人防基坑工程對運營地鐵車站及區(qū)間影響研究

文/姚西平

隨著城市化建設(shè)的不斷加快，人口密度的增加，需不斷拓展地下空間；特大城市軌道交通運營線路逐漸增加，城市地下空間的拓展不可避免會影響到運營中的地鐵。

在既有運營車站或區(qū)間周邊開挖基坑，國內(nèi)已有類似工程的文獻(xiàn)報道。張治國等[1]提出采用兩階段分析方法來解決基坑開挖引起的鄰近地鐵隧道縱向變形問題；王衛(wèi)東[2]采用數(shù)值模擬對上海運營地鐵1號線區(qū)間拱頂上方4 m 金橋廣場基坑進行數(shù)值模擬，研究分析基坑開挖卸荷對地鐵隧道的影響；黃愛軍[3]以上海軟土地區(qū)基坑卸載為例，通過理論研究和反饋回歸，對基坑卸載引起的運營隧道回彈力學(xué)機理進行分析，提出回彈預(yù)測法并結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測公式進行修正；宋兆銳[4]以鄰近沈陽地鐵2號線的恒隆廣場基坑開挖為例，考慮流固耦合，采用FLAC三維數(shù)值模擬對比分析，得出降水對區(qū)間隧道變形的影響不可忽視，基坑開挖后區(qū)間隧道主要以水平位移為主的結(jié)論；胡恒[5]采用有限差分法，對采用不同嵌固深度的護坡樁支護和不同深度的基坑進行數(shù)值模擬，得出坑底標(biāo)高位于地鐵結(jié)構(gòu)底板底標(biāo)高以下，地鐵底板結(jié)構(gòu)的回彈影響較大的結(jié)論；尹宏磊[6]通過數(shù)值模擬研究，結(jié)合實際檢測數(shù)據(jù)分析，得出小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型比摩爾-庫倫模型更適用于北京地區(qū)的開挖數(shù)值模擬的結(jié)論；王懷東[7]以南京新建地鐵站(5 號線上海路站)與運營地鐵站(2號線上海路站)十字換乘站為例，提出相接位置增設(shè)隔離樁、暗挖段，采用10 步導(dǎo)洞分步開挖及無覆土完整支護體系的措施，可有效控制運營車站變形，保證運營安全。

以上研究多針對一側(cè)基坑開挖對運營區(qū)間隧道或車站的影響，對運營隧道兩側(cè)基坑開挖的影響研究較少。南京軟～塑地層中某人防地下室基坑工程位于運營隧道兩側(cè)，本文研究基坑開挖對運營隧道和車站的影響并提出對應(yīng)措施，為后續(xù)工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 平面布置

擬建人防工程位于運營地鐵10號線兩側(cè)，基坑長217.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度49.8 m，深10.2～10.9 m。基坑距離地鐵10 號線工業(yè)大學(xué)站19.6 m，距離10 號線左、右線隧道分別為14.2、10.1 m。見圖1。

圖1 工程平面

工業(yè)大學(xué)站為地下兩層雙跨島式車站，負(fù)一層為站廳層，負(fù)二層為站臺層，站臺寬度10.5 m。區(qū)間隧道外徑6.2 m、管片厚度0.35 m，采用盾構(gòu)法施工，已開通運營。

運營期間，車站結(jié)構(gòu)和區(qū)間隧道變形均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建場地為長江漫灘地貌單元。由上而下主要為①1雜填土、①2素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2淤泥質(zhì)黏土、②3淤泥質(zhì)黏土夾粉土、②4粉砂、②5粉質(zhì)黏土夾粉砂、②6粉質(zhì)黏土、②7粉細(xì)砂、③中粗砂夾卵礫石、④1強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和④2中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

場地內(nèi)地下水類型主要為孔隙潛水和微承壓水。孔隙潛水主要賦存于①、②1和②2層；微承壓水主要賦存于②4和②7層，微承壓水埋深2～3 m，基坑開挖前需降承壓水。

2 既有結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

隧道兩側(cè)基坑位于既有線路控制保護區(qū)內(nèi)。結(jié)合文獻(xiàn)[8～10]并綜合運營監(jiān)測數(shù)據(jù)，在人防基坑施工過程中既有車站和區(qū)間隧道的變形保護標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 既有車站及區(qū)間隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)mm

3 風(fēng)險控制措施

人防基坑采用明挖法施工，兩基坑被地鐵10號線區(qū)間隧道分隔，初步擬定2種方案：

1）方案一，先南側(cè)基坑開挖，后北側(cè)基坑開挖；

2）方案二，南北兩個基坑對稱開挖。

對單一基坑而言，采用跳倉法開挖，從東西兩端向基坑中心分層分部對稱開挖，以減少基坑長邊效應(yīng)。從安全性、對運營地鐵的影響、經(jīng)濟性、施工進度和空間操作性角度綜合考慮，鄰近地鐵一側(cè)基坑圍護樁采用φ1000 mm@800 mm 套管咬合樁，插入比為1.3，樁端插入②6粉質(zhì)黏土層至少1 m，隔斷微承壓水；距離地鐵較遠(yuǎn)的三邊圍護樁采用PHC800(130)C 型管樁+φ850 mm@600 mm 三軸攪拌樁止水帷幕；內(nèi)支撐采用2道混凝土支撐，混凝土支撐截面為0.8 m×1.0 m，間距9 m，第二道支撐采用琵琶撐。

坑內(nèi)設(shè)置懸掛疏干井，將坑內(nèi)承壓水疏干；緊鄰地鐵一側(cè)坑底裙邊加固尺寸為5 m(寬)×5 m(深)，遠(yuǎn)離地鐵的坑底裙邊加固尺寸為4 m(寬)×4 m(深)，加強坑底被動土體抗力，減小基坑變形。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 假定條件

初始應(yīng)力只考慮土體的自重，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響。所有材料簡化為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，圍護樁根據(jù)抗彎等效簡化為樁墻，支撐、圍護樁、墻、板、柱、梁簡化為彈性體構(gòu)件；土層簡化為水平層，為理想的彈塑體模型，采用硬化摩爾-庫倫準(zhǔn)則計算[11]；數(shù)值模擬過程不考慮基坑開挖時間效應(yīng)和機械施工的振動作用。

4.2 計算模型及參數(shù)

利用大型巖土有限元軟件Midas-GTSNX 建立三維實體有限元模型，以初始自重應(yīng)力場為基準(zhǔn)[7]，激活支護結(jié)構(gòu)和地鐵車站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，通過逐步殺死基坑范圍內(nèi)的土體單元來模擬土體開挖，之后再激活支撐單元來模擬支撐的架設(shè)。

考慮邊界效應(yīng)和計算的時效性，三維模型尺寸為370 m×250 m×60 m；側(cè)面和底面施加位移邊界條件，側(cè)面限制水平移動，底部限制豎向移動，上邊界為自由地面；基坑周邊施加車輛荷載20 kPa。見圖2。

圖2 三維有限元模型

4.3 基坑開挖對區(qū)間隧道變形的影響分析

4.3.1 方案一

南側(cè)基坑開挖完成后，左線隧道最大水平位移為5.05 mm，已超過區(qū)間隧道變形的控制值；右線隧道最大水平位移為3.09 mm，位移指向南側(cè)基坑，位于南側(cè)基坑中間位置。見圖3。

4.3.2 方案二

左線隧道最大水平位移為1.64 mm，指向南側(cè)基坑；右線隧道最大水平位移2.91 mm，指向北側(cè)基坑；隧道結(jié)構(gòu)變形均滿足運營隧道控制值。見圖4。

圖4 兩側(cè)基坑開挖后隧道水平位移值

右線隧道水平位移大于左線隧道，是因為右線隧道比左線隧道更靠近人防基坑。

綜上可知，方案一南側(cè)基坑開挖完成后隧道變形大于方案二，這是由于方案二南北兩側(cè)基坑對稱卸載，對隧道變形影響較小。方案一南側(cè)基坑開挖后，隧道水平位移不滿足既有隧道的運營變形控制要求，推薦采用方案二，以下僅對方案二對隧道區(qū)間的影響進行分析。

基坑開挖完成后，引起的隧道結(jié)構(gòu)豎向變形見圖5。

圖5 兩側(cè)基坑開挖后隧道豎向位移

左線隧道最大沉降為0.92 mm，發(fā)生于中部；最大隆起量為0.56 mm，位于南側(cè)基坑端部。右線隧道更靠近北側(cè)基坑，隧道位于基坑隆起的影響范圍內(nèi)，最大隆起值為2.41 mm，滿足運營隧道的變形控制值。

4.4 基坑開挖對區(qū)間隧道內(nèi)力的影響分析

基坑開挖前后隧道彎矩見圖6。

圖6 區(qū)間隧道內(nèi)力

基坑開挖后隧道拱頂彎矩240 kN·m，較開挖前增加7.2%；拱腰處彎矩為218.5 kN·m，較開挖前增加5%；可見基坑開挖引起的隧道內(nèi)力很小，不會影響隧道的正常運營。

4.5 基坑開挖對車站變形的影響分析

基坑開挖后，車站X方向最大位移為1.09 mm，位于南段風(fēng)道側(cè)墻與底板相接處，這是由于風(fēng)道距離基坑最近且為單層結(jié)構(gòu)，長度和整體剛度較小造成的；Y向最大位移為0.3 mm，位于右線隧道下方的東端墻與底板交界處，此處距離北側(cè)人防基坑較近；豎向最大沉降為0.54 mm，位于風(fēng)道南側(cè)；最大差異沉降為0.19 mm，最大傾斜率僅0.02‰。見圖7。

圖7 車站位移

說明基坑開挖對車站結(jié)構(gòu)的影響很小，差異變形很小，引起的車站內(nèi)力會更小，因此不再詳列基坑開挖引起車站結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力值。

5 結(jié)論與建議

1）運營隧道兩側(cè)的人防基坑需同時對稱開挖，東、西兩端向基坑中心分層分部開挖，減少基坑長邊效應(yīng)，此方案下對區(qū)間隧道和車站結(jié)構(gòu)的影響最小，可確保地鐵車站及區(qū)間的運營安全。

2）靠近地鐵區(qū)間一側(cè)的支護形式采用套管咬合樁，受力和隔水作用合一，整體剛度大，防水性能好，施工速度快對環(huán)境擾動小且環(huán)保。

3）靠近地鐵一側(cè)坑底加大裙邊加固寬度和深度，可提高坑底土體被動區(qū)抗力，減小對地鐵隧道的影響。

4）軟～塑地層中支撐和降水施工對既有隧道影響較大，建議架設(shè)支撐要及時，避免坑底較長時間暴露；止水帷幕需隔斷承壓水，施工前進行預(yù)降水試驗。