地鐵隧道正上方基坑施工地鐵保護技術(shù)研究

陳俊林，祖公博，曾小輝，胡 亮，曹 智

(中國建筑第二工程局有限公司 華南分公司，廣東 深圳 518000)

隨著城市發(fā)展的加速，越來越多的基坑項目正在接近地鐵，這些項目會對周圍的土體造成卸載，從而導(dǎo)致相應(yīng)的變形[1-2]，特別是位于地鐵正上方的基坑開挖項目，由于大面積的土體卸荷，隧道在地下水的浮力和土體的回彈作用下，可能會出現(xiàn)明顯的上浮，從而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)開裂或滲漏等問題，因此，研究基坑開挖過程中的地鐵保護技術(shù)顯得尤為重要，以確保隧道的安全性和穩(wěn)定性。過去，在地鐵側(cè)面的基坑開挖方面的研究較為深入[3-5]，但是在地鐵正面，特別是近距離開挖的基坑項目中，關(guān)于地鐵的保護研究卻相對較少。本研究以距離運營地鐵僅3.2m 的某超高層基坑項目作為應(yīng)用對象，借助有限元模擬，深入研究了地鐵保護的相關(guān)考慮因素和施工技術(shù)手段，為其他上跨運營地鐵項目的實施提供參考和借鑒。

1 工程概況及地鐵保護目標

某超高層項目位于深圳市羅湖區(qū)，基坑下有深圳地鐵9#線，隧道自北向南為出站區(qū)間，隧道頂高程自本工程基坑北至南變化范圍約為-3.474～-5.302m，基坑底到隧道頂最近垂直距離約為3.2m，支護樁底距隧道頂最近垂直距離約為1.3m，工程樁距隧道管片最近水平距離為3.5m，見圖1。

圖1 地鐵與基坑位置關(guān)系

《深圳省市軌道交通控股公司軌道交通運營安全保護范圍和建設(shè)工程規(guī)劃控制區(qū)施工辦法》規(guī)定：①可能造成的車站、隧道結(jié)構(gòu)的絕對沉降和水平位移應(yīng)小于10mm；②其外墻承受的壓力應(yīng)小于10kPa。

項目比鄰在建地鐵線路和運營地鐵線路，需提前規(guī)劃機械設(shè)備行車路線和施工時機械設(shè)備擺放位置，不僅要滿足對地鐵影響最小條件并要保證設(shè)備操作安全可靠。

項目所在區(qū)域地下水的種類包括孔隙水、受壓水以及來自基巖的滲透水，地下水的埋藏深度較淺，年變化范圍在0.5～2m 之間。施工時需考慮地下水對土壓力的影響。

2 隧道上方超近距基坑的地鐵保護方案

2.1 工程樁施工

通過使用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機的回轉(zhuǎn)裝置，可以有效地降低鋼套管與土層之間的摩擦力，同時可以通過旋挖或旋挖鉆的方式，將套管深入到樁端持力層，從而實現(xiàn)挖掘的目的。在挖掘完成后，應(yīng)立即進行深度測量，以確保樁端持力層的準確性，并且要及時清理掉所有的虛土。將鋼筋籠安裝在鉆孔中心，然后將導(dǎo)管固定在其上，最后用混凝土澆筑成樁。

2.2 抗浮結(jié)構(gòu)

采用抗拔樁結(jié)合抗隆起板門式抗浮結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)采用四攪兩噴工藝單軸攪拌樁，格柵布置，加固范圍為基坑底至距地鐵隧道頂不少于1.5m（圖2）。

圖2 地鐵專項保護剖面圖

2.3 分條開挖

按照1～6 的順序依序放坡分條開挖，坡率1∶0.5 至1∶1，每條挖至坑底施工混凝土底板完畢，等待48h 后，開挖下一條，見圖3?？傮w開挖思路為先清表后分條分層分塊開挖澆筑底板混凝土。

圖3 基坑分條開挖方式

因地下水位較高，為減輕地下水位變化對地鐵產(chǎn)生不利影響場內(nèi)共設(shè)置24 個降水井、12 個回灌井。且基坑開挖前需完成坑內(nèi)集水井和基坑周圍回灌井施工，并進行降水實驗，確保能有效控制地下水位情況。

3 基于有限元的隧道變形分析

使用MIDAS/GTS NX 這款關(guān)于巖石和隧洞的專業(yè)有限元分析軟件，采用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）彈塑性理論來研究土壤的組成，并將其應(yīng)用于襯砌結(jié)構(gòu)，以確保其具有良好的線彈性特征。

為考慮地下水位變化的影響，本次模擬采用應(yīng)力-滲流三維耦合模型，計算模擬過程：地應(yīng)力平衡（初始應(yīng)力狀態(tài)）+初始滲流場模擬+既有區(qū)間隧道施工（位移清零）→基坑圍護結(jié)構(gòu)施做→基坑降水及基坑開挖。

各結(jié)構(gòu)的線彈性本構(gòu)關(guān)系的輸入?yún)?shù)為彈性模量E和泊松比μ。土體的德魯克-普拉格（Drucker-Prager)彈塑性模型模擬的是彈性—完全塑性的本構(gòu)關(guān)系。應(yīng)力在達到屈服點前與應(yīng)變成正比例關(guān)系，超過屈服點時應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為水平線。

德魯克—普拉格模型的屈服函數(shù)

德魯克-普拉格（Drucker-Prager)模型的輸入?yún)?shù)為彈性模量E、泊松比μ、粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ。

選取計算的模型長寬高分別為180m×160m×60m，基坑采用“放坡”、“微型樁”及“攪拌樁+內(nèi)插的工字鋼”的支護方式。

本次三維數(shù)值計算分析模型中，土體采用實體單元模擬，本構(gòu)模型為德魯克-普拉格（Drucker-Prager)彈塑性模型；地鐵隧道結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，本構(gòu)模型為彈性模型，按照工程設(shè)計方案中構(gòu)件實際截面特性確定，支護樁根據(jù)剛度等效原則確定截面尺寸。為考慮地下水位變化的影響，本次模擬采用應(yīng)力-滲流三維耦合模型，通過在模型中施加節(jié)點水頭的方式達到模擬不同水位的目的。模型前后左右邊界固定水平位移，底部邊界固定水平豎向位移，上部邊界為地表自由面，自重荷載取重力加速度。基坑采用2 分層開挖，如圖4～圖7 所示。

圖4 初始地應(yīng)力形成

圖5 軌道結(jié)構(gòu)建成

圖6 基坑支護施工并開挖第一層

圖7 基坑開挖到底

軌道最不利情形為基坑開挖到坑底階段，軌道變形云圖如圖8 所示。當基坑開挖至坑底后，基坑及地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形最大，因土方開挖及水位變化引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最大水平變形為1.03mm；地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向變形為3.46mm。理論計算結(jié)果滿足深圳市地鐵安保區(qū)控制指標要求。

4 信息化監(jiān)測

采用信息化施工措施，對地鐵變形進行監(jiān)測，即時調(diào)整施工節(jié)奏，具體如下。

1)在地鐵隧道內(nèi)布置監(jiān)測點，監(jiān)測斷面間距6m，每個斷面5 個監(jiān)測點，淺基坑地鐵隧道監(jiān)測范圍為地塊內(nèi)的2 條隧洞，且不小于3 倍基坑深度范圍，本基坑為10～20m 范圍內(nèi)；基坑共計48個斷面。

2）通過有效的監(jiān)測與協(xié)調(diào)，充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化施工工藝和流程，實現(xiàn)信息化施工，以確?；邮┕さ陌踩院陀行?。

3）為了確?；拥陌踩唾|(zhì)量，我們將嚴格執(zhí)行監(jiān)測，由專人負責記錄、整理和分析，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果制定下一步施工計劃。此外，我們還將加強對場地范圍內(nèi)地鐵軌道的目視巡查，在相鄰支護結(jié)構(gòu)施工和土石方開挖時，每8h 進行一次巡查，以便及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。

項目累計檢測結(jié)果最大水平變形為1.68mm；地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向變形為3.96mm，略大于模擬值，考慮施工過程中前期累積，整體與預(yù)測規(guī)律相符，地鐵最終變形小于地鐵安保區(qū)施工規(guī)定。

5 結(jié)論

根據(jù)工程實例，本文研究了地鐵隧道正上方超近距的地鐵保護基坑開挖方法，及其對地鐵隧道變形的影響。

1）本研究應(yīng)用了全套筒全回轉(zhuǎn)樁基施工方法、坑底加固、分條開挖施工工藝、抗隆起板基坑變形控制、信息化施工等方法，對地鐵變形進行了有效控制。

2）在施工前采用了三維數(shù)值分析，從理論上驗證了在近地鐵上方進行淺基坑施工時采用“攪拌樁+內(nèi)插的工字鋼”的支護形式，在基坑變形方面和對地鐵隧道影響方面都是可行的。

3）從地鐵監(jiān)測結(jié)果表明，整個施工階段，采用本方法地鐵隧道變形值最大為3.96mm 遠小于地鐵保護要求的10mm 變形量。說明本研究采用的方法對于地鐵變形控制有效，可為其他類似項目提供借鑒和參考。