邻近地铁隧道深基坑工程设计施工的研究

韩畅

（武汉地铁集团有限公司，湖北武汉 430070）

邻近地铁隧道深基坑工程设计施工的研究

韩畅*

（武汉地铁集团有限公司，湖北武汉 430070）

软土地区邻近地铁运营线路的深大基坑开挖是一项极其复杂的工程，基坑开挖过程中如何保证运行中地铁隧道的稳定和安全是整个工程中必须考虑的问题。本文结合武汉轨道交通4号线梅中区间还建楼基坑工程，通过计算分析不同支护及加固技术措施的变形控制效果，对确保地铁的正常运营，减少基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施进行了探讨。

深基坑；地铁隧道；变形控制；软土地区；监测

1　引 言

随着我国城市轨道交通的迅速发展，地铁区间的隧道纵横交错，地铁附近的商业物业价值也随之迅速增长，而城市建设用地日趋紧张，使得深基坑工程经常紧邻正在运营的地铁隧道，有可能对地铁隧道结构的安全构成严重威胁。因此如何在严格控制临近地铁隧道变形的条件下进行深基坑支护设计，是工程实践中十分常见而棘手的难题。

虽然地铁隧道局部刚度远大于土体，但达到一定长度的地铁隧道整体刚度小，抗纵向变形能力差，在隧道纵向变形或曲率半径达到一定的量值后，就可能出现管片环缝张开量过大而漏水或管片纵向受拉破坏［1］。因此，为了保护地铁的正常运营，地铁管理部门针对当地实际情况，对地铁隧道的变形控制提出了明确要求，考虑到湖北地区工程实际，提出地铁变形控制指标的建议值:①地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量小于或等于10 mm；②隧道变形曲线的曲率半径R≥15 000 m；③相对弯曲小于或等于1/2500［2］。

本文结合紧邻武汉地铁4号线一期工程梅中区间（梅苑小区站至中南路站）还建楼项目基坑工程的设计和实践，并针对邻近地铁区间隧道的保护要求，对紧邻地铁区间隧道深基坑的支护设计方法进行详细介绍。

2　工程概况

2.1工程地质概况

拟建场地内，基坑开挖的深度影响范围内的地层情况如下:

第（1-1）层:杂填土:颜色杂，稍湿，表面为建筑材料、沥青路面，其下为碎石、黏性土及砖瓦片等，松散～密实状态。全场地分布。

第（1-2）层:淤泥（Ql）:灰褐、灰黑色，流塑～软塑状态，含有机质丰富，具腐臭味。

第（2-1）层:粉质黏土（Qal+pl4）:黄灰～灰褐色，可塑，含氧化铁、铁锰质等，切面稍光滑，韧性高，无摇振反应，干强度较高。全场地分布。

第（2-2）层:粉质黏土（Qal+pl3）:黄褐色，硬塑，含氧化铁、铁锰质及条纹状高岭土等，偶夹少量角砾，切面稍光滑，韧性高，无摇振反应，干强度较高。全场地分布。

第（3-1）层:中细砂（Qal+pl3）:黄灰色，中密，饱和，主要矿物成分为长石、云母和石英，夹少量砾砂，局部混有粉土、粉质黏土。全场地分布。

其中，第（1-2）层淤泥为流塑～软塑状态，属软土层，第（2-2）层粉质黏土属膨胀土。从地质剖面可见本场地基坑开挖范围内以软塑～可塑状态的软土为主，对基坑安全极为不利，具体地层厚度及各层土物理力学性质如表1所示。

场地地下水主要分为赋存于（1-1）杂填土及（1-2）淤泥层中的上层滞水和赋存于下部砂性土层中的承压水。其上层滞水的水位、水量随季节变化，主要受大气降水及生活排放水渗透补给。由于坑底以下有厚层黏性土，承压水对本基坑影响较小。

各层土物理力学性质参数表　表1

2.2周边环境概况

本工程的周边环境如图1所示，位于文安路与付家坡一路交汇处，其中文安路位于基坑西南侧，道路红线距基坑边缘约12 m；付家坡一路位于基坑东南侧，道路红线距基坑边缘约10 m。重点环境保护对象为位于基坑西北侧正在运营的武汉市轨道交通4号线区间隧道。轨道交通4号线区间隧道采用内径5 400 mm，外径6 000 mm钢筋混凝土管片，分为左线和右线两条线路，隧道覆土厚度约5.5 m～7.8 m，基坑边缘距右线隧道最近约2.8 m，如图2所示。

图1　基坑周边环境图

图2　基坑与地铁区间隧道关系图

3　基坑围护结构

结合类似工程项目的基坑工程设计方案，在基坑工程围护结构方案选型阶段，提出了“地下连续墙+内支撑”和“灌注桩排桩+内支撑”两种支护方案。

选择地下连续墙作为基坑围护结构，施工对环境影响较小，水平抗侧刚度大，水平变形小，地下连续墙既作为挡土结构又作为止水帷幕，可同时起到挡土和止水的目的。但是地下连续墙适用于邻近存在保护要求较高的建筑物，对基坑本身的变形和防水要求较高的，或者基坑内空间有限，地下室外墙与红线距离很近，且对防水、抗渗有较严格要求的工程，一般开挖深度大于10 m才有较好的经济性。根据地铁4号线一期工程梅苑小区站～中南路站区间开发还建楼项目基坑的特点，开挖深度6.7 m～7.7 m，采用地下连续墙施工方案时工程造价太大，不建议采用地下连续墙施工方案，而选用常规的灌注桩排桩+内支撑方案。

本工程采用桩撑方案，选用钻孔灌注桩作为基坑围护墙结构，如图3所示。对于临近地铁的隧道区域采用直径为 1 000 mm，间距为1 300 mm的钻孔灌注桩，其他区域采用直径800 mm，间距为1 000 mm的钻孔灌注桩。

设计桩撑单元内力及变形计算成果如表2所示。

桩撑支撑单元内力及变形计算成果统计表　表2

以上计算统计结果表明:支护体系的变形严格控制在10 mm以内。

考虑到对地铁隧道的保护，支护桩施工中必须“跳打跳灌”，采用影响最小的回旋成孔工艺，严格控制泥浆配比，严防塌孔，缩颈。同时，本工程2#楼主楼采用桩筏基础，筏基底面为高承载力的2-2粉质黏土（老黏土），当桩基有一定变形（包括桩身弹性压缩）时，桩间土体将承受一定荷载，加上桩摩阻力的作用，为减少桩间土荷载对隧道的不利影响，在筏板底设置100 mm ～200 mm中粗砂垫层，并利用临近隧道一侧的支护桩兼做隔离桩，以减小主楼荷载对隧道的影响。

图3　基坑围护结构剖面图

4　支撑体系

基坑的支撑体系如图4所示，采用一道钢筋混凝土对顶式支撑，支撑中心标高与冠梁中心齐平，支撑截面尺寸800×800，对于紧挨隧道的基坑区域为防止撤撑出现变形采用换撑措施。基坑支撑立柱均采用角钢格构柱，临时立柱桩则利用本项目工程桩。

图4　支撑平面布置图

5　基坑地下水处理

场地地下水为上层滞水和孔隙承压水两种类型，影响基坑工程的地下水主要为上层滞水。上层滞水赋存于基坑浅部杂填土中，其渗透性较大，地表的防排水较为关键，在基坑外侧施作截水沟，并接入市政排水系统，防止地面雨水进入基坑。同时考虑到本工程浅层存在上层滞水，且为防止施工过程中出现淤泥层的涌泥现象，通过在支护桩背侧设置一排三轴搅拌桩作为止水帷幕，止水帷幕从地面进入2-2粉质黏土（老黏土）顶面以下0.5 m控制，搅拌桩水泥掺量为20%。

6　基坑土方开挖

开挖施工组织的合理性直接决定基坑开挖对周边环境的影响，应遵循“先撑后挖”的原则，当土体挖至支撑底面标高时，必须及时做钢筋混凝土支撑，减少无支撑暴露时间。土方开挖放坡应按照“时空效应”理论，做到“分层、分块、对称、平衡、限时”开挖。

本基坑紧邻已运营的地铁隧道，地铁隧道覆土较浅，且本基坑范围有淤泥层分布，为确保工程施工期间基坑和隧道的安全，土方开挖过程中始终要求对基坑进行分块施工，如图5所示。

图5　基坑开挖分区图

图示开挖分为1、2、3共3个大的开挖阶段，先进行区域1基坑开挖，完成土体开挖并浇筑完成基础承台及相关回填施工并达到强度后再进行区域2的开挖，按此顺序直到完成所有区域基坑开挖施工，施工时可根据基础承台的施工缝预留位置要求对分段范围进行适度调整，但调整幅度不宜超过1 m，且每个分段施工的区域保证有支撑设置。在对基坑进行合理分区开挖后，为了减缓卸载土体的应力释放，施工中采取分层开挖措施。单次开挖深度不超过2 m，在进行东、西两侧紧邻隧道的基坑（即①②③⑦⑧⑨）开挖时，单次开挖深度不大于1 m。

7　隧道变形监测成果

本项目基坑紧邻轨道交通4号线梅苑小区～中南路区间盾构隧道，基坑北侧支护桩边缘距离盾构隧道最近为1.8 m，盾构隧道为重点监测对象。对本工程而言，钻孔施工、基坑开挖、支撑拆除等各工况都可能对运营隧道带来安全隐患。因此隧道变监测自2014年7月12日支护桩施工前期进行，主要监测内容有:隧道结构沉降监测、道床沉降监测、隧道收敛监测等内容。

7.1隧道结构沉降监测

监测数据表明，距离基坑最近的下行线（右线）隧道结构沉降量最大为 -5.96 mm；隧道上行线（左线）结构沉降量最大为 -2.74 mm。隧道结构沉降量都没有超过预警值（10 mm），变形控制在规范范围内。具体监测情况如图6所示:

图6　隧道结构沉降-时间曲线图

从图6可以看出，基坑施工期间隧道结构沉降平缓，下行线结构沉降点XC19沉降量最大，该监测点位于距离基坑最近的部位且隧道埋深较浅。上行线隧道结构沉降较下行线沉降量小，上行线地铁隧道距离基坑较远且隧道埋深大，基坑施工对其影响小。综上所述:基坑施工对地铁4#线梅苑小区～中南路区间隧道结构沉降影响不大，变形控制在规范范围内。

7.2隧道道床沉降监测

隧道道床监测数据表明，下行线（右线）隧道道床累计沉降量最大为 -3.96 mm；上行线（左线）隧道道床累计沉降量最大为 -2.39 mm。隧道道床沉降量未超过预警值（10 mm），变形控制在规范范围内。具体监测情况如图7所示:

图7　隧道道床沉降-时间曲线图

7.3隧道结构收敛监测

隧道结构收敛监测采用全站仪进行监测，监测数据表明下行线（右线）隧道收敛值最大为8.4 mm；上行线（左线）隧道收敛值最大为3.8 mm。隧道收敛值未超过预警值（10 mm），在控制范围内。基坑东北端开挖期间，下行线隧道收敛变化较大，土方开挖完毕后收敛值趋于稳定，收敛值也逐渐减小。至基坑大面积回填，隧道收敛值也趋于稳定。具体监测情况如图8所示:

图8　隧道结构收敛-时间曲线图

对基坑临近隧道的监测成果表明，在基坑施工期间，未对地铁运行造成任何影响，表明本工程的支护设计及施工较好地保护了临近地铁区间隧道。

8　结 论

本文结合邻近武汉地铁4号线梅中区间还建楼基坑工程的设计和实践，对软土地区紧邻地铁区间隧道深基坑工程，采用钻孔灌注桩排桩与内支撑结合的支护设计要点及施工控制措施进行详细介绍。基坑工程实施情况和监测结果表明，该设计及施工方法能够有效地保护了基坑开挖期间邻近地铁区间隧道的正常运营。

［1］张楠，胡鹏辉.紧邻既有铁路线深基坑的降水设计与沉降监测［J］.铁道工程学报，2010（9）：1～4.

［2］刘国彬，王卫东.基坑工程手册（第二版）［K］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［3］李进军；王卫东.紧邻地铁区间隧道深基坑工程的设计和实践［J］.铁道工程学报2011，158（11）：104～111.

［4］赵慧岭，柳献，袁勇等.软土隧道长期沉降的纵向作用效应研究［J］.特种结构，2008，25（1）.

［5］郑永来，韩文星，童琪华等.软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（24）.

Research on the Design and Construction of Neighboring Metro Tunnel′s Deep Foundation Excavation

Han Chang
（Wuhan METRO，Wuhan 430070，China）

The deep foundation excavation of metro line neighboring soft soil area is so complex that how to maintain the stability and safety of operated metro tunnel during foundation excavation is the most important question.This thesis，based on the Mei-Zhong Huanjian Building's foundation excavation of at the 4th line of Wuhan metro，discusses the control methods to ensure the normal operation and decrease the influence of deep foundation excavation on neighboring metro tunnel through calculating and analyzing the deformation control effects of retaining and protecting，reinforcement technologies，thus providing reference for the design and construction of similar foundation excavation.

deep foundation；metro tunnel；deformation control；soft soil area；monitoring

1672-8262（2016）04-172-05

TU473.2

B

2016—05—12

韩畅（1968—），男，硕士，高级工程师，注册土木工程师（岩土），房屋与建筑工程二级注册建造师，主要从事轨道交通及岩土工程设计与技术管理工作。