中穿运营地铁重大风险基坑群变形模拟与监测分析*

张 麒，黄军华，高丙山，姚文山，齐贯南

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

1 工程概况

1.1 整体概况

首创·天阅海河项目位于天津市地铁6号线北运河站，占地面积10.91万m2，总建筑面积43.595万m2， 由南北A，B街坊6个基坑组成，包括住宅、酒店式公寓、地下车库、写字楼及相关附属设施等。地下室及地上商业楼为框架结构，地上主楼为剪力墙结构(见图1)。建设区域内与地铁6号线北运河站有4个结合城市新建民用建筑修建的战时可用于防空的地下室口，是全国首例在运营地铁两侧进行结建上盖的站城一体化综合体。运营地铁两侧进行不同深度基坑开挖。

图1 工程整体效果

天阅海河项目地上建筑面积25.265万m2，地下建筑面积18.330万m2,共6个基坑，分4期建设，分别为1期、2期(2A，2B)、3期(3A，3B)、4期，其中第2，3期横跨既有运营中的地铁6号线(预留北运河站)，第1，4期处于地铁保护区内。

1.2 基坑设计

天阅海河项目1，2B期为地下3层，开挖深度17.1m；2A，3A期为地下2层，开挖深度11.8m；3B期为地下3层，开挖深度16.6m；4期为地下3层，开挖深度17.7m，分期情况如图2所示。

图2 基坑群与地铁结构关系

项目2A期基坑整体开挖深度11.8m，2B期基坑整体开挖深度17.1m。2A期基坑围护结构为钻孔灌注桩支护+2道钢筋混凝土内支撑，2B期基坑围护结构为钻孔灌注桩支护+2道钢筋混凝土内支撑,局部设置3道支撑支护形式，如图3所示。基坑侧壁安全等级为一级，因工程建设需要，2A，2B期同期对称施工。地铁两侧对称基坑与地铁结构剖面关系如图4所示。

图3 地铁两侧对称基坑与地铁结构平面关系

图4 地铁两侧对称基坑与地铁结构剖面关系

1.3 水文地质条件

项目地处富水软土地区，主要以杂填土、淤泥质土、粉质黏土为主，影响基坑水层的有潜水层和第一承压水层，运营地铁结构处于第一承压水层,如图5所示。

图5 基坑水文地质条件

1.4 周边环境

项目位于天津市河北区，东侧为已施工完成的新建小区，距离基坑40.0m；南侧为富堤路及京杭运河，距离基坑52.0m；西侧建筑物距离10.0m，与市政道路距离7.0m；距西南侧既有建筑物最近约10.0m，距外侧富堤路约7.0m。地下管线距深基坑较远，分布于东侧新建道路上。

1.5 监测预警值设定

地铁变形控制指标如表1所示。

表1 地铁变形控制指标

基坑变形控制指标如表2所示。

表2 基坑变形控制指标

2 基坑风险分析

2.1中穿不同挖深软土基坑群

运营地铁两侧基坑开挖深度不同，开挖期间受不均衡侧向土压力影响极易引起地铁侧向位移，运营地铁水平位移是工程控制难点之一。前期针对工程特点进行有限元模拟分析，经模拟验算，区间隧道水平位移为12.97mm(2A→2B，预警值7mm)，车站主体水平位移为10.58mm(2A→2B，预警值6mm)，站体与隧道水平差异变形为0.8mm(2A→2B，预警值0.2mm)。

2.2 中穿软土基坑群运营地铁隆沉控制

经模拟反演，2A，2B期基坑开挖卸荷时最大隆起分别为60，84mm；基坑降水引起周边沉降平均12mm，最大21mm；以上隆沉造成地铁竖向变形达19.79mm(预警值12mm)。

2.3 地铁车站和盾构区间连接处差异沉降控制

站体筏板+桩基础结构为刚性体系，隧道区间管片结构为柔性体系，站体与隧道不同刚度沉降差异较大，经模拟反演地铁车站与盾构隧道区间连接处差异沉降0.58mm，超出控制值(0.2mm)。

3 地铁变形数值模拟

本工程模拟计算采用PLAXIS 3D建立整体三维有限元模型，如图6所示。模型以线路方向为x轴，垂直方向为y轴，竖直方向为z轴。为消除模型边界效应，x轴方向取480.0m，y轴方向取510.0m，z轴方向取60.0m。模型计算采用10节点四面体单元，共划分521 934个单元，754 700个节点。

图6 地铁隧道计算模型

地铁车站x向即水平位移最大值出现在地铁车站东侧地下连续墙中心处，呈现向3B期基坑移动趋势。z向即竖向最大位移为隆起变形，出现在东侧地下连续墙顶部靠近3B期东侧基坑位置，因受到3B期基坑开挖影响较大，x负向水平位移最大值6.48mm，x正向水平位移最大值12.97mm；隆起变形最大值19.79mm，沉降变形最大值6.31mm；隧道最大水平位移10.58mm，最大上浮19.63mm。通过以上分析可知，车站变形受2B，3B期东侧基坑开挖影响较大，在3B期施工过程中应加强监测车站，及时采取控制措施。

隧道x，y，z向竖向最大位移都出现在东侧隧道靠近2B期基坑位置，最大位移皆向2B期基坑移动，这是由于2B期基坑开挖深度较深所致。因此，开挖2B期基坑时，需严格控制开挖，监控隧道变形，并采取针对性保护措施，减少变形。

2B，3B期东侧地下3层基坑施工影响车站、区间隧道的程度如图7和表3所示，因此施工期间应严格进行控制。

图7 主要影响阶段分析

表3 数值模拟分析结果 mm

根据数值模拟分析结果，基坑开挖对既有地铁的主要影响在于车站主体、隧道竖向及水平位移、既有地铁车站、隧道结构最大收敛值及站端隧道结构的变形。根据预测结果，以上6项均超过报警值，需予以控制。

4 地铁变形数据智能分析

该项目基坑工程难度大、精度要求极高，常规的监测反馈方式不适用，基坑内部、基坑外部、地铁隧道内部、地铁外围结构、地下水位等部位的1 100余项监测点位数据需进行整理耦合，并要实现实时反馈，工作量与难度极大。该项目通过智能监测系统，将各监测数据和地铁监测数据同时纳入系统进行自动分析，更容易找出发生问题的关键点，为应急提供准确的数据支撑，从而在监测角度保证地铁运营安全，确保项目顺利实施。

以天津市地铁为例，目前为止已将所有地铁施工中存在的应急措施、预案进行规整，累计达360余项，且在不断完善中。地下结构施工存在诸多不确定因素，实施过程中会不断根据出现的风险完善应急管理体系，并针对性制定预防措施，明确应急分工，以形成完整的应急预警联动机制，保证第一时间采取各种应急措施实施控制，保证地铁运行安全。

该项目通过智能监测系统同时纳入地铁和基坑监测数据，并进行自动分析，每天形成汇总数据及变形曲线，可及时反馈预警点、数据，并根据监测数据调整施工步序，采取应对措施。

1)基坑监测点布设 根据基坑周边环境情况、水平位移基准点、监测点组成附合、闭合导线或导线网。在基坑周边的中部、阳角处及有代表性的部位布设监测点，在布设测斜管的对应顶部位置布设水平位移监测点，监测点水平距离≤20m。

2)运营地铁监测点布设 在地铁内采用智能监测系统实时监测地铁，监测点平面布设如图4b所示。监测内容包括地铁结构及隧道竖向位移、水平位移、差异沉降、隧道收敛等。

3)智能一体化监测 采用智能一体化系统实时监测、分析、预警运营地铁和基坑变形。通过高清PTZ摄像系统、智能化静力水准测量监测系统、测量机器人智能监测系统和结构缝开合度智能化监测系统，实现地铁结构主要变形指标智能化监测，系统控制基坑及地铁变形，以确保地铁运营安全。利用智能监测、分析系统，实现多点协作、信息共享、应急响应联动，通过多源数据融合进行大数据统计分析，通过多端口通信方式实时共享信息，保证在基坑监测点位异变的第一时间传递有效信息，以精细化管理控制地铁风险。

地铁停运期间，定期巡查地铁隧道内部，观察变形较大点位发展情况，及时分析原因，并统计整理地铁隧道内病害，分类比对智能一体化监测数据，校正智能监测疏忽点位，及时跟进处理异常点位。

4)信息化指导施工 利用模拟推演运营地铁变形数值，对监测数据进行自动化实时趋势分析，通过实际工况全景监控和报警应急处置系统，保证地铁运营安全的智能化推演、分析、应急处置。

施工前，通过模型推演变形数据制定应急预案，智能一体化系统分析监测数据实时变化后发送给专家。专家通过系统向现场管理人员发送指令，指导现场管理人员安排下一步工作。应急处置过程中，通过系统查看人、材、机应急准备时间，可对现场做相应预处置和应急准备，如图8所示。

图8 智能一体化监测系统

比对关键点位的变化趋势与模拟推演系统形成的控制点位趋势，校正模拟推演控制点位变形数据，通过数据调整不断真实化模拟推演。

5 实施效果

目前2A，2B期正施工地下结构；3A，3B期进入围护结构及桩基施工阶段，基坑施工期间地铁各变形指标变化均在可控范围内，变形数值较稳定。地铁变形情况如表4所示。

表4 地铁累计变形

地铁竖向最大位移10.3mm、水平位移4.8mm，地铁结构与隧道间差异沉降为1.7mm，如图9所示。随着土方开挖，地铁变形逐步加大，开挖卸荷位置距地铁结构不同，地铁变形的变化速率存在明显不同，变化曲线与模拟数据情况基本相符，如图10所示。

图9 地铁变形情况

图10 地铁轨道变形曲线

在启动抽降第一层承压水后，地铁出现0.4mm下降，有效缓解开挖卸荷引起的隆起变形。启动堆载反压后，地铁存在近0.6mm下降，随着土方开挖完成进入结构施工阶段，地铁变形得到有效控制，各项数据基本趋于稳定。

6 结语

在特级风险基坑施工中，及时、准确的监测数据是指导现场施工的有利依据，结合预定工况进行变形数据模拟，确定最不利点位，并采取智能化手段进行监测、分析，是控制基坑变形风险的有效手段，应加以推广应用。