填海区运营地铁上方深基坑施工技术研究

缪绍勇

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

随着城市经济的快速发展，轨道交通项目与地下空间的开发迅速兴起。地铁上盖空间、站点及周边建设项目越来越多，施工带来的风险也越来越大，许多新建、改建和扩建工程离地铁非常近。施工过程中对土体的扰动，不可避免地将引起下卧土层和隧道结构的变形。因此，施工过程中对邻近地铁隧道变形的影响，是我们需要密切关注的问题。不仅关系到地铁隧道的正常使用及安全性，同时也决定了项目的进程[1-10]。

1 工程概况

双界河水廊道工程位于双界河宝安大道桥—出海口段，在深圳市前海合作区的最北端，是前海合作区和宝安区的界河。双界河水廊道总长约1.69 km，主槽宽度30～35 m，堤距155～263 m。本工程基坑主要为形成河道主槽，保证河道行洪及防风暴潮安全。水廊道主槽底高程－2.00～－1.95 m，采用矩形布置形式。水廊道下方有多条运营地铁线路，如图1所示。施工期间地铁保护要求极高，地铁隧道上浮不得超过10 mm。设计方案采用门式支架对地铁隧道进行保护。

图1 双界河与运营地铁线路立面空间关系

2 基于不同开挖条件下的有限元分析

2.1 初始条件设置

采用Plaxis有限元分析软件进行分析。Hardening-Soil模型采用3个不同的输入刚度，即：三轴加载刚度、三轴卸载刚度和固结仪加载刚度，该模型使用了一条双曲应力-应变曲线，所有的刚度随着压力的增加而增加，从而更符合实际情况。

1）分析对象。本次研究对象为前海市政工程三标的双界河水廊道进行基坑开挖对下方地铁保护区的影响。

2）分析模型。针对不同分析对象采用不同的单元类型和本构关系，具体见表1，分析模型的底部采用全自由度约束，即水平、竖直向固定约束，侧面采用法向约束，允许竖向变形。

表1 分析单元类型与本构模型

采用图2所示的典型门式加固进行建模分析。

图2 门式加固计算剖面示意

3）施工工况模拟。

① 初始应力条件。初始应力条件的确定是模型建立的一个关键问题。根据分析问题的不同，采用不同的初始应力场。基坑开挖前场地存在初始应力场，故首先按土体自重应力场来模拟场地存在的初始应力场。对于水平土层条件的初始应力场可以采用KO系数法。在上述应力场基础上，初始化所有位移与应变为零，仅保存其变化的应力场作为基坑施工模拟的初始应力场。

② 初始应力状态。采用有限元软件中“单元生死”的方法，在基坑开挖前激活，考虑其对初始应力场的影响，同时在场地现状模拟对初始位移归零，更直观地反映出本次基坑开挖对下方地铁保护区的影响。

③ 基坑开挖过程利用有限元软件“单元生死”技术模拟，通过分步杀死土体单元，模拟土体开挖的全过程。

2.2 无措施开挖引起的地铁隧道隆起

模拟无任何加固措施的情况下，进行主槽基坑开挖时，基坑坑底隆起对地铁隧道的影响。计算结果如图3、图4所示。

图3 下方左线地铁变形（最大变形17.78 mm）

图4 下方右线地铁变形（最大变形17.83 mm）

根据上述模拟分析，主槽开挖引起的基底隆起对地铁隧道会产生较大的影响，地铁隧道向上隆起约17.8 mm。

2.3 顶部土体加固对地铁隧道的影响

模拟打设完抗拔桩及采取地铁隧道上方土体加固措施的情况下，进行主槽基坑开挖时，基坑坑底隆起对地铁隧道的影响。计算结果如图5、图6所示。

图5 下方左线地铁变形（最大变形13.47 mm）

图6 下方右线地铁变形（最大变形13.55 mm）

根据上述模拟分析，主槽开挖引起的基底隆起对地铁隧道产生的影响略有减小，地铁隧道向上隆起约13.6 mm。

2.4 有限元分析结果

综合上述不同工况下的有限元分析，主槽开挖引起的坑底隆起对地铁隧道的影响如表2所示。

表2 不同施工情况下基坑开挖对地铁隧道变形的影响分析

由此可见，在地铁隧道上方进行土体地基加固，虽然会对隧道的抗隆抗浮产生一些有利作用，但效果并不显著；当地铁隧道上方门式结构起抗浮作用时，隧道变形效果明显。

然而，按原方案分2次开挖，开挖至标高1.0 m处时，土体已经卸载，开始施工抗拔桩、高压旋喷桩，以及二次开挖再形成门式结构需要较长的工期，地铁隧道变形仍然很可能会超过10 mm的限值。

因此，需要改进施工方案，首先要确保抗拔桩、高压旋喷桩施工期间的隧道稳定，其次要加快地铁隧道上方门式结构的形成，并使其尽快起到抗浮抗隆作用。

3 综合抗浮防变形措施及实施效果

如何加快地铁隧道上方门式结构的形成，并快速起到抗浮抗隆作用是本工程的关键。因此，在门式结构形成并起到抗浮抗隆作用之前，需要采用相应的抗浮措施，尽可能降低地铁隧道的不均匀隆起变形，起到保护地铁运营线路的作用。

3.1 提高地铁隧道上方抗拔桩和土体地基加固措施作业面

先进行抗拔灌注桩和高压旋喷桩土体地基加固施工，再进行分期分层开挖。该段地铁上方原有填海区覆土厚度本身较少，由于一期开挖后因灌注桩施工工期导致地铁上方卸载时间较长，造成隧道结构变形值增大。减少地铁因上方深基坑开挖卸土，加固形式未能及时有效形成期间产生不稳定的因素，保证运营地铁线路的安全可靠。此优化方案虽然增加了少量空桩造价，但是对地铁保护施工却起到了极大的作用。

3.2 降水抗浮措施

通过布置降水井实施基坑降水，有效降低隧道所受向上浮力。同时，降水能够加快土体的固结，起到抑制隧道上浮的作用。优化取消原各地铁线路采用的电渗降水方案，改为井点降水，并加密降水井布置的措施，同时将降水井深度加深1～2倍。此处理措施主要考虑该区域邻海，早晚期间潮汐涨落导致水位变化较大，水头差压力变化明显，特别是邻近出海口仅500 m的5号地铁线，为保证基坑开挖期间水位稳定，减少地铁保护范围内的水位影响。该措施落实施工一个月后，水位最多较原方案降低了5 m，针对流砂对降水井产生的堵塞、埋井等影响也得到有效改善，且各地铁线路上浮数值有所降低，优化措施效果明显。

3.3 分块开挖卸荷措施

将原来的放坡开挖形式改为地铁保护区两端同时采用竖井进行开挖。此处理措施主要考虑放坡开挖一方面需要增大地铁上方的土方卸载量，造成基坑加固不稳定性，另一方面放坡开挖需要施工时间相对较长，给门式抗浮结构的加固造成一定的延后，增加了地铁保护的不稳定性。此优化方案不仅大量减少了地铁上方的卸土量，还能适当缩短地铁上方基坑开挖过程地基加固处理的时间，减少施工挖土卸荷对地铁上浮的影响，确保地铁能尽早得到保护。通过此优化挖土方式，将原来单块地铁保护区段的施工卸土作业时间12 d（不包含灌注桩施工暴露时间）缩短至8～10 d，有效缩短了门式抗浮结构起到加固作用的时间，地铁上浮监测数据有效降低，并更早地趋于稳定数值。

3.4 “门式结构”快速形成技术

从若干不同开挖条件下的基坑开挖引起地铁隆起的有限元分析结果可知，当“门式结构”形成并开始起作用后，对地铁隧道抗隆起等的整体保护作用十分显著，如何加快“门式结构”的形成，使其尽快参与对地铁的保护作用，是十分必要的。因此需结合现场条件，总结形成“门式结构”快速形成技术。每一分区竖井开挖到底后采用预制装配式混凝土梁和盖板安装理论上只需要2 d的时间就能完成一块施工段的门式抗浮结构段，且其仅需浇筑节点部位混凝土，浇筑方量小，通过掺入早强剂或提高混凝土强度等级等措施，能够大大加快“门式结构”的形成并缩短其起作用的时间。

4 施工效果

施工过程中通过此优化挖土方式，将原来单块地铁保护区段的施工卸土作业时间12 d（不包含灌注桩施工暴露时间）缩短至8～10 d，有效缩短了门式抗浮结构起到加固作用的时间，地铁隧道始终处于稳定和安全的可控状况。施工过程各项地铁监测数据稳定，累计变形均控制在7 mm以内，满足设计要求的10 mm以内，地铁结构变形得到有效控制，施工工期得到有效加快。本工程于2017年年底顺利完成所有4条已运营地铁线路保护区段内的施工内容，并回填土至设计河槽底标高。

5 结语

单一的加固方式无法控制地铁隧道变形影响，更无法保证上方地铁运营的安全。利用基坑开挖“时空效应”，加快土方开挖，配合预制装配式工艺，及早形成门式结构，显著提高对地铁隧道的保护作用。实际过程中，门式结构应与其他综合抗浮防变形措施相互配合。该综合门式结构加固可应用于其他类似工程，在运营中的地铁隧道加固方面应用前景广阔。