

基坑的支撐體系如圖4所示，采用一道鋼筋混凝土對頂式支撐，支撐中心標(biāo)高與冠梁中心齊平，支撐截面尺寸800×800，對于緊挨隧道的基坑區(qū)域為防止撤撐出現(xiàn)變形采用換撐措施。基坑支撐立柱均采用角鋼格構(gòu)柱，臨時立柱樁則利用本項目工程樁。

圖4　支撐平面布置圖

5　基坑地下水處理

場地地下水為上層滯水和孔隙承壓水兩種類型，影響基坑工程的地下水主要為上層滯水。上層滯水賦存于基坑淺部雜填土中，其滲透性較大，地表的防排水較為關(guān)鍵，在基坑外側(cè)施作截水溝，并接入市政排水系統(tǒng)，防止地面雨水進入基坑。同時考慮到本工程淺層存在上層滯水，且為防止施工過程中出現(xiàn)淤泥層的涌泥現(xiàn)象，通過在支護樁背側(cè)設(shè)置一排三軸攪拌樁作為止水帷幕，止水帷幕從地面進入2-2粉質(zhì)黏土（老黏土）頂面以下0.5 m控制，攪拌樁水泥摻量為20%。

6　基坑土方開挖

開挖施工組織的合理性直接決定基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，應(yīng)遵循“先撐后挖”的原則，當(dāng)土體挖至支撐底面標(biāo)高時，必須及時做鋼筋混凝土支撐，減少無支撐暴露時間。土方開挖放坡應(yīng)按照“時空效應(yīng)”理論，做到“分層、分塊、對稱、平衡、限時”開挖。

本基坑緊鄰已運營的地鐵隧道，地鐵隧道覆土較淺，且本基坑范圍有淤泥層分布，為確保工程施工期間基坑和隧道的安全，土方開挖過程中始終要求對基坑進行分塊施工，如圖5所示。

圖5　基坑開挖分區(qū)圖

圖示開挖分為1、2、3共3個大的開挖階段，先進行區(qū)域1基坑開挖，完成土體開挖并澆筑完成基礎(chǔ)承臺及相關(guān)回填施工并達到強度后再進行區(qū)域2的開挖，按此順序直到完成所有區(qū)域基坑開挖施工，施工時可根據(jù)基礎(chǔ)承臺的施工縫預(yù)留位置要求對分段范圍進行適度調(diào)整，但調(diào)整幅度不宜超過1 m，且每個分段施工的區(qū)域保證有支撐設(shè)置。在對基坑進行合理分區(qū)開挖后，為了減緩卸載土體的應(yīng)力釋放，施工中采取分層開挖措施。單次開挖深度不超過2 m，在進行東、西兩側(cè)緊鄰隧道的基坑（即①②③⑦⑧⑨）開挖時，單次開挖深度不大于1 m。

7　隧道變形監(jiān)測成果

本項目基坑緊鄰軌道交通4號線梅苑小區(qū)～中南路區(qū)間盾構(gòu)隧道，基坑北側(cè)支護樁邊緣距離盾構(gòu)隧道最近為1.8 m，盾構(gòu)隧道為重點監(jiān)測對象。對本工程而言，鉆孔施工、基坑開挖、支撐拆除等各工況都可能對運營隧道帶來安全隱患。因此隧道變監(jiān)測自2014年7月12日支護樁施工前期進行，主要監(jiān)測內(nèi)容有:隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測、道床沉降監(jiān)測、隧道收斂監(jiān)測等內(nèi)容。

7.1隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，距離基坑最近的下行線（右線）隧道結(jié)構(gòu)沉降量最大為 -5.96 mm；隧道上行線（左線）結(jié)構(gòu)沉降量最大為 -2.74 mm。隧道結(jié)構(gòu)沉降量都沒有超過預(yù)警值（10 mm），變形控制在規(guī)范范圍內(nèi)。具體監(jiān)測情況如圖6所示:

圖6　隧道結(jié)構(gòu)沉降-時間曲線圖

從圖6可以看出，基坑施工期間隧道結(jié)構(gòu)沉降平緩，下行線結(jié)構(gòu)沉降點XC19沉降量最大，該監(jiān)測點位于距離基坑最近的部位且隧道埋深較淺。上行線隧道結(jié)構(gòu)沉降較下行線沉降量小，上行線地鐵隧道距離基坑較遠且隧道埋深大，基坑施工對其影響小。綜上所述:基坑施工對地鐵4#線梅苑小區(qū)～中南路區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)沉降影響不大，變形控制在規(guī)范范圍內(nèi)。

7.2隧道道床沉降監(jiān)測

隧道道床監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，下行線（右線）隧道道床累計沉降量最大為 -3.96 mm；上行線（左線）隧道道床累計沉降量最大為 -2.39 mm。隧道道床沉降量未超過預(yù)警值（10 mm），變形控制在規(guī)范范圍內(nèi)。具體監(jiān)測情況如圖7所示:

圖7　隧道道床沉降-時間曲線圖

7.3隧道結(jié)構(gòu)收斂監(jiān)測

隧道結(jié)構(gòu)收斂監(jiān)測采用全站儀進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明下行線（右線）隧道收斂值最大為8.4 mm；上行線（左線）隧道收斂值最大為3.8 mm。隧道收斂值未超過預(yù)警值（10 mm），在控制范圍內(nèi)。基坑?xùn)|北端開挖期間，下行線隧道收斂變化較大，土方開挖完畢后收斂值趨于穩(wěn)定，收斂值也逐漸減小。至基坑大面積回填，隧道收斂值也趨于穩(wěn)定。具體監(jiān)測情況如圖8所示:

圖8　隧道結(jié)構(gòu)收斂-時間曲線圖

對基坑臨近隧道的監(jiān)測成果表明，在基坑施工期間，未對地鐵運行造成任何影響，表明本工程的支護設(shè)計及施工較好地保護了臨近地鐵區(qū)間隧道。

8　結(jié) 論

本文結(jié)合鄰近武漢地鐵4號線梅中區(qū)間還建樓基坑工程的設(shè)計和實踐，對軟土地區(qū)緊鄰地鐵區(qū)間隧道深基坑工程，采用鉆孔灌注樁排樁與內(nèi)支撐結(jié)合的支護設(shè)計要點及施工控制措施進行詳細介紹?；庸こ虒嵤┣闆r和監(jiān)測結(jié)果表明，該設(shè)計及施工方法能夠有效地保護了基坑開挖期間鄰近地鐵區(qū)間隧道的正常運營。

［1］張楠，胡鵬輝.緊鄰既有鐵路線深基坑的降水設(shè)計與沉降監(jiān)測［J］.鐵道工程學(xué)報，2010（9）：1～4.

［2］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊（第二版）［K］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［3］李進軍；王衛(wèi)東.緊鄰地鐵區(qū)間隧道深基坑工程的設(shè)計和實踐［J］.鐵道工程學(xué)報2011，158（11）：104～111.

［4］趙慧嶺，柳獻，袁勇等.軟土隧道長期沉降的縱向作用效應(yīng)研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2008，25（1）.

［5］鄭永來，韓文星，童琪華等.軟土地鐵隧道縱向不均勻沉降導(dǎo)致的管片接頭環(huán)縫開裂研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（24）.

Research on the Design and Construction of Neighboring Metro Tunnel′s Deep Foundation Excavation

Han Chang
（Wuhan METRO，Wuhan 430070，China）

The deep foundation excavation of metro line neighboring soft soil area is so complex that how to maintain the stability and safety of operated metro tunnel during foundation excavation is the most important question.This thesis，based on the Mei-Zhong Huanjian Building's foundation excavation of at the 4th line of Wuhan metro，discusses the control methods to ensure the normal operation and decrease the influence of deep foundation excavation on neighboring metro tunnel through calculating and analyzing the deformation control effects of retaining and protecting，reinforcement technologies，thus providing reference for the design and construction of similar foundation excavation.

deep foundation；metro tunnel；deformation control；soft soil area；monitoring

1672-8262（2016）04-172-05

TU473.2

B

2016—05—12

韓暢（1968—），男，碩士，高級工程師，注冊土木工程師（巖土），房屋與建筑工程二級注冊建造師，主要從事軌道交通及巖土工程設(shè)計與技術(shù)管理工作。