臨地鐵區(qū)間環(huán)境下富水地區(qū)基坑工程設(shè)計(jì)的探討

張 杰 ，沈曉偉 ，韓春雷 ，李季佩 ，藍(lán) 天

（1：華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；2：南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

近年來，地鐵的建設(shè)帶來了地鐵周邊土地的商業(yè)開發(fā)，目前南京地鐵已開通運(yùn)營線路10 條，在建線路12 條，線路總長度位居國內(nèi)第四，初步形成了覆蓋市內(nèi)所有區(qū)縣的地鐵線網(wǎng)。受地鐵沿線土地開發(fā)增值的影響，地鐵隧道臨近項(xiàng)目深基坑工程呈現(xiàn)出數(shù)量越來越多、規(guī)模越來越大、深度越來越深、與地鐵凈距越來越小的趨勢，由此帶來的安全隱患和安全事故屢見不鮮。因此，如何合理進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)和設(shè)置針對性保護(hù)措施，以保證地鐵變形處于可控范圍內(nèi)是關(guān)鍵所在。

Kojima Yoshiyuki 等[1]、劉庭金[2]、肖同剛[3]結(jié)合大量現(xiàn)場基坑工程實(shí)例，通過現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析等詳盡分析了如何在基坑施工時(shí)有效控制地鐵隧道變形相關(guān)措施。侯凱[4]結(jié)合有限元模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)采取加強(qiáng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、支撐整體剛度、被動區(qū)加固、基坑劃大坑為小坑等措施可有效控制地鐵結(jié)構(gòu)變形。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

擬建地塊位于區(qū)間隧道北側(cè)，最近處距離下行線（左線）隧道結(jié)構(gòu)外皮為17.0 m；

基坑開挖面積約為22 000 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周長約為650 m，開挖深度約為9.0 m~10.7 m。

近地鐵側(cè)基坑采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，其余側(cè)采用Φ900@1 100 mm 或Φ1 000 @1 200 mm鉆孔灌注樁+800 mm 厚TRD 水泥土攪拌墻。其與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置關(guān)系圖如圖1~圖2 所示。

圖1 基坑工程與地鐵結(jié)構(gòu)相對位置平面圖（m）

圖2 基坑工程與地鐵結(jié)構(gòu)豎向關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)概況

項(xiàng)目擬建場地位于南京河西長江漫灘區(qū)，對應(yīng)地鐵隧道主要穿越粉細(xì)砂層，土層具體參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

2 風(fēng)險(xiǎn)等級

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》[5]CJJ/T 202—2013，本基坑工程與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的接近程度為“較接近”，外部作業(yè)的工程影響程度屬于顯著影響區(qū)（A），因此近地鐵側(cè)基坑影響等級劃分為“一級”；由于擬建場地屬于長江漫灘地貌單元，地質(zhì)條件較差，故將本基坑項(xiàng)目外部作業(yè)影響等級提高一級。

3 基坑降水影響分析

3.1 坑外水位變動對地鐵隧道影響

1）計(jì)算模型

采用PLAXIS2D 軟件建立平面應(yīng)變有限元模型，土體采用莫爾-庫倫模型，地鐵區(qū)間采用板單元模擬，盾構(gòu)區(qū)間外徑為Φ6.6 m，厚度0.35 m。將坑外地下水位變化依次按 0.28 m，1 m，3 m，5 m，10 m 降深模擬，如圖3~圖7 所示，得到對應(yīng)水位降低引起地鐵盾構(gòu)區(qū)間的變形位移。

圖3 水位降低0.28 m 時(shí)模型圖

圖7 水位降低10 m 時(shí)模型圖

2）計(jì)算結(jié)果

不同水位降深對應(yīng)引起地鐵盾構(gòu)區(qū)間變形位移結(jié)果見表2。

表2 不同水位降深下地鐵區(qū)間位移變形

圖4 水位降低1 m 時(shí)模型圖

圖5 水位降低3 m 時(shí)模型圖

圖6 水位降低5 m 時(shí)模型圖

由表2 可以看出，坑外地下水位降低對地鐵盾構(gòu)區(qū)間變形影響比較大，當(dāng)?shù)叵滤唤档? m 時(shí)，地鐵盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移達(dá)到1.87 mm，最大豎向位移達(dá)到10.37 mm，僅僅地下水位變化就已經(jīng)超過了地鐵盾構(gòu)區(qū)間變形允許的范圍。因此，臨近地鐵區(qū)間的基坑應(yīng)嚴(yán)格控制坑外地下水變化，有條件的情況下應(yīng)優(yōu)先選擇封閉性降水方式。故本項(xiàng)目采取地連墻和TRD 落底式帷幕，避免因坑內(nèi)降水引發(fā)坑外地下水位的變化。

3）三維滲流模擬

為進(jìn)一步說明，地下連續(xù)墻和TRD 落底式降水的可靠性，本文采用三維滲流計(jì)算軟件Visual MODFLOW 進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖8 所示。

圖8 數(shù)值模型剖分圖

從圖9~圖10 可知，坑外水位降深最大不超過0.28 m，地表沉降約為0.5 mm，故基坑降水對周邊環(huán)境影響較小。該沉降結(jié)果與上文水位降深0.28 m計(jì)算結(jié)果相一致，也很好佐證了軟件的可靠性。

圖9 坑內(nèi)外水位降深等值線（mm）

圖10 坑外沉降等值線（mm）

4 基坑施工對地鐵影響二維分析

4.1 土體加固施工對地鐵區(qū)間影響

1）計(jì)算模型

土體加固會產(chǎn)生對周邊土體的擾動，且攪拌樁施工后未硬化時(shí)其強(qiáng)度較低，可能會引起周圍土體的側(cè)向變形。為研究土體加固施工對地鐵盾構(gòu)隧道的影響，本文將加固體范圍內(nèi)土體參數(shù)降低，以模擬攪拌樁硬化之前性質(zhì)，如圖11 所示。

圖11 地墻槽壁及被動區(qū)加固模型圖

2）計(jì)算結(jié)果

由圖12 可看出，土體加固時(shí)在加固范圍下方會產(chǎn)生一定的沉降，達(dá)到4.24 mm，但地鐵盾構(gòu)隧道的位移值非常小，最大水平位移為0.125 mm，最大豎向位移為0.095 mm，故土體加固對地鐵盾構(gòu)隧道的影響較小。

圖12 地墻槽壁及被動區(qū)加固變形云圖（×10-3 m）

4.2 基坑開挖對地鐵區(qū)間影響

為研究土體加固對基坑開挖時(shí)的有利作用，本文分別針對基坑有、無土體加固情況下對地鐵盾構(gòu)區(qū)間的影響。

1）計(jì)算模型

本文分別建議無加固時(shí)基坑開挖對地鐵隧道影響、有加固時(shí)基坑開挖對地鐵隧道影響，具體模型如圖13~圖14 所示。

圖13 無加固時(shí)基坑開挖模型圖

圖14 有加固時(shí)基坑開挖模型圖

2）計(jì)算結(jié)果

從表3 可知，有土體加固情形下基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，地鐵盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移為1.62 mm，最大豎向位移為0.655 mm。相比無土體加固情形下基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，地鐵盾構(gòu)隧道的最大水平位移為2.26 mm，最大豎向位移為0.829 mm。所以，土體加固措施可實(shí)現(xiàn)有效減小基坑開挖引起的地鐵盾構(gòu)區(qū)間水平、豎向位移，土體加固對地鐵盾構(gòu)區(qū)間有很好的保護(hù)作用，實(shí)施土體加固是有必要的。

表3 基坑開挖對隧道的影響對比 mm

5 基坑施工對地鐵影響三維分析

5.1 計(jì)算模型

采用MIDAS-GTS 三維數(shù)值模擬軟件，土體采用修正Mohr-Coulomb 模型。區(qū)間管片采用板單元，地連墻采用殼單元，冠梁、支撐和立柱均采用梁單元。計(jì)算模型如圖15 所示。

圖15 基坑與地鐵隧道模型圖

5.2 監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》[6]DGJ 32—J 195—2015，基坑開挖期間引起地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 地鐵區(qū)間隧道變形控制值 mm

5.3 計(jì)算結(jié)果

由表5 可知，開挖引起的區(qū)間豎向累計(jì)最大位移為-1.0 mm＜10 mm，考慮降水分析中降水引起區(qū)間沉降0.57 mm，區(qū)間總沉降為-1.57 mm＜10 mm，開挖引起的區(qū)間累計(jì)最大水平位移2.2 mm＜5 mm，降水引起區(qū)間水平位移0.1 mm，區(qū)間總水平位移2.3 mm＜5 mm，均滿足規(guī)范要求，故本項(xiàng)目采取的措施能滿足地鐵結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全。

表5 基坑開挖過程中隧道變形情況 mm

6 結(jié)論

本文通過有限元模擬，從基坑降水、圍護(hù)施工及土方開挖3 個方面，討論了對地鐵盾構(gòu)區(qū)間的影響及安全控制措施。

1）坑外地下水位降低對地鐵盾構(gòu)區(qū)間變形影響比較大，當(dāng)?shù)叵滤唤档? m 時(shí)，地鐵盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移達(dá)到1.87 mm，最大豎向位移達(dá)到10.37 mm，已經(jīng)超過了地鐵盾構(gòu)區(qū)間變形允許的范圍。因此，臨近地鐵區(qū)間的基坑應(yīng)嚴(yán)格控制坑外地下水變化。

2）采用地連墻和TRD 落地式帷幕可有效解決基坑降水對隧道結(jié)構(gòu)影響，坑外水位降深最大不超過0.28 m，地表沉降約為0.5 mm，地鐵盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移達(dá)到0.10 mm，最大豎向位移達(dá)到0.57 mm，故基坑降水對周邊環(huán)境影響較小。

3）土體加固施工對區(qū)間結(jié)構(gòu)影響較小，地鐵盾構(gòu)隧道最大水平位移為0.125 mm，最大豎向位移為0.095 mm，故土體加固對地鐵盾構(gòu)隧道的影響較小。但基坑開挖工況下，有土體加固情形下地鐵盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移為1.62 mm，最大豎向位移為0.655 mm。相比無土體加固情形下地鐵盾構(gòu)隧道的最大水平位移為2.26 mm，最大豎向位移為0.829 mm，地基加固對控制基坑變形有很好的效果。

4）三維分析中將降水、地基加固均納入考慮，基坑開挖引起的區(qū)間豎向累計(jì)最大位移為-1.0 mm，考慮降水分析中降水引起區(qū)間沉降0.57 mm，區(qū)間總沉降為-1.57 mm，開挖引起的區(qū)間累計(jì)最大水平位移2.2 mm，降水引起區(qū)間水平位移0.1 mm，區(qū)間總水平位移2.3 mm，均滿足規(guī)范要求。

本文可為類似的富水地區(qū)臨地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供一定借鑒，更好實(shí)現(xiàn)基坑變形控制以確保地鐵結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全。