既有盾构地铁区间上方新建管廊基坑的优化设计研究*

张海霞 段苒 李名淦

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

近年来，我国城市化进程快速发展，对地下空间的开发和使用越来越多，其中，地铁工程与综合管廊最为常见。在地铁工程和地下综合管廊不断建设的同时，地下工程之间会不可避免地发生规划节点冲突的情况，由此产生大量的近接施工的工程［1-3］，使施工过程变得复杂且有风险性。

位于地铁沿线上方的基坑，其开挖、降水等施工带来的土体扰动会使下卧土层和地铁隧道不可避免地产生附加荷载，改变原有的应力场和位移场，使隧道结构产生附加内力和变形，影响地铁运营安全。作为现代城市交通大动脉、生命线工程，地铁隧道、地下管线的结构安全关系着城市居民的日常生活及生命财产安全，对其变形的控制要求十分严格［4，5］。

由于隧道对不均匀变形的抵抗能力有限，尤其是目前软土地区广泛采用的盾构法施工的地铁隧道，若基坑开挖引起下方隧道纵向不均匀变形过大，则会造成管片开裂、渗漏或局部破坏，甚至会造成地铁轨道纵向扭曲变形，严重威胁隧道结构安全与地铁运营安全。国内外也曾出现过邻近地铁隧道的基坑开挖引起地铁隧道产生大变形甚至破坏的工程实例：Burford［6］最早报道了地铁隧道上方开挖卸荷导致隧道27年累计隆起50mm的工程案例；Chang［7］等分析了台北某地铁隧道因邻近基坑开挖而引起的隧道结构损坏的工程事故。因此，基坑开挖引起的隧道变形问题是当前地下空间开发遇到的重要且必须加以解决的问题，已经引起岩土工作者的关注和重视。目前，对近接施工影响的分析主要集中在两个方面：一是在施工过程中产生影响的分析与控制；二是在施工完成后后续影响的分析与控制。

本文以北京轨道交通7号线东延工程既有盾构区间上方新建7号线东延（万盛南街）地下综合管廊工程明挖基坑为工程背景，对比分析并确定管廊明挖基坑采用的支护方案；通过数值计算，分析基坑开挖卸荷对下方地铁盾构区间的影响，判断管廊结构基坑底与下方盾构区间隧道顶之间安全距离要求，并通过工程实际试验段的监测数据验证理论分析的正确性。

1 工程概况

北京轨道交通7号线东延（万盛南街）地下综合管廊工程位于通州区万盛南街，西起万盛南街与铺头西一路交叉路口东侧（地铁7号线东延万盛南街西口站以东），沿万盛南街路下向东至土桥中路。综合管廊总长度约5400m。管廊容纳电力、通信、给水、再生水等四类管线。管廊设电力1舱、电力2舱、水信舱共3舱室。

万盛南街道路红线宽度60m，主路东西向机动车道间绿化隔离带宽度9m，主辅路之间绿化隔离带宽度2m，辅路两侧有绿化带。万盛南街下有在建的地铁7号线东延车站及区间。管廊工程与地铁工程同步建设，综合管廊标准段顺行于路中位于地铁区间隧道上方，在云景东路站、小马庄站和高楼金站处与地铁车站主体共构，最上层为管廊层，以下为地铁站厅、站台层。部分与车站相接的明挖区间段也将管廊与明挖区间结合设置。其中，与地铁车站主体共构段长度约1130m，在地铁区间隧道上方共路由段长度约4270m。

工程所处场地第四纪地层分布较平稳，第四系覆盖层厚度约100m～200m，整个场地位于冲积平原，没有高大边坡，不存在岩体崩塌、开裂、滑坡和土体边坡失稳等造成的地震地质灾害问题，除填土外无其他特殊性岩土。基坑边坡土层信息及参数见表1。

表1 地层物理参数Tab.1 Stratigraphic physical parameters statistics

根据《岩土工程勘察报告》中现况地下水情况，管廊结构均位于潜水（二）水位标高以上，四通节点、集水坑等局部位置底板接近潜水（二）水位标高，地下水处理采用局部坑底注浆止水结合坑内明排方式。考虑到可能存在上层滞水、施工期间管廊局部埋深较深段潜水的影响，基坑开挖过程中，应做好基坑内的排水工作，如在雨季施工，必须准备足够的抽水设备。

2 共路由段基坑设计方案

2.1 共路由段结构设计概况

1.综合管廊标准段

共路由综合管廊标准段位于地铁盾构区间上方，采用明挖法施工，基坑深5.3m～11.2m，开挖宽9.7m～11.9m，综合管廊结构底距离地铁盾构区间结构顶间距大于6m，如图1所示。

图1 标准段管廊结构示意Fig.1 Diagram of standard segments in pipe gallery

2.综合管廊出线节点处

共路由综合管廊出线节点处结构位于地铁盾构区间上方，采用明挖法施工，基坑深9.9m～12.7m，开挖宽14.4m～16.4m，综合管廊结构底距离地铁盾构区间结构顶3.0m～7.5m。

2.2 共路由段基坑开挖及支护方案

地铁区间范围管廊明挖施工，基坑支护结构综合考虑周围环境条件、地质和水文情况、基坑特点、施工技术以及工程造价等诸多因素。因地制宜，选择技术安全可靠、经济合理的支护型式。

现状万盛南街道路红线宽度60m，主干道为双向6车道，中央隔离带约9m，为保证“占一还一”导改原则及相关树木伐移要求，管廊施工围挡场地宽度仅约22.7m。区间段管廊除颐瑞东路以东600m范围外，均位于现状道路中心附近设置，结构两侧距离围挡距离分别约7m和3m～5m，基坑无放坡条件。

管廊区间明挖段施工位于城市主干路中部，基坑平均深度约8m，路两侧有若干现状管线。若采用放坡开挖，基坑周边道路地层变形大，且与附近管线存在部分冲突，需要增加管线改移费用。为减小基坑开挖变形对周边道路、管线的影响，基坑支护选择钻孔灌注桩+内支撑（或锚索）方案。而若采用锚索方案，遗留锚索对后期道路范围内大型污水管线的实施存在不利影响。采用钢支撑可在管廊纵向分段施工时对钢支撑进行多次利用，降低钢支撑费用。

区间管廊标准段明挖结构顺行于现状道路路中，位于地铁盾构区间上方，两者竖向净距约6m～13m，局部下沉段最近距离仅约3m。管廊基坑施工时，地铁盾构区间已建成，为尽量减小对既有线区间结构的变形影响，需尽量减少基坑施工时的土方卸载。

综合比选后管廊明挖施工采用钻孔灌注桩+钢管内支撑方案。管廊结构标准段基坑支护结构剖面及相关尺寸参数如图2所示。

图2 管廊标准段支护结构剖面Fig.2 Supporting structure of pipe gallery standard segments

3 共路由标准段管廊基坑结构开挖对下方盾构区间变形影响

3.1 数值分析

由于标准段管廊结构施工时，下方地铁区间已建成，故需对盾构区间完成后在其上方开挖管廊基坑的工况进行数值分析。本次通过Midas GTS有限元分析软件，基于修正摩尔库仑准则及图2所示的结构断面尺寸，采用地层-结构模型（即复合整体模型），土层及主要结构材料参数如表2、表3所示。因工程地下水位较深，故管廊结构竖向范围不考虑地下水作用影响。

表2 土层参数Tab.2 Solum parameters

表3 主要结构材料参数Tab.3 Main structural material parameters

以6m（一倍盾构区间洞径影响距离）间距为计算工况，管廊基坑开挖造成的地层沉降及区间结构变形情况如图3、图4所示。

图3 开挖管廊基坑的地表沉降等值线（单位：m）Fig.3 Isoline of stratum deformation of the pipe gallery foundation pit（unit：m）

图4 盾构区间衬砌变位图（单位：m）Fig.4 Lining deflection diagram of shield-driven tunnel（unit：m）

通过数值计算分析可知，盾构施工完成后再开挖基坑施工管廊，基坑开挖时对盾构隧道结构会产生一定影响，但影响较小，最大地表沉降值约为18mm，最大盾构区间结构变形值约为5mm，均在相关规范要求的变形限值范围之内。故管廊结构底与盾构隧道顶的间距不小于6m处，可不需采取加固保护措施。

3.2 施工监测

选取部分管廊已施工区间标准段的施工监测数据，地表沉降及既有地铁区间在管廊结构施工过程中的变形值如表4、表5所示。

由表4、表5统计可知，在管廊施工过程中，地表沉降值最大约为16.25mm；下方既有地铁区间结构的实际沉降或上浮值均在设计变形控制值，最大日变形值约为0.51mm，累计变形值约为2.02mm。监测数据与数值计算结果（最大地表沉降值约为18mm，最大盾构区间结构变形值约为5mm）均吻合。

表4 试验段地表沉降监测值Tab.4 Monitoring values of surface settlement in test section

表5 地铁区间结构变形值Tab.5 Lining deflections of subway interval

4 结语

北京通州地区轨道交通7号线东延工程既有盾构区间上方新建万盛南街综合管廊结构为明挖法施工，其基坑采用钻孔灌注桩+钢管内支撑支护体系。对共路由范围单层标准段管廊施工工况进行数值分析，管廊与盾构区间间距为6m（一倍盾构区间洞径影响距离）时，盾构区间最大地面沉降值约为18mm，盾构区间结构最大变形值约为5mm，由此综合判断管廊基坑结构底与下方盾构区间顶之间满足安全距离要求。经管廊工程现场试验段的施工监测数据验证，数值分析数据正确、合理。