某紧邻地铁项目深基坑支护设计与地铁安全评估

梁笑寒

近年来，城市轨道交通（地铁）发展迅速，依附于地铁的建筑备受青睐，城市核心地段紧邻地铁的项目屡见不鲜，出于对轨道交通保护及节约成本需要，对紧邻地铁深基坑支护设计要点、原则以及地铁安全评估进行研究总结十分必要，本文结合实际案例进行论述。

一、项目概况

项目位于广东珠三角区域，总建筑面积约30万m2，主要业态为城市高端住宅及附属商业，建筑物与已有地铁联系紧密，地下室与地铁车站内部连通。本项目所处场地存在深厚淤泥质粉细砂层，基坑西侧及北侧为已有建筑物，东侧为空地，南侧紧邻已建地铁车站及地铁区间隧道，位于地铁特殊保护区范围内，且周边50m内有河涌，地下水较为丰富。基坑周长约1000m，面积约30000m2，开挖深度约6～10m。

二、基坑支护方案

1.特点及设计原则

本项目基坑有如下特点：（1）影响因素复杂；（2）位移等控制严格；（3）设计考虑因素多；（4）工程造价高；（5）施工组织要求高。重点要考虑基坑安全性及对地铁结构的保护，在此前提下尽量经济。基于以上特点，基坑设计遵循如下原则：

（1）位移等控制严格，邻近地铁侧的基坑位移值控制在常规项目允许值的1/2 左右，以满足地铁安全评估要求；

（2）地铁30m内采用整体刚度较大的地连墙等支护体系；

（3）止水尽量采用可靠性高的三轴搅拌桩等形式；

（4）考虑内支撑传力连续可靠性及拆撑时各种不利工况；

（5）摸清地铁车站及车站基坑支护结构、隧道之间的关系，争取利用已有支护结构体系，减少非必要新建支护结构对临近地铁造成不利影响并可节约成本及工期。

2.设计方案

基于以上特点及设计原则，本基坑采用灌注桩/地连墙+内支撑+局部坑内满堂加固（靠近隧道区域）+大直径（800）三轴搅拌桩止水方案，其中靠近地铁车站范围利用已有地铁车站基坑支护的地连墙，详见图1。基坑南侧环境等级为一级、支护结构安全等级为一级；其余环境等级为二级、支护结构安全等级为二级，设计使用年限为二年。

图1 基坑支护选型示意图

计算结果表明在开挖及拆撑过程中基坑均处于安全状态，位移均在规范按要求的30mm限值之内，其中靠近地铁车站及区间隧道最大位移约12mm，远离地铁车站及区间隧道的支护最大位移约30mm，基坑各方面均满足要求。

三、安全评估

紧邻地铁深基坑除满足自身安全外，尚应进行专项地铁安全评估，确保地铁结构在深基坑实施的各个阶段均处于安全及正常运行状态。

1.安评内容及参数确定

安全评估分析应论证充分、准确全面。重点进行三维模型下各种可能工况下既有地铁结构的位移、沉降、内力、裂缝等分析，并结合实际科学合理确定位移等参数。一般位移控制应结合相关规范要求、区域企业标准、业内专家意见、既有监测数据、地铁所处阶段、类似项目经验、现状踏勘情况以及地铁保护部门的要求等综合考虑。本项目的安全控制指标如表1。

表1 地铁结构安全控制指标表

2.安评结果

（1）基坑设计结果可靠性分析

为验证基坑设计结果的可靠性，选取典型剖面进行安全评估佐证，结果表明两者计算结果吻合，位移、弯矩及剪力等差异均在12%以内，证明结果可信。

（2）深基坑三维有限元模拟

在评估基坑施工对地铁车站及隧道影响之前，需先对基坑自身施工过程中安全性进行评估。评估分析表明TxTyTy向最大位移分别为19.2/22.0/4.8mm，均小于一级基坑位移控制值30mm。

（3）既有车站及隧道模拟

经三维有限元分析知，随着基坑开挖地铁车站结构位移值逐渐增大，主要变形趋势表现为水平向朝向基坑侧产生变形、竖向产生向上隆起变形，最大值为5.79mm，均小于控制值10mm；区间隧道水平位移趋势为朝向基坑内侧、竖向位移趋势为隆起趋势，整个基坑开挖过程中地铁区间隧道累计最大水平位移为3.83mm＜控制值8mm,累计最大竖向位移为1.25mm＜控制值9mm，均满足要求。

同时，内力分析表明：区间隧道结构在基坑开挖过程中轴力呈减小的趋势，弯矩呈增大趋势，开挖至基坑底时弯矩达到最大，拆撑后弯矩明显降低，而轴力增加，均满足设计及使用要求。

因此，在基坑开挖作业过程中地铁车站及区间隧道结构处于安全可控范围内。

（4）地下水变化分析

当基坑出现降水以及漏水时，水位下降会导致作用于盾构隧道结构外壁的有效土压力增加，从而影响盾构隧道结构的受力，通过建立隧道模型分别针对不同水位变化进行分析。

分析结果表明：随水位下降，轴力峰值减小，剪力及弯矩峰值增大。结合隧道管片截面及配筋等，考虑到地层水位下降对地铁盾构区间盾构隧道的内力影响，在基坑开挖施工过程中当周边地下水位下降幅度超过2.0m时应立即采取应急措施。

（5）隧道轨面横向高差分析

经计算本项目隧道变形曲率半径为250000m，参考刘庭金《地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究》论文研究成果：当盾构隧道纵向变形曲率的半径大于15000m时,环缝张开量和螺栓应力均处于较低水平，地铁隧道处于安全状态。

本项目隧道已经铺轨，经计算隧道轨道面横向高差为0.06mm，小于2mm的控制要求,故高差满足运营要求。

四、结论及建议

因地铁保护的需要，紧邻地铁的深基坑设计难度大、考虑因素多、工程造价高、地铁安全性评估至关重要等，小结如下：

（1）紧邻地铁深基坑应采用刚度较大的支护体系，比如地连墙。位移等控制值严格，建议紧邻地铁范围位移控制在常规项目允许值的1/2左右，以满足地铁安全评估要求。

（2）摸清拟建基坑与地铁支护结构、隧道等之间关系，在允许的情况下，争取利用已有结构，减少新建支护结构施工对地铁造成不利影响并可节约成本及工期。

（3）基坑设计及开挖应满足地铁安全及运行需要，须进行地铁安全性评估，对地铁结构位移、内力、变形差等进行分析，并严格控制地下水位变化范围。

（4）基坑实施期间应根据基坑设计要求及地铁安全评估建议，制定科学合理的应急预案。