基坑施工对下卧地铁隧道影响与控制措施

林启明

（广州开发区财政投资建设项目管理中心 广州 510663）

0 引言

随着城市地下空间开发的大规模发展和轨道交通网络的不断完善，已建地铁隧道与新建地下工程之间的冲突日益突出，在运营地铁隧道上方进行的基坑工程不断出现［1］。在已有地铁隧道的上方建设基坑工程存在2个方面的问题：①由于基坑卸载引起土体回弹导致的地铁隧道上抬；②由于上部结构超载产生的附加应力导致的地铁隧道下沉。已运营地铁隧道变形控制要求极为严格，运营地铁上方基坑施工时，地铁隧道结构最大位移不得超过10 mm。因此，基坑施工过程中必须采用严格的工程措施，以保障既有运营地铁隧道的正常使用和安全［2-3］。近年来，众多学者对地铁上方基坑工程施工引起的隧道变形及控制措施，进行了大量的研究和实践工作［4-11］。

本文以广州某地铁项目施工为工程背景，利用数值分析对围护桩施工和明挖基坑开挖进行分析，评估了对地铁隧道的影响风险，提出了相关的控制措施，确保地铁隧道安全和地铁正常运营［12］。

1 工程概况

1.1 工程简介

某车站为地下3层岛式站台，上跨既有地铁3号线。明挖段全长约332.0 m；暗挖段全长58.15 m，明暗挖段总长390.15 m。基坑标准段宽23.0 m，开挖深度25.5～27.4 m，车站围护结构采用钻孔桩+旋喷桩止水+内支撑的组合式支护体系。钻孔桩为φ1 200@1 400 mm，桩长24.5～47.5 m，嵌入基坑底1.5～2.5 m，桩间采用φ600 mm双管旋喷桩止水。

1.2 工程地质情况

根据工程勘察报告，场地内地质情况自上而下分别为：①杂填土层；②素填土层；③粉细砂层；④可塑状粉质黏土层；⑤硬塑状粉质黏土层；⑥全风化碎屑岩层；⑦强风化岩层；⑧含砾岩中风化层；⑨砾岩中风化层；含砾粉砂岩微风化层砾岩微风化层。某地铁车站主体地质纵剖面如图1所示。

图1 车站主体地质断面Fig.1 Main Geological Section of the Station

1.3 明挖基坑与地铁隧道位置关系

明挖基坑与地铁隧道交叉角度约80.5°，地铁隧道横跨基坑范围北侧为双线+单线（渡线）隧道，南侧为3条单线隧道，双线隧道初支及二衬厚度约900 mm，单线隧道初支及二衬厚度约600 mm，初支锚杆长度3 m，位于〈9-3〉微风化泥质粉砂岩层，明挖基坑坑底与地铁隧道位置关系如图2所示。明挖基坑坑底与地铁隧道顶部最小距离约3.265 m，距离隧道锚杆最近距离约0.265 m，如图3所示。

图2 基坑基底（底板）与3号线隧道位置示意图Fig.2 Schematic Location of Foundation Pit Bottom（bottom plate）and Line 3 Tunnel

图3 基坑围护桩桩底与地铁隧道位置关系立面Fig.3 Elevation of the Position of Foundation Pit and Subway Tunnel（mm）

2 基坑施工对地铁隧道影响分析

2.1 围护桩施工对地铁隧道影响分析

当围护桩钻到桩底标高，分析钻孔桩施工对下卧地铁隧道结构的影响。当围护桩钻到桩底时，钻机对底部岩石的最大施加力为500 kN，考虑到土体挖除及泥浆自重，根据钻桩工况及地铁隧道二衬应力最大值为9.31 kPa，经计算分析，桩基施加到隧道上面的应力所引起的最大位移为下沉0.86 mm，如图4所示，满足地铁隧道自动化监测安全控制指标值中隧道沉降位移小于15 mm的设计要求。当围护桩施工完成后，实测到围护桩施工过程对地铁隧道所引起的最大竖向位移为下沉0.39 mm，小于设计值和计算值。

图4 钻孔钻至桩底时地铁隧道竖向位移Fig.4 Vertical Displacement of the Subway Tunnel at the Bottom of the Pile

根据钻桩工况及地铁隧道二衬应力最大值计算弯矩，隧道上方的应力所引起的最大弯矩为697 kN·m，如图5所示，经复核地铁隧道原有配筋可以满足隧道的安全。在围护桩施工期间地铁隧道结构未出现因上方的应力而引起受损的情况。

图5 钻孔钻至桩底时地铁隧道弯矩Fig.5 Moment Diagram of Subway Tunnel when Drilling to the Bottom of the Pile

2.2 基坑开挖对地铁隧道的影响分析

明挖基坑在地铁隧道正上方开挖，开挖深度每段从中间向两端推进，开挖最大深度27.4 m，基坑坑底与地铁隧道结构竖向最小距离3.265 m，地铁隧道为矿山法，设有3.0 m的锚杆。根据明挖基坑与地铁隧道相交处的工程地质情况，使用Midas GTS/NX软件建立三维计算模型［12］，如图6所示。

图6 明挖基坑与地铁隧道计算模型Fig.6 Calculation Model of Open Excavation Foundation Pit and Subway Tunnel

明挖基坑开挖到基底时，分析明挖基坑施工对地铁隧道结构的影响。根据工况计算结果，当明挖基坑开挖到坑底时，由于卸载作用，地铁隧道发生整体上浮，最大上浮值为2.19 mm，如图7所示，满足地铁隧道自动化监测安全控制指标值中隧道沉降位移小于15 mm的设计要求。依据地铁隧道自动化监测数据，明挖基坑开挖至坑底时，地铁隧道最大上浮值为3.95 mm，大于计算值，但在设计允许值范围内。

图7 基坑开挖到坑底时地铁隧道竖向位移Fig.7 Vertical Displacement of Subway Tunnel during Foundation Pit Excavation to the Pit Bottom

3 控制措施

3.1 围护桩施工

⑴为避免由于围护桩施工振动给地铁线路运营带来影响和确保成孔桩长的准确性，减少钻机对孔底隧道围岩和锚杆的扰动，在地铁隧道正上方围护桩施工采用旋挖钻孔桩，严禁采用冲孔施工。

⑵围护桩施工前先做工艺性试桩，取得施工参数包括泥浆比重、含砂率、粘度，距离桩底2.0 m范围内的扭矩、油压等，下笼效率和钢筋笼分节长度，成桩质量和灌注混凝土速度等才能施工后续围护桩。

⑶采取跳5根桩（即1、6、11的顺序）施工，并且在确认相邻围护桩混凝土强度达到100%后方能进行下一条桩施工。

⑷为避免旋挖钻孔桩施工过程中碰撞地铁隧道的锚杆，应严格控制桩长，在钻进深度离终孔桩底2.0 m范围内，采用筒式取心钻头-锥形螺旋钻头-双层底的旋挖钻斗成孔，轻压慢磨，最大限度减小对隧道围岩扰动，钻机压力控制在50 t以内。

3.2 明挖基坑施工

⑴基坑开挖提前1周跟随开挖面分区域逐步降低地下水位，每次降水深度为该区域基坑开挖面以下1.0 m。并遵循“分期封闭、纵向分段、横向分块、竖向分层、每层分台阶、先撑后挖、严禁超挖、基坑底垫层随挖随浇、分段施作结构”原则进行开挖，尽量缩短基坑的无支撑暴露时间，有效控制围护结构变形。

⑵基坑土方及强风化岩层采用挖机直接开挖，中、微风化岩层石方开挖采用静力爆破。

⑶地铁隧道保护区吊脚段基坑前3层开挖同标准段开挖程序，基坑第4层采用在基坑中部拉槽开挖至基底以上0.3 m，架设第5道支撑后，再开挖两侧剩余石方。基底以上0.3 m及下翻梁区域最后开挖，严格控制静力爆破钻孔深度，减少对地伯线路结构扰动。

⑷明挖基坑底部设置抗拔桩，抗拔桩设置在隧道左右线两侧及中间，通过浇筑底板与抗浮桩形成“保护箍”。

4 地铁隧道监测

地铁隧道采用自动化监测系统，围护桩施工期间、基坑开挖前监测断面按10.0 m间距布设；基坑开挖期间、车站主体结构混凝土浇捣到基坑土方回填期间监测断面按5.0 m间距布设，每个断面布设5个监测点。监测项目为水平位移、竖向位移（沉降）、相对收敛、轨道横向高差，监测控制指标值如表1所示。

表1 地铁隧道自动化监测安全控制指标值Tab.1 Safety Control Index Value of Automatic Monitoring of Subway Tunnel

地铁隧道在围护桩与基坑开挖施工期间，均采用自动化监测，每天定时上报监测数据，相关单位收集监测资料，分析监测数据，并根据监测数据的变化情况及时调整施工工艺或施工顺序。

5 效果评价

基坑挖至基底及基坑底板浇捣完成后1个月，明挖基坑与地铁隧道重合段自动化监测系统测得的累计最大变形值如表2所示，从表2中可以看出，不论是基坑挖至基底时，还量基坑底板浇捣后1个月，各项监测数据累计变化值均未达到报警值，满足地铁隧道自动化监测控制指标值的设计要求。

表2 地铁隧道自动化监测累计值最大变化量统计Tab.2 Statistics of Maximum Change of Automatic Monitoring of Subway Tunnel

6 结论

本文以地铁某车站基坑的施工为工程背景，利用数值分析对施工过程进行动态模拟分析，通过严格控制影响地铁隧道结构范围的桩基施工和基坑开挖，取得良好的效果，可为以后类似工程提供参考。得出的结论有［12］：

⑴围护桩施工期间未碰撞既有线路矿山法隧道的锚杆和给隧道围岩造成大的扰动。

⑵明挖基坑的开挖，由于卸载引起土体回弹导致下卧地铁隧道上行线路隆起，下行线路沉降。

⑶设计上明挖基坑底部在隧道左右线两侧及中间设置抗拔桩，通过浇筑底板与抗浮桩形成“保护箍”。浇筑底板与抗浮桩后，一是可以阻止板底土体继续回弹，避免地铁隧道隆起；二是可以把上部结构荷载传递至桩基，避免地铁隧道下沉［3］。

⑷地铁隧道采用自动化监测系统，定时反馈地铁隧道结构变形数值，便于及时分析、处理，做到信息化施工。

⑸底板混凝土浇捣后1个月，从地铁隧道结构变形实测值看出下行线为隆起，上行线为下沉，与明挖基坑挖至坑底时正好相反，这可能与此处的双隧道交汇，交汇处隧道空间和跨度较大有关，同时应关注同一断面测点数值升降的幅度叠加对地铁结构的影响，值得以后有类似工程的研究。目前，这种情况未对地铁隧道结构造成风险。