深基坑工程對既有地鐵結構影響的研究

摘 要：【目的】研究如何有效控制深基坑施工對既有地鐵結構的影響，在此基礎上，研究兩者結構凈距、開挖深度及降水等因素對產生結構變形的關聯(lián)性?！痉椒ā恳阅呈性诮ǖ罔F車站對既有地鐵線路的影響為例，采用車站主體端頭加固、圍護結構地連墻槽壁加固和既有線路結構監(jiān)測施工等技術，研究深大基坑施工過程中對地鐵既有線路的影響規(guī)律。【結果】研究表明：①地鐵隧道在建基坑施工時，在土方開挖前對近地鐵側進行加固是必要的；②當在建基坑與既有地鐵線路隧道凈距大于18 m時，施工對既有地鐵線路的影響可控制在有限范圍內；③當土方開挖面處于隧道底標高以下時，隔離樁加固等措施對既有地鐵線路的保護作用將會減弱，同時受降水、開挖速度等因素的影響，隧道變形速率會成倍增加?！窘Y論】由此說明，近地鐵側深大基坑施工對既有地鐵線路有影響，此影響與距離及開挖深度存在一定的關聯(lián)，施工前應采取主動預防措施。

關鍵詞：深大基坑；既有地鐵線路；圍護結構；結構監(jiān)測

中圖分類號：U456.3 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0066-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.013

Research on the Influence of Deep Foundation Pit Engineering on the Structure of Existing Subways

WANG Junjie CAI Qianguang

（Nanjing Metro Operation Co.， Ltd.， Nanjing 210019， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study how to effectively control the influence of deep foundation pit construction on the existing subway structure，and on this basis， the correlation analysis of the structural clear distance， excavation depth and precipitation on the formation of structural deformation is studied.[Methods] This paper takes the influence of the subway station under construction on the existing subway line in a city as an example，the influence law of deep and large foundation pit construction on the existing subway line is studied by using the technology of station main end reinforcement， retaining structure diaphragm wall reinforcement and the monitoring construction of existing line structure. [Findings] The research shows that：①It is necessary to strengthen the adjacent side of subway tunnel before the excavation;②When the net distance between the foundation pit under construction and the existing subway line is greater than 18 m， the influence of construction on the existing subway line can be controlled within the limit range;③When the excavation surface is lower than the elevation of the tunnel bottom， the protection of the subway line will be weakened by measures such as seismic isolation pile reinforcement，and at the same time， the deformation rate of the tunnel will increase exponentially under the influence of precipitation， excavation speed and other factors. [Conclusions] The results show that the construction of deep foundation pit near the subway has influence on the existing subway lines，the influence is related to the distance and excavation depth to some extent， and proactive preventive measures should be taken before construction.

Keywords： deep and large foundation pit; existing subway line; enclosure structure; structural monitoring

0 引言

隨著我國城市軌道交通工程的發(fā)展，許多城市的軌道交通總里程不斷攀升，地鐵車站的基坑也呈現(xiàn)“大、深、近”的特點。近幾年，在北京、廣州、上海、杭州等城市軌道交通建設過程中，基坑安全事故曾多次發(fā)生［1-2］，極大困擾著基坑的設計和施工。同時深大基坑施工過程中不可避免對周圍既有地鐵線路產生一定的影響。如彭智勇等［3］采用“雙排樁+斜撐”的方式對坑基進行支護，并采用“分段+跳挖+底板封閉”方式進行開挖，通過對不同開挖方案進行對比，得到開挖參數(shù)對隧道變形的影響規(guī)律；樂師軍［4］通過對基坑施工安全性進行數(shù)值分析評估，提出存在的風險及相應的應急防護措施，以解決近距離施工對鄰近運營地鐵的不良影響；張國亮［5］通過現(xiàn)場試驗、室內試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了緊鄰既有線不對稱超載深基坑的穩(wěn)定性與變形規(guī)律；廖偉等［6］利用數(shù)值模擬和實際監(jiān)測等方法，研究基坑支護結構的力學響應規(guī)律對基坑安全施工和既有地鐵隧道安全運營的影響；陳雨蒙［7］從分期開挖、設置板撐、基坑降水等方面，闡述了深基坑施工方案，介紹了圍護結構及支撐體系的設計方法，現(xiàn)場監(jiān)測結果表明基坑影響處于可控范圍內。如何確保既有地鐵線路的正常運營是施工中的重點和難點。本文以某市在建主體車站基坑對既有地鐵線路影響為背景，采用事先對在建車站主體西端頭加固及地連墻槽壁加固等措施，確保施工安全，控制對既有地鐵線路的影響。在施工過程中分析在建基坑與既有線隧道之間的距離與變形量之間存在的關聯(lián)，同時研究不同開挖深度對既有線結構的影響，對今后類似項目有一定的借鑒作用。

1 項目概況

1.1 工程概況

某既有線車站為地下二層雙柱三跨箱形框架結構，島式站臺，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，車站長 226.6 m。車站頂部覆土3.0 m。車站主體結構采用明挖順做法施工，基坑深14.90～16.81 m，圍護結構采用800 mm 厚的地下連續(xù)墻。既有區(qū)間隧道采用淺埋式雙洞隧道，盾構法施工。新建車站為中間站，地下三層島式車站，總長為167 m，底板埋深為23.3～26.2 m。主體基坑圍護采用1 200 mm厚地下連續(xù)+內支撐，站端頭左、右線平面沿線路方向采用一排旋噴樁+9 m攪拌樁進行加固。該工程項目距既有隧道區(qū)間最近約15.03 m。項目周邊環(huán)境如圖1所示。

新建工程主體基坑頂標高為+11.5～+12.0 m，最大埋深26.2 m，距離既有車站主體結構最近為12.4 m，距離既有隧道最近約15.0 m。既有車站主體基坑頂標高為+11.5～+11.9 m，埋深14.9～16.8 m，車站上部覆土3.0 m，既有區(qū)間隧道埋深約9.3 m。具體位置關系如圖2所示。

1.2 地質概況

該施工場地位于秦淮河漫灘，范圍及附近無地表水體分布，地下水有孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。該施工場地范圍內土層自上而下主要為①-1雜填土、②-2b3-4+c3粉質黏土粉土互層、②-2b3-4淤泥質粉質黏土、粉質黏土、②-2b3-4-d3淤泥質粉質黏土、粉砂互層、②-3d2-3粉砂、②-3b3-4淤泥質粉質黏土、③-4b2-3軟-可塑粉質黏土、③-4b2-3+d2粉質黏土夾團塊狀粉砂、③-4e含卵礫石中粗砂、含卵礫石粉質黏土、K1g-2強風化泥巖、泥質粉砂巖、K1g-3-1中風化泥巖、泥質粉砂巖，其中區(qū)間隧道位于②-2b3-4-d3淤泥質粉質黏土、粉砂互層、②-3d2-3粉砂處。具體地質剖面如圖2所示。

1.3 既有區(qū)間結構變形及病害概況

新建車站影響既有隧道區(qū)間上、下行線里程范圍K6+140～K6+485長度為345 m，全長690 m。

1.3.1 既有區(qū)間結構變形況。

① 收斂情況。新建車站施工前，對既有區(qū)間隧道上下行進行三維激光掃描普查（時間2019年12月20日），其中收斂結果顯示，相對于標準圓上行線均小于40 mm，最大收斂值36.9 mm；下行線均小于40 mm，最大收斂值39.6 mm。具體統(tǒng)計結果見表1和表2。

②沉降情況。新建車站施工前，車站結構上行線相對于軌后初值最大沉降量為-6.0 mm，最小為-3.8 mm；區(qū)間結構上行線相對于軌后初值最大沉降量為-6.0 mm，最小為-4.8 mm；近百日沉降速率最大為-0.030 mm/d。車站結構下行線相對于軌后初值最大沉降量為-4.9 mm，最小為-3.1 mm；區(qū)間結構下行線相對于軌后初值最大沉降量為-6.4 mm，最小為-4.2 mm，近百日沉降速率最大為-0.030 mm/d。

1.3.2 隧道結構病害情況。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)處理輸出的灰度圖及現(xiàn)場人工普查的照片資料顯示，提取管片有少量裂縫、掉塊、破損病害及修復痕跡，道床位置存在大量裂縫，道床板局部有泛漿、冒泥、滲水現(xiàn)象，其中上行線存在掉塊損壞及裂縫79處，下行線存在掉塊損壞及裂縫71處。掃描成圖樣式如圖3所示。

2 施工重難點及應對措施

2.1 工程重難點分析

在建車站主體與既有線隧道和既有線車站主體結構最近距離分別為 15.03 m和14 m，根據(jù)規(guī)范要求，本站主體施工對既有線的影響等級為一級。本站施工對既有線車站及區(qū)間造成的主要影響是對結構及運營的影響，因此在建車站施工過程中如何嚴格控制對既有線結構的變形影響是重點。

2.2 應對措施

①主體端頭加固。新建車站端頭沿線路方向采用一排旋噴樁+9 m攪拌樁進行加固，加固寬度為車站結構外擴3 m。豎向加固范圍為地面下2 m至隧道結構下方3 m，旋噴樁直徑為800 mm，間距400 mm。

②主體圍護結構。站址范圍地質差，車站規(guī)模較大，周邊建筑物較多，主體圍護采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，采用H型鋼接頭形式，嵌固入中風化巖1～2 m，地連墻成槽前應采用直徑850 mm@600 mm三軸攪拌樁進行槽壁加固，加固至②-3b3-4+d3淤泥質粉質黏土、粉砂互層下2 m。

3 監(jiān)測成果

3.1 監(jiān)測范圍及內容

本研究綜合監(jiān)測范圍確定為隧道上下行線K6+190～K6+410，每10 m、20 m布設一個監(jiān)測點，共布設46個；車站與隧道連接處共布設2組差異沉降點。根據(jù)外部作業(yè)工程影響等級及工程實踐經(jīng)驗，采用人工監(jiān)測+自動監(jiān)測相結合的手段進行監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測指標及監(jiān)測頻率

根據(jù)類似工程保護經(jīng)驗，結合《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》《建筑變形測量規(guī)范》等規(guī)范和運營至今的結構現(xiàn)狀，監(jiān)測頻率分為4個階段，第一階段為端頭加固、近地鐵側圍護結構和支撐施工期，監(jiān)測頻率為1次/d；第二階段為土體開挖施工底板澆筑至封閉28 d，監(jiān)測頻率為1次/d；第三階段為地下室主體施工期，監(jiān)測頻率為1次/3 d；第四階段為跟蹤期，監(jiān)測頻率為1次/10 d。該項目具體控制標準詳見表3。

3.3 監(jiān)測成果及分析

3.3.1 監(jiān)測成果。

①垂直位移保護監(jiān)測階段變形量。自2020年3月19日開始保護監(jiān)測工作，至2021年12月1日主體基坑近地鐵側出±0。對應上行線管片結構豎向位移監(jiān)測點累計變化量為-22.3 mm，下行線管片結構豎向位移監(jiān)測點累計變化量為-3.6 mm。施工階段累計變化量曲線如圖4和圖5所示。

②垂直位移保護監(jiān)測階段變形速率。選取上下行管片結構豎向位移數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了其沉降速率并繪制了保護監(jiān)測期間歷時沉降曲線圖，如圖6和圖7所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析。

①特征點歷時各階段累計變化量統(tǒng)計。結合管片結構施工各階段變化量如圖6和圖7所示，選取特征點SYJ14各施工階段最大變化量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，具體見表4。

②特征點位累計變化量統(tǒng)計。結合圖4、圖5和圖8所示，選取基坑正對應位置（SYJ11～SYJ17、SZJ11～SZJ17）及外擴段（SYJ10、SYJ18～SYJ22、SZJ10、SZJ18～SZJ22）上下行隧道監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)和距離基坑邊緣統(tǒng)計，具體見表5。

4 總結與建議

在鄰近地鐵隧道在建基坑施工過程中，為減小深基坑施工對既有地鐵線路結構的影響，在施工前對鄰近地鐵側進行加固及相關保護工作，使施工全過程中既有線洞內裂縫無明顯增加，結構無掉角，軌道扣件、接觸網(wǎng)支架無松動現(xiàn)象，數(shù)據(jù)處于可控范圍內，達到了不影響既有地鐵線路運營的目的。通過研究得出以下結論。

①監(jiān)測數(shù)據(jù)整體呈現(xiàn)以基坑正對應為最大變形，向四周圓形外擴逐漸減弱的趨勢。上下行隧道距離基坑位置為15.0～18.0 m時，累計變形量為-22.3～-13.9 mm，均超報警值，其中SYJ11處于正影響區(qū)變形為-6.0 mm，該點位于隧道與車站連接處附近，與當時端頭加固有關，故數(shù)據(jù)變化不大；當距離處于18～25 m時，累計變形量為-9.9～-5.1 mm；當距離為25～40 m時，累計變形量為-3.6～-2.1 mm；當距離大于40 m時，累計變形量為-1.8 mm。

②依據(jù)表4特征點SYJ14各階段變形量統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)較大變形主要處于端頭加固、第5和第6層土方開挖期間。端頭加固隔離樁施工期間產生的變形量為-5.1 mm，期間沉降最大變形速率為0.096 mm/d；隔離樁施工完成后，對地鐵結構有很好保護作用，在前四層土方開挖期間管片結構存在-6.1 mm下沉，期間沉降最大變形速率為-0.034 mm/d，與施工前長期結構監(jiān)測近百日最大變形速率-0.030 mm/d相當。當土方開挖第5及第6層土時，階段變形量達到-7.6 mm，期間沉降最大變形速率為-0.274 mm/d，原因是縱向開挖面底標高處于隧道底標高以下，同時受降水等綜合因素影響，使得對既有線隧道影響加劇。

③在鄰近地鐵隧道在建基坑施工時，在土方開挖前對鄰近地鐵側進行加固是必要的，同時主體圍護采用地下連續(xù)墻，嵌巖層1～2 m，地連墻成槽前應采用三軸攪拌樁進行槽壁加固，對地質條件較差的環(huán)境具有很好的控制作用，可減小深基坑施工對既有線結構的影響。當既有線隧道距離基坑大于25 m時，可以忽略施工對既有線隧道的影響。但當土方開挖面處于隧道底標高以下時，隔離樁加固等措施對既有線隧道的保護作用將會減弱，同時受降水、開挖速度和土方運輸路線等因素的影響，隧道變形速率會成倍增加。

④施工前應做好對既有鐵路線路的現(xiàn)狀調查，制定監(jiān)控指標，做好應急預案。施工過程中應加強監(jiān)測，選擇科學的監(jiān)測手段，做到實時監(jiān)測。

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