临近既有地铁区间隧道基坑设计方案研究

宋 伟

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100010)

1 概述

在大城市地铁建设中，地铁线路多沿城市主要道路下方敷设，若道路改造为下穿隧道或高架桥梁的形式，势必出现隧道基坑或桥梁基础基坑施工临近既有地铁结构的情况。基坑开挖引起周边土体变形，易对既有地铁结构的受力及位移控制产生不良的影响。早在20世纪80年代，Kusakabe等[1]就针对基坑开挖对临近既有管道的影响进行过离心模型试验研究；李志高等[2]通过有限差分法数值模拟，得到邻近大刚度地铁车站基坑开挖位移场的位移传递规律；高广运[3]等通过研究发现，对紧贴基坑地下连续墙的土体进行二次加固及结构逆筑施工，可有效控制相邻隧道变形；张治国等[4]提出邻近开挖对软土隧道纵向受力变形影响的简化计算方法；郭典塔等[5]分析近接隧道基坑开挖施工力学特征，并探讨基坑开挖对盾构隧道结构变形以及地铁列车振动对基坑施工力学行为的影响；黄兆纬等[6]通过研究发现，地铁上盖基坑开挖会对既有地铁隧道的变形产生影响，土体加固、基坑分块开挖等技术措施能够有效控制地铁隧道的变形，其中土体加固技术的效果最为明显。还有很多学者[7-10]基于工程实例，对临近地铁基坑工程影响机理和控制措施进行研究，研究方法主要为经验公式法、解析法、实测分析法和有限元模拟法等[11]。

以往文献对新建基坑侧上方临近地下结构的研究较多，对平行施工的研究较少。以下所研究的工况为道路明挖隧道基坑平行于既有地铁区间隧道工程，针对多种设计方案，对隧道结构位移控制的敏感性要素进行分析排序，确定最优支护方案。

2 工程概况

长春市某下穿公路隧道基坑侧方临近既有地铁区间隧道，采用明挖法施工，“钻孔灌注桩+内支撑”支护，桩间旋喷桩止水，基坑走向与区间隧道走向基本平行，与既有地铁隧道最近部分水平距离为4.06 m，深约14 m。区间隧道为盾构法施工，管片内径为5.4 m，外径为6 m，埋深约5 m。二者平立面位置关系见图1、图2。

图1 基坑与地铁平面位置关系(单位：m)

图2 立面位置关系(单位：m)

拟建场地地貌为波状台地，基底岩系为白垩纪泥岩，上覆地层为黏性土层、砂土层及杂填土，无岩溶、滑坡等不良地质现象。地下水为表层孔隙性潜水及岩石裂隙水，具微腐蚀性。

3 支护参数与位移控制敏感性研究

为研究各种常规基坑支护措施对地铁区间隧道结构位移控制的效果，在基坑支护设计中，主要考虑了5种可变参数：基坑壁土体加固参数、围护桩截面尺寸参数、钢支撑型号、支撑竖向布置和横向布置参数。

支护参数研究的主要思路为，首先拟定一个常规支护方案，对此支护方案进行试算，若此方案的位移计算结果接近容许范围，则确定此支护方案为基准方案。在基准方案的基础上，增强或削弱一个或两个参数，以此设定其他比较方案。通过多方案对比分析，得出位移控制与各支护参数的相关性，进而确定最优方案。

方案一：基准方案。张立明[12]等通过研究发现，袖筏管注浆可以有效地控制地铁隧道结构位移，在方案一中，对盾构隧道与基坑之间的3 m土体进行袖阀管注浆加固，竖向范围为从地表到基坑底部。围护桩采用直径1 200 mm、间距1 500 mm的混凝土钻孔灌注桩，桩长18 m，设置三道支撑，首道支撑采用混凝土支撑，截面为800 mm×600 mm，间距6 m，第二、第三道采用直径800 mm的钢支撑，间距3 m。支护示意如图3所示。

图3 两道钢支撑方案

方案二：在方案一的基础上取消注浆加固(用来判定该工程中注浆加固的效果)。

方案三：在方案一的基础上弱化围护桩，减小桩径(改为直径1 000 mm)，间距不变。

方案四：在方案一的基础上弱化钢支撑，减小钢支撑直径(改为直径609 mm)。

方案五：在方案一的基础上强化注浆体强度。依据地区经验，高压旋喷桩加固后的土体强度要高于袖阀管注浆加固，计算参数见表2。

方案六：在方案五的基础上增加一道钢支撑，同时调整竖向支撑的间距。方案示意如图4所示。

图4 三道钢支撑方案

方案七：在方案六的基础上调整各类支撑水平间距，混凝土支撑水平间距由6 m缩小到5 m，钢支撑由3 m缩小到2.5 m。

为了更加直观表述，所有研究方案参数变化见表1，调整的参数以字体加粗表示。

根据以上方案，利用岩土数值模拟软件FLAC3d建立三维数值模型，模型长宽高分别为25 m×100 m×18 m，岩土体及地铁隧道采用实体单元模型，符合摩尔-库伦屈服准则。地铁隧道管片结构为弹性模型，考虑接头作用，在C35混凝土参数的基础上进行30%的刚度折减。围护桩、全部内支撑及钢围檩采用梁结构模型(弹性模型)，与土体变形相协调。以方案一为例，地铁管片结构模型示意及网格划分如图5。

表1 研究方案

图5 模型网格划分

模型中岩土体和人工结构物力学参数参考地勘报告、相关设计规范[13]及相关工程经验。取值如表2所示。

表2 岩土体及结构物理学参数

模拟施工中不考虑施工降水作用，先施工围护桩及冠梁，分层开挖，随开挖随支护，施工工序及相关模型如下：

(1)建立土体及盾构隧道模型，位移清零(如图6)。

图6 初始工序模型

(2)加固坑壁与隧道之间的土层(如有)，施工基坑围护桩及冠梁结构。

(3)分层开挖基坑，当开挖至某道支撑高程下约0.5 m处时，施作该道钢围檩支撑，并继续开挖，直至达到坑底(如图7)。

图7 开挖及支护工序模型

基坑开挖后，既有区间隧道会产生朝向基坑方向的位移，区间隧道与地铁基坑基本为水平位置关系，对既有结构的影响以水平位移为主(如图8)，故重点对各个方案的水平位移进行分析。

图8 开挖完毕后模型

在支护方案一中，基坑开挖完毕后，基坑最大横向位移为9.22 mm，隧道侧坑壁最大横向位移为7.37 mm，区间隧道最大横向位移为5.61 mm，最大沉降为1.23 mm。《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[14]规定：隧道水平位移、竖向位移和径向收敛的预警值为10 mm，控制值为20 mm。《城市轨道交通工程监测技术规范》[15]则提出了更加严格的变形控制标准：隧道结构沉降累计值不得超过3～10 mm，上浮限值为5 mm，水平位移限值为3～5 mm。方案一计算数值接近容许范围，故以此方案作为比较基准方案。土体及区间隧道结构横向位移如图9、图10。

图9 方案一岩土体横向位移云图

图10 方案一隧道横向位移云图

各个方案计算结果统计如表3。

表3 各方案计算结果统计

4 方案分析

对比方案一、方案二可以看出，袖阀管加固坑壁土体对控制坑壁土体横向位移效果显著，对距离略远的盾构隧道横向位移控制也有一定的效果，如不加固，二者位移分别增大114%及14%。

从方案三、方案四可以看出，当弱化一档围护桩或内支撑参数，即围护桩直径由1 200 mm调整为1 000 mm，内支撑直径由800 mm调整为609 mm时，土体和盾构隧道横向位移均增大了约30%左右，故围护桩尺寸及内支撑直径对横向位移的控制比较敏感，不宜轻易削弱。

对比方案一与方案五，采用高压旋喷桩进行坑壁侧土体加固后，虽然加固体力学参数得到进一步提升，但土体和隧道横向位移只减小6%和2%，效果比较微弱。可以看出，提高加固体力学性能的方法并不能有效控制隧道的横向位移。

从方案六可以看出，增加一道横撑并相应调整支撑竖向间距后，坑壁和隧道位移分别减少了18%及13%，效果比较显著。如果在方案六的基础上进一步加密支撑横向间距(方案七)，其位移继续减少5%左右，从控制内支撑工程量、保证支撑间的空隙、方便吊车作业的角度考虑，方案七不可取。

根据地区概算定额，以上七种方案与基本方案一的每延米概算比值为：1，0.62，0.93，0.91，0.89，1.07，1.18。可以看出，方案二造价最低，即土体加固占据了显著的投资比例；方案七造价最高则是由于增加了内支撑的投入，其他方案与基础方案相比，差值均在15%以内波动。

综合工程投资、工序繁简等因素考虑，选择方案六作为推荐方案。

5 结论

(1)为了达到控制周边隧道位移的目的，基坑围护桩横截面尺寸及内支撑尺寸等围护结构的刚度特性参数是最为敏感的设计要素。

(2)基坑支护方案加强措施排序为：围护桩参数、优化钢支撑直径、钢支撑竖向间距及道数布置、支撑水平间距、坑壁土体强度、加固土体的力学参数。

(3)坑壁与隧道之间的注浆加固很有必要，一般通过常规注浆保持坑壁土体的整体性即可，一味提高该部分土体参数并不能有效控制坑壁及周边隧道的位移。