既有地铁隧道上方明挖基坑施工方案分析

刘长宝 邹金杰 彭加强

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，310014，杭州∥第一作者，高级工程师）

拥有城市轨道交通线路的城市，其中心区的基础设施建设不可避免地涉及对既有地铁隧道的保护问题。在软土地层中，开挖基坑引起的坑底隆起会同步带动下方地铁隧道隆起［1-3］，从而对地铁隧道使用功能和安全性产生影响，稍有不慎将会严重威胁地铁的安全。

根据地铁盾构隧道相关技术经验，保证地铁安全的盾构隧道变形控制值为：竖向最大沉降及水平位移绝对值≤20 mm，隧道变形相对曲率≤1/2 500，隧道变形曲率半径≥15 000 m，这就给工程建设提出更高的技术要求。因此，有必要进一步研究明挖基坑施工对邻近地铁隧道的影响，合理选择控制地铁隧道变形的设计方案，提出有效措施，确保地铁隧道可以正常使用。

本文以杭州市延安路至仁和路过街通道基坑开挖具体工程为研究对象，采用构建三维有限元模型的方法，探讨基坑开挖中采用的地基加固等技术方案对既有隧道的影响，提出门式框架加固、分期开挖及控制降水等保护措施。

1 工程概况

延安路至仁和路过街地道位于杭州市最繁华的商业街延安路与仁和路交叉口，是延安路综合整治工程的一部分，周边房屋密集。如图1所示，该过街地道主通道呈“一”字型布置，横跨杭州地铁1号线，与地铁隧道近似垂直相交，采用明挖法施工。地道基坑开挖深度约8.4 m，基坑长38.2 m，宽11.4 m，坑底部至隧道拱顶覆土厚度仅为3.9 m。基坑围护采用钻孔桩加止水帷幕，第一道撑采用混凝土支撑，第二道撑采用钢管支撑。

工程场地开挖影响范围内的土体自上而下分别为杂填土、素填土、粉质黏土、砂质粉土和淤泥质粉质黏土。坑底位于淤泥质粉质黏土层，土体性质差，含水量高，渗透性差，流变特性比较明显。

2 主要技术措施

本工程地铁隧道拱顶至基坑底覆土厚度仅为3.9 m，小于1倍盾构隧道直径（D=6.2 m），且施工期与地铁隧道内道床等二次结构的施工期相冲突，不具备在地铁隧道内部对其进行加固的条件。因此，需考虑采取相应的措施，减少基坑开挖对既有地铁隧道的影响。

图1 杭州市延安路至仁和路过街地道坑底加固范围

2.1 设计措施

由于过街地道上跨地铁隧道，为尽量减少基坑开挖对既有地铁隧道的扰动，在满足埋设管线的基础上尽可能减小过街地道顶板覆土厚度，以增大地道底板与隧道拱顶间的竖向距离。基坑围护采用“钻孔桩+止水帷幕+混凝土支撑”方案，增大围护体系整体刚度，减少基坑侧向变形。

2.2 加固措施

为降低基坑开挖引起的土体回弹，减小隧道的隆起变形，对坑底与隧道拱顶之间土体，以及隧道两侧土体进行加固并设置抗拔桩，结合过街地道底板形成门式框架结构（见图2）。加固范围包括：

①地铁隧道顶部土体：地道底板与距地铁隧道顶部0.5 m之间的土体；

图2 坑底加固剖面图

②位于基坑两端地铁隧道的侧向土体：两端地铁隧道主体至外侧1.6 m间土体，加固深度距地铁隧道拱底1.0 m；

③位于基坑中部两地铁隧道间的侧向土体：中部两地铁隧道至内侧1.6 m间土体，加固深度距地铁隧道拱底1.0 m。

2.3 降水措施

本项目位于城市繁华建成区，地层主要为淤泥质粉质黏土层，渗透性差，流变特性明显，开挖困难。坑外大范围降水风险高且实施难度大，所以本工程帷幕内坑内降水主要作为施工辅助措施，为方便坑内土体开挖及运输，在仿真分析中仅按重度变化进行简化处理。

2.4 施工措施

根据本工程地铁隧道覆土浅，以及对施工扰动和注浆压力敏感等特点，土体加固采用注浆压力小、施工振动轻、施工质量保证度高的三轴搅拌桩施工工法。结合地面交通疏解要求，本工程主通道设置分割墙，将通道分为两个基坑，分期实施。

2.5 监测措施

本工程施工过程中对地铁隧道及明挖基坑进行全过程昼夜监测，监测内容主要包括隧道收敛变形、隧道管壁应力监测、地表沉降、土体深层位移等方面。监测过程严格按规范及国家标准执行，确保数据的连续性和准确性。一旦出现预警，立即停止开挖，采取应急措施，保证施工安全。

3 数值模拟计算

3.1 模型参数及计算工况

采用大型有限元软件ABAQUS建立三维数值模型，基坑开挖的淤泥质黏土层和粉质黏土层均采用修正剑桥模型（Clay Plasticity）进行模拟。根据地质详勘报告确定本构模型计算参数，通过分层孔隙比-土体压力值曲线（e-p曲线）变换得到正常固结线（NCL）的斜率λ。回弹曲线的斜率κ根据经验取λ值的1/5，搅拌桩水泥土加固区域的土体采用线弹性模型模拟。模型参数根据经验选取：①水泥土的模量 E=120 MPa，泊松比 v=0.25；②混凝土 E=3×105MPa，v=0.2；③钢材 E=2×105MPa，v=0.3。其他模型参数设置见表1。

3.2 三维分析计算

根据围护设计技术方案要求，计算工况如表2所示。

表1 土层材料模型参数

表2 工程围护设计三维分析计算工况表

3.3 计算结果分析

各工况计算结果最大值详见表3。由表3可知：一期、二期基坑开挖至坑底时均为最不利工况：基坑最大隆起值为13.98 mm；加固区坑底隆起最大值为1.897 mm；隧道最大水平位移为1.725 mm，最大竖向位移为6.191 mm。由此可见，基坑开挖到底部时隧道变形最大。可采取提高垫层混凝土标号、垫层内设置钢筋网等措施对坑底进行快速封闭，并通过备好钢锭及砂袋进行压重等措施来控制隧道变形。

表3 明挖基坑及地铁隧道变形最大值统计表 mm

图3 基坑底部隆起值随施工工序变化图

图4 土体竖向位移分布云图（工序5）

图5 土体xz断面竖向位移分布云图（工序5）

3.3.1 基坑底部隆起变化

基坑底部最大隆起值变化关系及位移云图见图3～6。从图3可以看出：非加固区基坑底部隆起最大值在施工工序1时最大，为13.98 mm；随着施工工序的增加，基坑底部最大隆起值不断减小；加固区基坑底部隆起呈波动变化，各工序间相差不大，最大隆起值均较小。可见，对基坑进行加固处理可有效减小基坑底部的最大隆起值。

图4～6为工序5时的土体位移分布云图。从图中可以看出：非加固区位置，基坑底部隆起值较大位置在靠近两端位置处，但基坑底部左右两侧隆起并不是对称的，靠近左侧隧道基坑底部隆起较右侧大；在加固区位置，基坑底部在框架中部隆起较大，且呈对称分布。

3.3.2 地铁隧道结构位移变化

地铁隧道结构水平及竖向位移变化关系及位移云图如图7～9所示。

图6 加固区土体竖向位移分布云图（工序5）

图7 隧道最大变形值随施工工序变化图

图8 地铁隧道结构水平位移分布云图

从图7可以看出：地铁隧道水平位移最大值随施工工序的变化较小，工序2产生的水平位移最大值较大，为1.725 mm；地铁隧道竖向位移随施工工序的改变呈波动变化，在工序2与工序5分别达到波峰，工序1、工序3、工序6则位于波谷。基坑的开挖对地铁隧道竖向变形影响较大。

图8、图9为工序5时的地铁隧道结构位移分布云图。从图中可以看出：地铁隧道在基坑位置处水平位移较大，为1.029 mm，其他部位水平位移值均较小；地铁隧道在基坑位置处向上凸起，远离基坑处向下凹陷，且右侧地铁隧道竖向位移变化较大。

图9 地铁隧道结构竖向位移分布云图

4 监测情况

为掌握明挖基坑施工对地铁隧道的影响，以及基坑自身的变形情况，在本通道施工过程中，对通道下方及左右两侧各50 m范围内的隧道管片进行布点监测（见图10），双线共布置静力水准仪68个、拱顶沉降测点132处、横向收敛测点66组、水平位移测点66处。在明挖基坑周边，共布置房屋沉降观测点20处、地面沉降测点40处、测斜孔7孔、水位孔7孔、桩顶位移测点7处、支撑轴力测点8支。从基坑开挖至土建完工，全过程昼夜不间断监测。

图100 地铁隧道静力水准仪测点布置图

施工全过程监测资料显示，静力水准仪日最大变形值为-0.5 mm，累计最大日变形值为4.3 mm；横向收敛日最大变形值为0.6 mm，累计最大日变形值为-3.9 mm。以上变形均满足地铁保护要求。明挖基坑监测中房屋累计沉降最大值为-4.2 mm，地表沉降累计最大值为-17.2 mm，水平位移累计最大值为16.8 mm，地下水位变化累计最大值为-260 mm，也均满足明挖基本保护要求。根据上述监测数据可看出，仿真数值模拟及现场实测数据基本吻合。由此可见，本工程采用的门式加固体系及分期施工组织方案对既有地铁隧道的保护有效、可靠，满足施工的技术要求。

5 结语

明挖基坑卸荷及降水对邻近地铁隧道有一定的影响。通过三维有限元分析及现场实测数据来看，基坑开挖范围越大、暴露时间越长、土体力学性质越差，地铁隧道所受的影响程度也越大。根据实际工程情况提出的坑底土体加固、结合地道底板设置抗拔桩的门式框架结构等措施，对地铁隧道起到了确实有效的保护作用，可为今后类似工程提供良好的借鉴。