深基坑施工对邻近矿山法隧道的综合保护方案研究

朱斌，张书丰，沈晓伟

(南京地铁集团有限公司，江苏 南京 210008)



深基坑施工对邻近矿山法隧道的综合保护方案研究

朱斌，张书丰，沈晓伟

(南京地铁集团有限公司，江苏 南京 210008)

摘要:基于对矿山法地铁隧道结构的保护，分析基坑总体方案和围护结构选型，通过理论分析结合数值模拟，提出加大基坑围护结构刚度，采用有效止水措施，加强内支撑刚度，逆作法施工等综合保护措施，并采用现场监测数据验证，确保基坑施工期间地铁隧道结构的安全。

关键词：地铁保护；深大基坑；矿山法隧道；现场监测

近年来，轨道交通与城市建设高速发展，出现了许多邻近地铁结构的深大基坑项目。地铁区间隧道周边基坑开挖，使土体产生卸载，从而导致土体发生变形，对既有地铁隧道的结构安全产生影响。国内外许多学者对此开展了相关研究[1-3]，日本交通系统1996年制定了《接近既有隧道施工对策指南》[4]。但目前的研究对象主要集中在基坑对盾构区间隧道的影响，而基坑开挖对矿山法地铁隧道的影响研究相对较少。本文基于矿山法地铁隧道安全保护要求，对邻近的深基坑施工进行了分析，采取针对性安全保护措施，并在施工期间对基坑和隧道进行动态监测，将监测结果与数值分析结果进行对比分析，对地铁隧道结构安全状态进行判定。本文可为邻近基坑开挖时，既有地铁矿山法隧道的安全控制标准及保护措施起到一定的指导作用。

1项目概况

1.1 环境概况

该项目由主楼、商业裙房及5层地下室组成，其中，主楼采用框架-核心筒结构体系，裙房采用框架结构。基坑面积约为12 362 m2，总周长约为481 m，裙楼和塔楼区域基坑开挖深度分别为22.4和23.9 m，基坑位置如图1所示。

基坑围护结构外边线距地铁矿山法区间最近距离约为11.4 m，区间隧道顶埋深为8.9～9.8 m，基坑与地铁隧道相对关系见图2。

图1　基坑平面位置示意图Fig.1 Layout of foundation pit

图2　基坑与地铁隧道相对位置关系垂直断面图Fig.2 Relationship of foundation pit and metro tunnels

1.2工程地质概况

本工程场地浅层分布有较厚的填土和粉质黏土，其中②-2层流塑粉质黏土土质差，开挖易流动使开挖面产生侧向变形和坑底隆起。而阶地上的沉积土层中③-3a层粉土和④层粉质黏土混粗砂、卵砾石透水性较好，在水头差作用下会产生涌砂现象；其余土层工程性质较好，开挖面稳定性较好。而且基坑开挖范围内涉及到多个含水层，水文地质较为复杂。主要土层自上而下描述见表1。

表1　地层描述综合表

2基坑方案

2.1开挖总体方案

基坑开挖总体方案主要有顺作法和逆作法2类。逆作法采用支护结构与主体结构相结合，可以节省常规顺作法中大量临时支撑的设置和拆除，经济性好，另外，楼板刚度高于常规顺作法的临时支撑，基坑的变形较小，对基坑周边环境的影响较小，缺点是设计与主体结构设计的关联度大，接头施工复杂，作业环境差，结构施工质量易受影响[5]。

由于本基坑开挖深度大，坑底在地铁隧道底板标高以下，且基坑离地铁隧道仅11.4 m。因此经综合比选，本基坑采用塔楼基坑顺作，裙楼基坑逆作的方案。塔楼区域先行施工进行土方开挖，其后进行裙楼逆作法施工。

2.2围护结构方案

根据软土地区已实施的大量基坑工程的成功实践经验，类似基坑工程一般采用板式围护体系，板式围护体一般可供选择的有钻孔灌注桩结合止水帷幕和地下连续墙[6-7]。

对于本基坑工程，采用钻孔灌注桩结合止水帷幕作为基坑围护体，存在以下2个问题。

1) 围护体与地铁区间隧道的距离

本工程地下室结构外墙距离地铁隧道最近仅为11.4 m，若采用临时性的排桩结合止水帷幕作为围护体，扣除围护桩、止水帷幕等厚度后，围护体与地铁隧道的距离将仅有8.5 m左右。距离地铁隧道越近，则保护难度越大。

2) 止水帷幕的防渗可靠性分析

本工程基坑的开挖深度较深，所需的止水帷幕深度接近30 m，穿越的土层地质以粉质黏土为主，且需深入到中风化岩层中，岩体强度较高。根据以往工程经验，水泥土搅拌桩、高压旋喷桩均难以确保成桩质量，达不到理想止水要求。

综上所述，通过围护体与地铁区间隧道的距离以及止水帷幕防渗可靠性分析，由于周边环境保护要求较高，因此本工程不宜采用钻孔灌注桩结合止水帷幕作为围护结构，推荐采用地下连续墙。

3数值分析

为准确分析深基坑开挖对邻近地铁区间隧道产生的影响，并考虑基坑的开挖空间效应，本文采用大型通用有限元分析软件ABAQUS 6.8.1对基坑开挖进行分析。根据基坑开挖的全过程中的各具体施工步，采用“单元生死”的方法控制各层基坑土体的开挖、各道支撑的设置和地连墙的修建，对围护结构、邻近地铁隧道和周边地层的变形和内力做出合理的预测。

3.1土体本构模型及参数选取

本次计算主要采用弹塑性和线弹性本构模型相结合的方法进行分析。对①-1～④层黏土，采用修正剑桥模型模型进行计算。对完整性较差的强风化岩层(⑤-1/1～⑤-1/2)采用弹塑性的Mohr-Coulomb 模型进行计算[8]。底部基岩则采用线弹性模型进行计算。地连墙与土体间设置接触面，土体开挖后移除。接触面的本构采用有限滑动的库伦模型，设置摩擦系数和极限剪应力模拟墙体和土体之间的摩擦。

计算中不同分层土体的模型参数、重度、侧压力系数等参数一部分可以从岩土勘察报告中得到，另一部分通过大量类似工程的监测数据反演分析得到。部分主要土层物理力学参数见表2。

表2　土层物理力学参数

3.2分析模型及计算结果

本次主要对基坑的全尺寸模型进行计算，模型边界距基坑距离分别为150 m(X 方向)和100 m(Y 方向)，计算深度取地表以下80 m 至基岩层。采用8 节点六面体实体单元和6 节点五面体实体单元模拟土体和岩体介质，空间板壳单元模拟地下连续墙和隧道衬砌，空间梁单元模拟水平支撑和围檩，板壳厚度和梁的截面尺寸均按实际值取。三维计算模型见图3。

图3　三维有限元计算模型Fig.3 3D finite element model

有限元计算结果见图4～5。

图4　地下连续墙水平方向(X，Y方向)位移云图Fig.4 Contour of horizontal displacement of wall

图5　隧道水平位移及沉降云图Fig.5 Contour of V&H displacement of tunnel

从地连墙及隧道位移云图中可以看出，基坑开挖导致支护外侧土体和隧道在水平及竖直方向均产生不同程度变形，计算位移结果分析见表3。

表3　位移计算结果汇总表

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[9]，区间隧道水平位移和竖直位移安全控制值为20 mm。地铁线路已建成运营，产生了一定的累计变形及沉降，累计最大水平位移为5.2 mm，最大沉降为4 mm。则地铁2号线隧道允许继续发生的最大变形为：水平位移14.8 mm，沉降16 mm。由表3结果可看出，地铁隧道变形在安全控制范围内，隧道结构处于安全状态，但该计算结果仅为参考，实际施工中需结合实测数据进行信息化施工。

基坑开挖至坑底后隧道衬砌每延米内力与开挖前对比结果如表4所示。根据计算结果，基坑开挖完成后，隧道衬砌最大弯矩、剪力与轴力分别为336.6 kN·m，255.8 kN和777.7 kN，以上计算结果表明，基坑开挖导致地铁隧道附加内力增加较大，但仍小于隧道衬砌结构本身的抗弯、抗剪和抗压承载力，表明本基坑开挖对隧道内力的影响在其承受能力的范围内。

表4　隧道衬砌内力计算结果

4隧道综合保护措施

根据数值计算结果，基坑开挖造成邻近地铁隧道的变形及内力较大，除了采取局部逆作，嵌岩地连墙措施外，为进一步确保隧道结构的安全，还采取了以下措施：

1) 为控制地铁侧围护结构的侧向变形，邻近地铁侧采用1 m厚地下连续墙，其余区段采用0.8 m厚地下连续墙；

2) 地下连续墙槽段接头选用止水性能良好的工字钢接头；

3) 基坑内部设置4道钢筋混凝土支撑体系，支撑呈对撑、角撑桁架式布置，支撑水平刚度大，有利于控制围护结构变形；

4) 土方开挖和支撑的施工工序根据分区、分块、对称、平衡的原则制定，同时在施工过程中尽可能缩短围护结构的无支撑暴露时间；

5) 基坑开挖过程中，邻近地铁区域严禁超大型重载施工机械行驶或运行，确保施工超载限制在10 kPa范围内；

6) 对在施工过程中加强隧道安全监测，采用人工和自动化2种监测手段，及时对比以便调整施工参数，做到真正的信息化施工。

5监测数据分析

为了对计算结果和保护措施的效果进行验证，本文对该基坑施工监测期的隧道监测数据进行分析。

5.1监测范围

该项目监测范围为项目基坑围护结构边线对应的控制保护区地铁区间线路里程及左线前外放60 m，后放66 m，右线前外放87.1 m、后外方84.1 m，地铁隧道监测范围为K13+118.8～K13+415.1(左线)及K13+091.1～K13+425.8(右线)，于两侧车站范围内建立监测基准点，水平、垂直位移监测点及基准点布置如图6所示。

图6　监测点布置图Fig.6 Layout of monitoring points

5.2垂直位移监测成果

图7～8分别为上行线累计垂直位移变化曲线和下行线累计垂直位移变化曲线。

图7　上行线累计垂直位移变化曲线Fig.7 Accumulative vertical displacement curve of up line

图8　下行线累计垂直位移变化曲线Fig.8 Accumulative vertical displacement curve of down line

图7～8表明：基坑降水及开挖导致隧道上下行线最大下沉量为10.4～10.8 mm。

5.3水平位移监测成果

图9　上行线水平位移变化曲线Fig.9 Horizontal displacement curve of up line

图9为上行线水平位移变化曲线。图9表明：基坑降水及开挖导致隧道上下行线最大水平位移量为5.1～5.3 mm。

5.4水平收敛监测成果

图10为上行线水平收敛变化曲线。图10表明：基坑降水及开挖导致隧道上下行线最大水平收敛量为3.4 mm。

图10　上行线水平收敛变化曲线Fig.10 Horizontal convergence curve of up line

5.5成果分析

通过对人工监测数据，静力水准仪自动化沉降及全站仪断面自动化监测数据的分析与比对，发现3套监测系统监测得出的数据变化趋势基本一致，3套系统很好地相互印证，为本项目提供真实可靠的数据成果，较好地反应了地铁结构的变形情况，地铁隧道上下行最大竖直位移为10.8 mm，最大水平位移为5.3 mm，最大水平收敛量为3.4 mm，均不超过地铁隧道安全控制标准。

在整个监测过程中，结合监测数据、施工工况及降水情况可发现：数据的变化受施工工序及降水影响较大。在基坑开挖及降水期间地铁隧道呈明显下沉趋势，且随着基坑开挖深度的加深沉降变化速率明显增大。通过对比监测结果和数值模拟分析结果发现：两者的变化规律是一致的；实际监测数值较数值模拟数值略小。两者相互印证证明本项目的数值模拟分析结果是可靠的，监测结果也表明基坑采取的综合保护措施是有效的。

6结论

1) 由于矿山法隧道本身刚度较大，隧道产生的位移一般会比相同条件下盾构区间隧道小，但是隧道衬砌附加内力较大，变形以竖向位移为主。

2) 深基坑采用局部逆作、加大围护结构刚度、采用有效止水措施、加强内支撑刚度等地铁综合保护措施是有效的，隧道的变形控制在安全范围内，可作为类似工程的参考。

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Analysis on the construction scheme of the deep excavation based on the safety protection of adjacent metro tunnelZHU Bin，ZHANG Shufeng，SHEN Xiaowei

(Nanjing Metro Co. Ltd., Nanjing 210008, China)

Abstract：Based on the protection of mining method of metro tunnels, the foundation pit layout and enclosure structure selection were analyzed through both theoritical analysis and numerical simulation. The solutions of enlarging the structural stiffness of foundation pit enclosure structure were proposed which include effective water preventions, reinforcing inner support stiffness, and building with top-down method are integrate applied with verification of on-site monitoring data to guarantee the safety of metro tunnels during construction of foundation pit.

Key words：metro protection; deep excavation; mined tunnel; field monitoring

中图分类号：U231+.3

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0748-06

通讯作者：张书丰(1980-)，男，江苏建湖人，高级工程师，博士，从事工程项目管理研究；E-mail：myuniqueid@163.com

收稿日期：2015-08-04