某緊鄰地鐵項目深基坑支護設(shè)計與地鐵安全評估

梁笑寒

近年來，城市軌道交通（地鐵）發(fā)展迅速，依附于地鐵的建筑備受青睞，城市核心地段緊鄰地鐵的項目屢見不鮮，出于對軌道交通保護及節(jié)約成本需要，對緊鄰地鐵深基坑支護設(shè)計要點、原則以及地鐵安全評估進行研究總結(jié)十分必要，本文結(jié)合實際案例進行論述。

一、項目概況

項目位于廣東珠三角區(qū)域，總建筑面積約30萬m2，主要業(yè)態(tài)為城市高端住宅及附屬商業(yè)，建筑物與已有地鐵聯(lián)系緊密，地下室與地鐵車站內(nèi)部連通。本項目所處場地存在深厚淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，基坑西側(cè)及北側(cè)為已有建筑物，東側(cè)為空地，南側(cè)緊鄰已建地鐵車站及地鐵區(qū)間隧道，位于地鐵特殊保護區(qū)范圍內(nèi)，且周邊50m內(nèi)有河涌，地下水較為豐富。基坑周長約1000m，面積約30000m2，開挖深度約6～10m。

二、基坑支護方案

1.特點及設(shè)計原則

本項目基坑有如下特點：（1）影響因素復(fù)雜；（2）位移等控制嚴(yán)格；（3）設(shè)計考慮因素多；（4）工程造價高；（5）施工組織要求高。重點要考慮基坑安全性及對地鐵結(jié)構(gòu)的保護，在此前提下盡量經(jīng)濟?；谝陨咸攸c，基坑設(shè)計遵循如下原則：

（1）位移等控制嚴(yán)格，鄰近地鐵側(cè)的基坑位移值控制在常規(guī)項目允許值的1/2 左右，以滿足地鐵安全評估要求；

（2）地鐵30m內(nèi)采用整體剛度較大的地連墻等支護體系；

（3）止水盡量采用可靠性高的三軸攪拌樁等形式；

（4）考慮內(nèi)支撐傳力連續(xù)可靠性及拆撐時各種不利工況；

（5）摸清地鐵車站及車站基坑支護結(jié)構(gòu)、隧道之間的關(guān)系，爭取利用已有支護結(jié)構(gòu)體系，減少非必要新建支護結(jié)構(gòu)對臨近地鐵造成不利影響并可節(jié)約成本及工期。

2.設(shè)計方案

基于以上特點及設(shè)計原則，本基坑采用灌注樁/地連墻+內(nèi)支撐+局部坑內(nèi)滿堂加固（靠近隧道區(qū)域）+大直徑（800）三軸攪拌樁止水方案，其中靠近地鐵車站范圍利用已有地鐵車站基坑支護的地連墻，詳見圖1。基坑南側(cè)環(huán)境等級為一級、支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級；其余環(huán)境等級為二級、支護結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為二年。

圖1 基坑支護選型示意圖

計算結(jié)果表明在開挖及拆撐過程中基坑均處于安全狀態(tài)，位移均在規(guī)范按要求的30mm限值之內(nèi)，其中靠近地鐵車站及區(qū)間隧道最大位移約12mm，遠離地鐵車站及區(qū)間隧道的支護最大位移約30mm，基坑各方面均滿足要求。

三、安全評估

緊鄰地鐵深基坑除滿足自身安全外，尚應(yīng)進行專項地鐵安全評估，確保地鐵結(jié)構(gòu)在深基坑實施的各個階段均處于安全及正常運行狀態(tài)。

1.安評內(nèi)容及參數(shù)確定

安全評估分析應(yīng)論證充分、準(zhǔn)確全面。重點進行三維模型下各種可能工況下既有地鐵結(jié)構(gòu)的位移、沉降、內(nèi)力、裂縫等分析，并結(jié)合實際科學(xué)合理確定位移等參數(shù)。一般位移控制應(yīng)結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求、區(qū)域企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)內(nèi)專家意見、既有監(jiān)測數(shù)據(jù)、地鐵所處階段、類似項目經(jīng)驗、現(xiàn)狀踏勘情況以及地鐵保護部門的要求等綜合考慮。本項目的安全控制指標(biāo)如表1。

表1 地鐵結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)表

2.安評結(jié)果

（1）基坑設(shè)計結(jié)果可靠性分析

為驗證基坑設(shè)計結(jié)果的可靠性，選取典型剖面進行安全評估佐證，結(jié)果表明兩者計算結(jié)果吻合，位移、彎矩及剪力等差異均在12%以內(nèi)，證明結(jié)果可信。

（2）深基坑三維有限元模擬

在評估基坑施工對地鐵車站及隧道影響之前，需先對基坑自身施工過程中安全性進行評估。評估分析表明TxTyTy向最大位移分別為19.2/22.0/4.8mm，均小于一級基坑位移控制值30mm。

（3）既有車站及隧道模擬

經(jīng)三維有限元分析知，隨著基坑開挖地鐵車站結(jié)構(gòu)位移值逐漸增大，主要變形趨勢表現(xiàn)為水平向朝向基坑側(cè)產(chǎn)生變形、豎向產(chǎn)生向上隆起變形，最大值為5.79mm，均小于控制值10mm；區(qū)間隧道水平位移趨勢為朝向基坑內(nèi)側(cè)、豎向位移趨勢為隆起趨勢，整個基坑開挖過程中地鐵區(qū)間隧道累計最大水平位移為3.83mm＜控制值8mm,累計最大豎向位移為1.25mm＜控制值9mm，均滿足要求。

同時，內(nèi)力分析表明：區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中軸力呈減小的趨勢，彎矩呈增大趨勢，開挖至基坑底時彎矩達到最大，拆撐后彎矩明顯降低，而軸力增加，均滿足設(shè)計及使用要求。

因此，在基坑開挖作業(yè)過程中地鐵車站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)處于安全可控范圍內(nèi)。

（4）地下水變化分析

當(dāng)基坑出現(xiàn)降水以及漏水時，水位下降會導(dǎo)致作用于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外壁的有效土壓力增加，從而影響盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的受力，通過建立隧道模型分別針對不同水位變化進行分析。

分析結(jié)果表明：隨水位下降，軸力峰值減小，剪力及彎矩峰值增大。結(jié)合隧道管片截面及配筋等，考慮到地層水位下降對地鐵盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道的內(nèi)力影響，在基坑開挖施工過程中當(dāng)周邊地下水位下降幅度超過2.0m時應(yīng)立即采取應(yīng)急措施。

（5）隧道軌面橫向高差分析

經(jīng)計算本項目隧道變形曲率半徑為250000m，參考劉庭金《地鐵盾構(gòu)隧道彎矩和變形控制值研究》論文研究成果：當(dāng)盾構(gòu)隧道縱向變形曲率的半徑大于15000m時,環(huán)縫張開量和螺栓應(yīng)力均處于較低水平，地鐵隧道處于安全狀態(tài)。

本項目隧道已經(jīng)鋪軌，經(jīng)計算隧道軌道面橫向高差為0.06mm，小于2mm的控制要求,故高差滿足運營要求。

四、結(jié)論及建議

因地鐵保護的需要，緊鄰地鐵的深基坑設(shè)計難度大、考慮因素多、工程造價高、地鐵安全性評估至關(guān)重要等，小結(jié)如下：

（1）緊鄰地鐵深基坑應(yīng)采用剛度較大的支護體系，比如地連墻。位移等控制值嚴(yán)格，建議緊鄰地鐵范圍位移控制在常規(guī)項目允許值的1/2左右，以滿足地鐵安全評估要求。

（2）摸清擬建基坑與地鐵支護結(jié)構(gòu)、隧道等之間關(guān)系，在允許的情況下，爭取利用已有結(jié)構(gòu)，減少新建支護結(jié)構(gòu)施工對地鐵造成不利影響并可節(jié)約成本及工期。

（3）基坑設(shè)計及開挖應(yīng)滿足地鐵安全及運行需要，須進行地鐵安全性評估，對地鐵結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力、變形差等進行分析，并嚴(yán)格控制地下水位變化范圍。

（4）基坑實施期間應(yīng)根據(jù)基坑設(shè)計要求及地鐵安全評估建議，制定科學(xué)合理的應(yīng)急預(yù)案。