多项目同时施工对地铁结构共同影响分析

祝 斌，任姗姗

（杭州市勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

城市发展及城市空间的限制，导致现状地铁周边项目逐渐增多，包括地铁保护区内道路、隧道、管线、基坑等工程，这些工程的施工都会改变地铁结构的受力状况，从而引起地铁结构的变形，影响地铁运营的安全。为了加强地铁结构的安全保护，保证地铁结构运行安全，各地地铁主管部门对在地铁保护区范围内影响较大的项目需进行外部作业影响施工前预评估，评价项目对地铁结构的影响及采取有效的保护措施，保证地铁的运营安全，随着在相邻位置同时或交叉施工的项目不断增多，以前对单个项目进行外部作业影响预评估的模式存在一定的问题，因为相邻项目之间对地铁结构存在共同影响，在共同影响区内变形可能是叠加，也可能是抵消，单一的根据单个项目对地铁结构的影响来设置控制值有一定的局限性［1］。故本文引用一个工程实例，该实例原先是分析地铁隧道侧方基坑开挖对地铁隧道的影响，后由于工期问题地铁隧道下方的市政大直径盾构隧道也与本项目存在交叉施工问题，地铁盾构隧道变形出现报警［2－3］。通过对该实例研究和理论分析，对如何分析多个项目同时施工对地铁结构造成的共同影响提供经验和参考。

1 概述

1．1 工程概况

拟建项目为纯地下车库工程，无上部建筑，车库主体为地下两层，主体基坑尺寸为217．3 m×73 m，总面积超过1．5 万m2，主体基坑最大挖深约11．45 m。

本工程南侧临近地铁区间盾构，该区间隧道顶埋深在14．2 m ～15．6 m 左右，盾构隧道直径6．2 m，隧道底埋深在20．4 m ～21．8 m 左右，主体基坑围护结构外边线到地铁盾构外边线的距离最近为36．0 m。

地铁隧道下方还有地下快速路大盾构隧道。隧道顶埋深在29．8 m ～31．9 m 左右，盾构隧道直径11．36 m，隧道底埋深在41．16 m ～43．26 m 左右，大盾构隧道外边线距离盾构隧道外边线水平距离最近约7．60 m，竖向距离最近约11．28 m，主体基坑围护结构外边线到大盾构外边线的距离最近为17．0 m。

1．2 水文地质条件

本工程场地在地表填土层下浅部主要为河口相地层，系钱塘江口近、现代冲海积沉积的粉砂性土地层，中部为陆～海相软、硬土层交替沉积地层（以海相软层为主） ，下部为古钱塘江冲洪积沉积的砂砾石层。基坑开挖影响范围内主要为素填土和砂质粉土； 地铁隧道位于砂质粉土夹粉砂和淤泥质粉质黏土层； 地下快速路大盾构隧道位于粉细砂和中砂层。

潜水主要赋存于场区浅部①填土层及②层、③层粉砂性土中，一般表部填土潜水含水层其富水性和透水性具各向异性，透水性良好，其下粉砂性土含水层透水性较好，通常呈各项同性。稳定水位约在现地表下1．10 m ～2．60 m 左右，相当于85 国家高程3．56 m ～4．86 m 之间。承压水主要赋存于下部⑩层和瑏瑢层砂砾石层内，上覆淤泥质土和粉质黏土构成相对隔水层，含水层顶板埋深一般为27．80 m ～30．90 m，承压水水头高度埋深为7．48 m，相当于85 国家高程－0．81 m。

1．3 基坑围护结构设计

本工程周边场地相对平坦，基坑开挖面积较大，且工期相对紧张，根据相关工程建设经验，综合考虑各种因素推荐车库主体结构采用施工技术成熟，工艺简单，施工工期短的明挖法施工。具体围护方案如下：

1） 车库基坑分区进行施工，主体分3 区进行施工，各分区面积为：Ⅰ－A 区约5 100 m2，Ⅰ－B 区约5 200 m2，Ⅱ－A 区约5 500 m2，Ⅱ－ B 区约640 m2，Ⅱ－ C 区约650 m2，Ⅱ－D 区约240 m2。开挖施工分2 期： 一期为Ⅰ－A 区、Ⅰ－B 区，二期为Ⅱ－A 区、Ⅱ－ B 区、Ⅱ－ C区、Ⅱ－D 区。开挖控制工况：上一分区顶板完成并达到设计强度后再进行相邻分区施工。

2） 主体基坑支护体系采用 900@1 100 mm 钻孔灌注桩+3850@1 200 mm 三轴搅拌桩止水帷幕，邻地铁侧采用1 000@1 200 mm 钻孔灌注桩+800 mm厚TRD 工法止水帷幕，坑内设置2 道钢筋混凝土内支撑，布置情况详见图1，图2。

图1 基坑围护结构与地铁及市政大盾构隧道设施相对位置关系平面图

图2 基坑围护结构与地铁及市政大盾构隧道设施相对位置关系剖面图

1．4 施工顺序

原施工工况：地铁隧道及市政大盾构隧道施工完成后进行本项目基坑开挖。

实际施工工况： 地铁隧道及市政大盾构靠近基坑侧（北线） 隧道已施工完成后，市政大盾构远离基坑侧（南线） 隧道还未施工，本项目开始打设工程桩及围护桩，期间市政大盾构（南线） 隧道穿越本项目区间，大盾构隧道施工工期较短，穿越本项目区间约1 个月工期，市政大盾构隧道穿越本项目区间后本工程开始基坑开挖，本工程工期约15 个月。

2 基坑开挖分析

2．1 计算说明

由于原计划施工安排为本基坑项目在地铁隧道及市政大隧道都施工完成后再开始施工，故前期本项目施工前预评估未考虑大盾构施工对地铁盾构隧道的影响，仅对本项目基坑开挖对地铁结构的影响做了分析。

本基坑项目采用有限元MIDAS/GTS 作为计算分析软件，模拟土体材料本构模型采用土体硬化模型（HS 模型） ，它是一种高级土体模型。同理想弹塑性模型不同的是，它可以考虑土体的压缩硬化和剪切硬化特性，屈服面随塑性应变的发生而扩张。大量用于基坑开挖、盾构隧道推进等工程的有限元模拟，模拟结果与实际情况吻合较好。参数选取见表1。

表1 土体物理力学性质参数

2．2 计算模型及工况

围护桩按照抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的地连墙进行内力分析。本基坑围护墙、隧道均采用板单元模拟；支撑采用梁单元模拟。

由于本模型范围内坑外基本不降水，且有止水桩隔离，此处不考虑渗流场及其对土体应力场的影响。

GTS NX 中建立长为690 m，宽为420 m，高为80 m的模型，如图3 所示。

图3 计算模型图

2．3 计算结果及分析

按表2 对基坑开挖各个工况进行模拟，模拟结果显示基坑开挖对地铁盾构隧道变形影响最大的工况为工况二十三（如图4，图5 所示） ，此时地铁盾构隧道水平最大位移为2．19 mm，竖向最大位移为1．98 mm。各主要工况下有限元模型计算的地铁盾构隧道的变形情况如表3所示［4－6］。

表2 本基坑数值计算施工步骤表

图4 工况二十三时地铁结构水平位移云图

图5 工况二十三时地铁结构竖向位移云图

表3 基坑施工主要工况下地铁隧道最大位移

3 监测结果及分析

基坑在分坑Ⅰ－A，Ⅰ－B 施工楼板、换撑，拆除第一道支撑的工况时，出现了地铁盾构隧道沉降报警（预警值3 mm，报警值4 mm，控制值5 mm） ，具体报警预警位置详见图6［7］。

图6 地铁保护监测点平面布置图及监测报警位置图

3．1 盾构隧道道床沉降监测情况

自动化监测盾构隧道道床沉降累计变化量沿里程分布曲线分别见图7，图8。

图7 地铁隧道上、下行线道床累计沉降沿里程分布曲线图

图8 地铁隧道上、下行线道床沉降累计变量时程曲线图

为分析基坑工程施工进展对道床沉降变化的影响，分别绘制上、下行线道床沉降时程曲线，见图8。道床沉降值负值表示下沉量。道床监测数据表明，东基坑（Ⅰ－B 区） 开挖土方之前地铁隧道道床沉降约1 mm ～2 mm，西基坑（Ⅰ－A 区） 开挖土方节点后地铁隧道道床沉降明显加大，下行线达到－4．5 mm 左右，上行线相比较小为－3 mm 左右，一个月后地铁隧道道床沉降又趋于平缓；地铁隧道由时程曲线图可以看出西基坑开挖后一个月（5 月～6 月） ，道床沉降增加速率明显加快，后未有明显增大趋势，地铁下行线累计值相对较大，地铁隧道道床沉降监测数据与基坑开挖反映隧道道床沉降的变化规律略有差异。

3．2 盾构隧道水平收敛监测情况

盾构水平收敛累计变化量沿里程分布曲线分别见图9，图10。

图9 地铁隧道累计水平收敛位移沿里程分布曲线图

图10 地铁隧道上、下行水平收敛累计变量时程曲线图

为分析基坑工程施工进展对隧道水平收敛变化的影响，分别绘制上、下行线盾构水平收敛累计变量时程曲线图，如图9（a） ，图9（b） 所示。水平收敛正值表示扩径。监测数据表明盾构上、下行线水平收敛值总体呈逐步增大趋势，基坑开挖前后变形速率较为稳定，过程中逐渐增加，未出现突变情况。根据上、下行线盾构水平收敛情况对比可以看出，远基坑地铁上行线变化速率和累计值相对较大，隧道水平收敛监测数据与基坑开挖反映隧道收敛的变化规律略有差异。

3．3 监测结果分析

1） 本项目基坑开挖深度约为11．45 m，地铁盾构隧道顶埋深14．2 m ～15．6 m，地铁盾构隧道顶位于基坑开挖底面以下约2．75 m ～4．15 m，根据按理论分析及有限元模拟结果，基坑开挖工况下，地铁盾构隧道竖向位移为上浮，而实际监测数据显示为沉降；基坑开挖扰动按理论分析对近基坑地铁隧道扰动较大，而实际监测数据显示为远基坑隧道收敛变形较大。与实际基坑开挖反映隧道变化规律略有差异。

2） 分析除本项目基坑开挖工况外本地铁盾构隧道区间其他工程建设活动，发现地铁盾构隧道下方前期存在市政大盾构的施工，市政大盾构隧道南线在本项目基坑开挖前穿越本基坑区间，且根据监测数据可知穿越期间对地铁隧道造成约10． 0 mm ～12． 5 mm 的沉降和约－2．0 mm ～4．8 mm 的水平收敛，虽然本项目在大盾构穿越本区间后进行了数据清零，但根据当时地铁隧道沉降、收敛的监测数据，当时地铁沉降速率并没有稳定。

3） 对本区间地铁盾构所处地层分析，地铁盾构隧道底处于淤泥质粉质黏土层中，该层土性质较差，易受扰动，且存在一定的蠕变性，后期沉降稳定周期较长。

4） 经分析本区间地铁盾构隧道超报警值的主要原因是市政大盾构施工过程中扰动周边土体，由于淤泥质粉质黏土层的蠕变特性，导致大盾构工后对地铁隧道的影响较大且持续时间较长，地铁盾构隧道持续出现沉降变形。

4 结论

目前由于地铁保护区内施工频繁，同一区段内可能存在多个项目交叉或同时施工，单一的分析某个项目施工对地铁结构的影响不够全面，对后期地铁结构的变形控制不利，故通过多个项目实践及本文的工程案例，形成以下结论建议供后期在同一区段存在多项目同时或交叉施工的地铁安全评估参考。

1） 盾构隧道下穿地铁隧道时对其影响较大，且在淤泥质土层中影响持续的时间也会更长。

2） 同一区段存在多个项目同时或交叉施工时，对地铁结构存在共同影响，且根据工况及地质情况的不同，影响程度及影响的持续时间也不同，目前大部分安全评估单纯的分析单个项目对地铁结构的影响，有一定的局限性。

3） 对于对地铁结构存在共同影响的项目，需对该区段各个同时或交叉施工的项目按工况共同考虑进行施工前预评估，评估各项目各工况对地铁结构的影响及对地铁结构的共同影响，从而合理确定地铁结构总的变形控制指标，以及合理分配各项目和各工况的报警值、控制值，也便于后期地铁结构变形报警或超控制值后的报警分析并能提出更有针对性的加强措施，保证地铁的运营安全。