基坑開挖及建筑加載對(duì)緊鄰地鐵的影響分析

馬慶迅 張新濤 劉云霞

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

相關(guān)規(guī)范[1—3]對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全控制指標(biāo)進(jìn)行了詳盡規(guī)定，以確保地鐵的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。鄰近地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工必然會(huì)引起地鐵的附加應(yīng)力及位移變化，嚴(yán)重時(shí)甚至造成地鐵發(fā)生病害[4—5]。同時(shí)，由于新建結(jié)構(gòu)加載的作用，其周邊地鐵隧道也會(huì)產(chǎn)生附加沉降，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、失穩(wěn)破壞[6—7]。因此，項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，如何合理、有效分析預(yù)測(cè)工程建設(shè)對(duì)地鐵的影響，并有針對(duì)性地提出地鐵加固保護(hù)措施，已成為緊鄰既有地鐵項(xiàng)目建設(shè)成敗的關(guān)鍵。現(xiàn)有相關(guān)研究一般采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段[8—13]，研究成果多側(cè)重于變形影響分析，有針對(duì)性地提出具體加固保護(hù)措施的較少。

本文結(jié)合北京通州運(yùn)河核心區(qū)某項(xiàng)目工程實(shí)踐，系統(tǒng)地分析了深基坑開挖、復(fù)雜地下水環(huán)境及超高層建筑加載對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵的影響，總結(jié)并提出了緊鄰地鐵建設(shè)項(xiàng)目的加固措施及施工建議，提出建筑加載對(duì)地鐵影響的分析方法（數(shù)值計(jì)算+SFIA 聯(lián)合分析技術(shù)），并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上述分析方法及加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究成果可為類似緊鄰地鐵項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地位于通州區(qū)運(yùn)河核心區(qū)，為大型商業(yè)、居住一體化建筑群，總用地面積28847 m2，其中建設(shè)用地面積17815 m2，主體建筑包括3 棟寫字樓和1 棟公寓，寫字樓地上23 層，地下3 層，公寓地上24 層，地下3 層，地下結(jié)構(gòu)相互連通。地基基礎(chǔ)主要采用天然地基+抗浮錨桿、CFG 樁復(fù)合地基和鉆孔灌注樁樁基相結(jié)合的地基基礎(chǔ)方案，各棟高層基底平均荷載為422～674 kPa。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)±0.00 標(biāo)高為21.30 m，現(xiàn)地面平均標(biāo)高22.5 m，主樓基坑開挖深度17.76 m，純地下室基坑開挖深度16.76 m，局部集水坑及電梯井部位加深1.5～4.0 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)地層以黏性土、粉土和細(xì)中砂互層為主，土層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示，場(chǎng)區(qū)典型地層剖面如圖1 所示。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

場(chǎng)區(qū)勘探范圍內(nèi)包含2 層地下水，其類型分別為潛水和承壓水。具體地下水情況如表2 所示。

表2 地下水情況

1.3 周邊環(huán)境情況

場(chǎng)區(qū)緊鄰已運(yùn)營(yíng)地鐵M6 號(hào)線新玉區(qū)間隧道，基坑距隧道左線結(jié)構(gòu)外皮18.6～20.3 m；隧道底部位于基底以上1.5～2.9 m?；优cM6 號(hào)線平面位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 基坑與M6 號(hào)線平面位置關(guān)系

2 項(xiàng)目建設(shè)對(duì)地鐵的影響及預(yù)測(cè)分析

2.1 基坑開挖對(duì)地鐵影響及預(yù)測(cè)分析

（1）圍護(hù)方案及加固措施

綜合考慮本項(xiàng)目工期、造價(jià)、施工可行性等因素，地鐵側(cè)基坑支護(hù)體系采用“樁錨支護(hù)”。支護(hù)樁長(zhǎng)23.5 m，樁徑800 mm，樁間距1.4 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25；樁間設(shè)4 排預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿成孔孔徑150 mm，水平間距1.4 m，采用跟管鉆進(jìn)成孔工藝。地鐵側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面如圖3 所示。

圖3 地鐵側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面圖（單位：mm）

為減少深基坑開挖支護(hù)對(duì)緊鄰地鐵的影響，并結(jié)合本項(xiàng)目工程特點(diǎn)及施工工況，提出如下加固措施及施工建議：

1）鄰近地鐵50 m 范圍內(nèi)土方由遠(yuǎn)及近、分區(qū)分步開挖，以減少其暴露時(shí)間；同時(shí)避免土方過(guò)快卸載，產(chǎn)生較大變形。本工程影響范圍內(nèi)土方主要分三個(gè)區(qū)，先進(jìn)行兩側(cè)區(qū)域土方開挖，再進(jìn)行中間區(qū)域開挖，同時(shí)豎向單步開挖深度不大于2.0 m。地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)土方開挖工序如圖4 所示。

圖4 地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)土方開挖工序圖

2）鄰近地鐵側(cè)底板高度范圍內(nèi)的肥槽采用素混凝土回填，基礎(chǔ)墊層延至支護(hù)樁樁身處?；邮┕ね戤吅髴?yīng)立即進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，同時(shí)及時(shí)配合肥槽回填，保證工序銜接嚴(yán)密。

3）建議保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)CFG 樁調(diào)整為樁基方案，以減少樁孔數(shù)量，降低對(duì)地鐵隧道的不利影響；同時(shí)預(yù)留5 m 保護(hù)土層，基礎(chǔ)樁先行施工，使被動(dòng)區(qū)土體得到預(yù)加固，避免槽底暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以減小基坑開挖引起的回彈對(duì)地鐵的影響。

4）支護(hù)樁及預(yù)應(yīng)力錨桿均采用“三一”跳打法，錨桿施工采用跟管鉆進(jìn)成孔工藝，以減少對(duì)地鐵側(cè)土層的擾動(dòng)。緊鄰地鐵部位錨桿注漿壓力需經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，防止?jié){液流入?yún)^(qū)間隧道。

5）落實(shí)監(jiān)測(cè)方案及各項(xiàng)措施，施工單位與第三方（基坑、地鐵）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，建立以監(jiān)測(cè)指導(dǎo)施工的信息化體制。同時(shí)制定三級(jí)預(yù)警機(jī)制，如黃色預(yù)警、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警，針對(duì)不同預(yù)警狀態(tài)，明確預(yù)警條件，并制定預(yù)警響應(yīng)措施。

（2）預(yù)測(cè)分析

1）模型建立

基坑施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響的變形分析采用大型巖土工程有限元分析軟件Z_soil 進(jìn)行計(jì)算?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵區(qū)間隧道模型如圖5 所示，模型大小為340 m×280 m×70 m，約16 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。在模型的底面（y＝—70.0 m）處施加豎向約束，在模型的側(cè)面（x＝—80 m，x＝260 m；z＝—80 m，z＝200 m）處施加水平約束。

圖5 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵區(qū)間隧道模型

2）分析結(jié)果

受基坑開挖卸荷的影響，本項(xiàng)目周邊地鐵新玉區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)主要發(fā)生回彈變形。區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)左、右線最大回彈變形量分別為1.8 mm、0.6 mm，最大水平位移分別為0.41 mm、0.36 mm。新玉區(qū)間隧道沿線變形情況如圖6 所示。

圖6 新玉區(qū)間隧道沿線變形圖

2.2 復(fù)雜地下水環(huán)境對(duì)地鐵影響及預(yù)測(cè)分析

（1）地下水控制方案

針對(duì)不同地下水類型、不同區(qū)域并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采取多種降、止組合式地下水控制方案。對(duì)第1 層潛水采用三軸水泥土攪拌樁結(jié)合疏干井的止排水系統(tǒng)進(jìn)行控制。第2 層承壓水對(duì)集水坑、電梯井的影響主要采用如下兩種控制方案：①遠(yuǎn)離地鐵側(cè)（50 m 之外）采用局部減壓降水方式，并通過(guò)MODFLOW 軟件有效分析減壓降水對(duì)地鐵的影響；②地鐵50 m 范圍之內(nèi)采用高壓旋噴樁+坑內(nèi)疏干的方式?；娱_挖范圍內(nèi)，含水層與隔水層交界處的滯水主要采用鋼板樁進(jìn)行止水。

（2）預(yù)測(cè)分析

根據(jù)上述地下水控制方案，第一層潛水及緊鄰地鐵部位承壓水均采用止水方案，對(duì)地鐵影響較小；遠(yuǎn)離地鐵部位承壓水采用局部減壓降水方式，對(duì)地鐵沉降有一定影響。經(jīng)計(jì)算分析，B、D 樓電梯井同時(shí)減壓降水時(shí)，對(duì)地鐵影響較大，最大沉降3.0 mm；而分開減壓降水時(shí)，對(duì)地鐵影響相對(duì)較小，最大沉降分別為1.9 mm、2.0 mm。為減小降水對(duì)地鐵的影響并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程籌劃，先施工D 樓電梯井，待其施工完畢后再施工B 樓電梯井。B、D 樓電梯井減壓降水后等勢(shì)線如圖7 所示。

圖7 B、D 樓電梯井減壓降水后等勢(shì)線圖

2.3 建筑加載對(duì)地鐵影響及預(yù)測(cè)分析

（1）分析思路

對(duì)于超高層建筑加載對(duì)地鐵的影響分析，采用了數(shù)值計(jì)算+SFIA 聯(lián)合分析技術(shù)[14—15]。首先，利用SFIA 地基與基礎(chǔ)協(xié)同分析技術(shù)計(jì)算超高層建筑加載自身沉降；其次，基于SFIA 計(jì)算結(jié)果對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證、校核，確保其參數(shù)合理有效；最后，在保證風(fēng)險(xiǎn)源分析有效性的基礎(chǔ)上，再對(duì)超高層建筑加載對(duì)緊鄰地鐵的影響進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

（2）預(yù)測(cè)分析

1）建筑加載引起的地基基礎(chǔ)沉降

SFIA 分析方法的核心是基于大量建筑物實(shí)際沉降觀測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的正、反演分析，建立和完善天然地基應(yīng)力應(yīng)變模型與經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，反映了土層的應(yīng)力應(yīng)變非線性特性，從而獲得與實(shí)際較為接近的沉降分析結(jié)果。

根據(jù)本項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告、建筑設(shè)計(jì)條件、樁基礎(chǔ)及地基處理設(shè)計(jì)條件等資料，經(jīng)兩種計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，本項(xiàng)目地基基礎(chǔ)沉降均主要發(fā)生在荷載較大的主樓核心筒位置，裙房和地下車庫(kù)的沉降相對(duì)較小，兩種方法的結(jié)果較為接近。兩種分析方法計(jì)算結(jié)果如圖8 所示，主樓最大沉降統(tǒng)計(jì)情況如表3 所示。

圖8 建筑加載引起的基礎(chǔ)沉降圖

表3 主樓的最大沉降統(tǒng)計(jì)表 mm

2）建筑加荷引起的隧道結(jié)構(gòu)變形

基于上述數(shù)值模型的驗(yàn)證、校核，經(jīng)計(jì)算分析，建筑加載引起M6 線區(qū)間隧道產(chǎn)生一定的豎向變形。如圖9 所示，左線最大沉降為1.51 mm，右線最大沉降為0.55 mm。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 工程實(shí)施情況

本工程于2014 年12 月進(jìn)行基坑土方開挖，受政府政策、業(yè)主工程籌劃等方面的影響，2017 年6 月基坑挖至基底。目前，本工程主體結(jié)構(gòu)均已施工完畢。項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，對(duì)基坑圍護(hù)體系、地鐵6 號(hào)線區(qū)間隧道均進(jìn)行了全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

（1）圍護(hù)體系監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

基坑挖至基底后，施工過(guò)程中地鐵側(cè)支護(hù)樁最大深層水平位移22 mm，樁頂豎向位移14～29 mm（向上），樁頂水平位移-15～6 mm，均未超出設(shè)計(jì)報(bào)警值。從監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況看，數(shù)據(jù)整體比較穩(wěn)定，施工期間基坑處于安全狀態(tài)。地鐵側(cè)基坑圍護(hù)體系監(jiān)測(cè)位移變化曲線如圖10 所示。

（2）區(qū)間隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，綜合考慮基坑開挖與建筑加載的影響，最終地鐵區(qū)間隧道豎向位移表現(xiàn)為回彈，回彈量為0.1～0.5 mm，橫向變形量為—0.1～0.4 mm，與計(jì)算分析結(jié)果基本一致，地鐵區(qū)間隧道數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)變形對(duì)比分析見圖11。整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，地鐵均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，且各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均滿足要求。

圖11 地鐵區(qū)間隧道變形對(duì)比分析圖

4 結(jié)論

以北京通州運(yùn)河核心區(qū)某項(xiàng)目為工程實(shí)例，系統(tǒng)地分析了項(xiàng)目深基坑開挖、復(fù)雜地下水控制及超高層建筑加載等工程因素對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵的影響，并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）在緊鄰地鐵的復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行基坑施工時(shí)，采取分區(qū)分步開挖、結(jié)構(gòu)傳力、基樁預(yù)施工等必要的技術(shù)措施，對(duì)于保護(hù)運(yùn)營(yíng)地鐵的安全是切實(shí)有效的。

（2）地下水控制對(duì)于限制緊鄰地鐵沉降具有重要的意義。對(duì)于多層地下水情況，結(jié)合工程籌劃并建立合理有效的分析模型，選擇最優(yōu)地下水控制方案，能夠有效控制地鐵隧道變形。

（3）對(duì)于超高層建筑加載對(duì)地鐵的影響分析，采用數(shù)值計(jì)算+SFIA 聯(lián)合分析技術(shù)，能夠有效預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)建筑加載對(duì)地鐵沉降的影響，可為類似項(xiàng)目建設(shè)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

（4）緊鄰地鐵項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，對(duì)各方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，并建立以監(jiān)測(cè)指導(dǎo)施工的信息化體制，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，有利于保障整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)期間運(yùn)營(yíng)地鐵的安全。