鄰近地鐵施工明挖隧道基坑安全影響控制研究

摘要：文章針對(duì)基坑施工過(guò)程對(duì)臨近地鐵高架橋的不利影響，分析基坑自身安全穩(wěn)定性及基坑開(kāi)挖的不同階段對(duì)鄰近高架橋樁水平位移變形及沉降的影響，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出地鐵保護(hù)的應(yīng)對(duì)措施，在施工過(guò)程中采取分坑分層開(kāi)挖、鉆孔灌注樁+止水帷幕+鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的圍護(hù)措施+隔離樁保護(hù)措施，保證基坑自身安全與穩(wěn)定的同時(shí)，將基坑開(kāi)挖施工對(duì)高架橋墩基礎(chǔ)的影響降到最低，可為同類(lèi)型基坑工程建設(shè)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：明挖隧道；側(cè)穿地鐵橋樁；基坑圍護(hù)；變形控制

中文分類(lèi)號(hào)：U455.2A401285

0引言

隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)密度越來(lái)越大，市政道路隧道不可避免地交叉穿越已建成的軌道交通線，對(duì)周邊環(huán)境的影響與保護(hù)，是深基坑工程所面臨的重要課題。因此，需要采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)、施工專(zhuān)項(xiàng)方案才能保證工程建設(shè)順利進(jìn)行［1-3］。針對(duì)該類(lèi)基坑工程的特點(diǎn)，許多學(xué)者［4-6］采用了如地下連續(xù)墻、水平支撐、隔離樁及坑底土體加固、跳倉(cāng)法開(kāi)挖等方法，以減小基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境尤其是地鐵車(chē)站、高架橋梁的干擾。

汪彬［7］分析了既有高架橋下施工存在的風(fēng)險(xiǎn)及安全保障措施。宗晶瑤等［8］探討了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比、設(shè)置內(nèi)支撐的數(shù)量、隔離樁及基坑與高鐵橋墩距離四個(gè)因素對(duì)高鐵橋梁變形的影響。吳楠等［9］分析了基坑平面布置、深度、數(shù)量等因素下軟土地區(qū)基坑群對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響。劉尊景等［10］統(tǒng)計(jì)、分析杭州地鐵沿線基坑工程案例，總結(jié)了與基坑建設(shè)類(lèi)型相適應(yīng)的地鐵保護(hù)措施。汪小林［11］通過(guò)合理選擇基坑圍護(hù)體系、優(yōu)化支撐布設(shè)、設(shè)計(jì)土方開(kāi)挖、調(diào)整支撐與拆除時(shí)序以及注漿加固等措施，確保了基坑施工期的安全。張子新等［12］采用精細(xì)化三維數(shù)值分析、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，對(duì)近距離開(kāi)挖卸荷引起的高架橋墩響應(yīng)進(jìn)行研究。本文分析隧道基坑施工對(duì)鄰近地鐵高架橋水平位移及沉降的影響，并提出相應(yīng)的保護(hù)措施。

1項(xiàng)目概況

某市快速路隧道工程按雙向六車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，沿既有城市道路下方敷設(shè)，其中下穿一處地鐵高架橋。橋梁結(jié)構(gòu)形式為37 m+60 m+37 m連續(xù)箱梁，橋墩尺寸為3 m×2.2 m，橋墩承臺(tái)設(shè)5根樁徑為1.5 m、樁長(zhǎng)為66 m的鉆孔灌注樁，橋下凈空約14.5 m。

2工程地質(zhì)水文地質(zhì)情況

2.1工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，隧址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)總體土質(zhì)一般，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土、黏土，隧道底板位于1a、1b層、1-1層、1-2層、2-1層、2-1a層、2-1b層及2-1c層，各土層具一定差異性，屬不均勻地基。開(kāi)挖深度內(nèi)土體穩(wěn)定性差～一般。特殊性巖土主要為表層填土、軟（弱）土，無(wú)不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2水文地質(zhì)

（1）項(xiàng)目區(qū)內(nèi)河流眾多，灌溉溝渠密布，區(qū)內(nèi)地表水與地下水聯(lián)系密切。

（2）隧址區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水及弱承壓水?？紫稘撍饕x存于淺部松散地層中，與地表水存在緊密的水力聯(lián)系，受大氣降水補(bǔ)給；弱承壓含水層主要分布于2-1c層、3-1c層及4-1c層砂性土層中，其上下發(fā)育有厚度較大黏性土隔水層。鉆孔混合水穩(wěn)定水位埋深為1.40～4.70 m，水位標(biāo)高為0.10～3.40 m，3-1c層承壓水位埋深約5.70 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高約為-2.32 m。

對(duì)各巖土層鉆孔分層及各土層物理力學(xué)特征進(jìn)行分析選用，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3隧道基坑圍護(hù)方案

3.1基坑圍護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求

為減小該工程基坑施工對(duì)地鐵的影響，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及地鐵保護(hù)要求，對(duì)基坑安全及側(cè)壁變形提出控制要求如下：

（1）基坑安全等級(jí)：一級(jí)（10 m以上）。

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1（一級(jí)）。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期限：2年。

（4）基坑側(cè)壁變形控制保護(hù)等級(jí)定為一級(jí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.18%H，且≤30 mm，地表最大沉降≤0.15%H。

3.2基坑開(kāi)挖影響等級(jí)

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）、《軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指南（2018）》及地方軌道交通條例要求，地面和高架車(chē)站以及線路軌道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)30 m內(nèi)為安全保護(hù)區(qū)，10 m內(nèi)為特別保護(hù)區(qū)。項(xiàng)目基坑距離高架橋樁7.88 m，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響等級(jí)綜合評(píng)定為一級(jí)。

3.3臨近地鐵高架保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911-2013）要求，該項(xiàng)目實(shí)施對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響的控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行控制，綜合考慮建設(shè)過(guò)程對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響，得出安全控制標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）。

整個(gè)施工過(guò)程引起鄰近地鐵高架區(qū)間的橋墩底部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移安全控制值（順橋向、橫橋向）均應(yīng)≤6 mm，豎向位移安全控制值≤10 mm。

3.4基坑圍護(hù)施工方案

項(xiàng)目隧道基坑尺寸為33.2 m（寬）×12.1 m（深），兩側(cè)距離地鐵高架橋樁約7.88～8.45 m。基坑施工分兩期（見(jiàn)圖1）：先期施工地鐵高架橋投影下方兩側(cè)基坑，后期施工隧道高架橋下方基坑。

先行基坑土層為粉質(zhì)黏土，基坑底部土層為2-1粉質(zhì)黏土，工程地質(zhì)良好，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800-1000鉆孔灌注樁+850-600三軸止水帷幕，基坑支撐結(jié)構(gòu)采用1道混凝土撐（水平間距6 m）+2道609鋼撐（水平間距3 m），見(jiàn)圖2。

后行基坑距離地鐵高架橋樁較近，基坑邊線到橋樁承臺(tái)最小距離僅8.0 m，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。綜合考慮基坑深度、變形控制要求、經(jīng)濟(jì)性，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 200@1 400鉆孔灌注樁+1 200@900MJS止水帷幕，嵌固比為1∶1；基坑支撐結(jié)構(gòu)采用1道混凝土撐+2道鋼撐，鋼支撐采用軸力伺服系統(tǒng)；基坑坑底采用高壓旋噴樁裙邊+抽條加固，加固至坑底以下5 m；同時(shí)距離橋樁樁基5 m處施做800@1 000隔離樁，見(jiàn)圖3。

4圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

基坑工程由于開(kāi)挖卸載，基坑側(cè)壁發(fā)生側(cè)向位移，坑底產(chǎn)生一定的隆起變形，地表發(fā)生沉降，也帶動(dòng)鄰近橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向和豎向變形，其變形量的大小是判別基坑變形和穩(wěn)定的重要依據(jù)。

由于項(xiàng)目基坑鄰近地鐵高架區(qū)間橋墩，為確保實(shí)施過(guò)程中鄰近運(yùn)營(yíng)線路的安全，應(yīng)保證基坑自身安全及側(cè)壁變形在允許值范圍內(nèi)。采用二維+三維有限元方法建立數(shù)值模型對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，分析基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵高架橋的結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)安全的影響。

4.1二維計(jì)算

根據(jù)基礎(chǔ)資料，對(duì)下穿地鐵高架處隧道基坑斷面進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，基坑施工過(guò)程中所產(chǎn)生的基坑變形及地面沉降相對(duì)較小，圍護(hù)最大水平位移9.7 mm，地面沉降計(jì)算值8.5 mm，均在控制標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。見(jiàn)圖4～6。

4.2三維計(jì)算

4.2.1模型的建立

建立基坑三維模型分析工程開(kāi)挖對(duì)既有地鐵高架橋樁的空間影響，采用修正摩爾-庫(kù)侖（修正M-C準(zhǔn)則）彈塑性本構(gòu)模型，見(jiàn)圖7?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)（已按抗彎剛度等效）、隧道主體結(jié)構(gòu)采用2D板單元，支撐體系、主體結(jié)構(gòu)梁、柱采用1D梁?jiǎn)卧?，樁基采用植入?D梁?jiǎn)卧罔F高架基礎(chǔ)承臺(tái)采用實(shí)體單元，高架樁基采用植入式1D梁?jiǎn)卧瑯蚨找陨辖Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為豎向荷載考慮。土體采用3D實(shí)體單元，地面超載取20 kPa。

4.2.2分析計(jì)算

隧道后行基坑開(kāi)挖到底及結(jié)構(gòu)施工完成，對(duì)既有地鐵高架橋樁結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖8，各計(jì)算工況及相應(yīng)位移變形值匯總見(jiàn)表3。

分析各計(jì)算工況過(guò)程可知：隧道先行基坑開(kāi)挖與回筑過(guò)程中，地鐵高架橋墩2座承臺(tái)及樁基順橋向水平位移呈先向基坑方向靠攏，后遠(yuǎn)離基坑方向的趨勢(shì)，順橋向水平位移最大為2.58 mm，橫橋向水平位移呈先向基坑西側(cè)位移，后向基坑?xùn)|側(cè)位移，最大水平位移為0.7 mm＜6 mm，位移總體較??；豎向位移呈現(xiàn)先沉降后隆起再回落的趨勢(shì)，最大豎向位移為4.3 mm＜10 mm。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)顯示，各項(xiàng)數(shù)值均在變形控制允許范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，整體變形影響較小。

5建議施工工序

軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖具有明顯的空間效應(yīng)，對(duì)于基坑群，不同的基坑開(kāi)挖次序引起的地層位移及周邊建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)不同?？紤]到該項(xiàng)目深基坑距離地鐵區(qū)間高架橋墩較近，根據(jù)類(lèi)似項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)，從有利于地鐵保護(hù)的角度對(duì)于后行施工基坑提出建議的施工工序如下（見(jiàn)圖9和圖10）：

（1）開(kāi)挖表層土，施工第一道混凝土支撐。

（2）開(kāi)挖至第二道支撐底，施工第二道鋼支撐。

（3）預(yù)留①③區(qū)土坡，開(kāi)挖②區(qū)土至基底，施工②區(qū)第三道鋼支撐。

（4）回筑②區(qū)隧道。

（5）開(kāi)挖①③區(qū)預(yù)留土坡，施工①③區(qū)第三道鋼支撐。

（6）回筑①③區(qū)隧道。

（7）拆除支撐，覆土回填。

6結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目鄰近地鐵施工的深基坑工程，根據(jù)分析計(jì)算可看出變形趨勢(shì)為：臨近位置的承臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生向基坑方向的水平位移，豎向位移隨荷載增減變化，卸載過(guò)程隆起，加載過(guò)程沉降。

本基坑施工臨近地鐵高架，實(shí)施過(guò)程對(duì)地鐵高架橋承臺(tái)和樁基存在一定風(fēng)險(xiǎn)，故在施工過(guò)程中采取分坑分層開(kāi)挖、鉆孔灌注樁+止水帷幕+鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的圍護(hù)措施+隔離樁保護(hù)措施，在保證基坑自身安全與穩(wěn)定的同時(shí)，將基坑開(kāi)挖施工對(duì)高架橋墩基礎(chǔ)的影響降到最低，可為同類(lèi)型基坑工程建設(shè)提供借鑒和參考。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)中鐵股份有限公司重大專(zhuān)項(xiàng)課題“城市軌道交通工程復(fù)雜環(huán)境基坑施工風(fēng)險(xiǎn)控制及新技術(shù)研究”（編號(hào)：中國(guó)中鐵股份有限公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃2023-專(zhuān)項(xiàng)-10）；2024年度中鐵四局重大專(zhuān)項(xiàng)課題“城市軌道基坑建造風(fēng)險(xiǎn)控制及裝備研發(fā)”（編號(hào)：中鐵四局集團(tuán)有限公司2024年度科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃2024-03）

作者簡(jiǎn)介：杜偉（1991—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事地下空間及隧道軌道交通工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)與施工技術(shù)科研工作。