紧邻隧道的大型基坑变形控制设计

王小波，章良兵，王笃礼

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

随着城市建设的发展及地下空间利用规模的不断扩大，各种交通网越来越密集[1]。城市中的基坑工程常处于密集的既有建筑物、地下管线、地铁隧道或人防工程旁，受各种条件限制，这些工程相互毗邻，且距离很近，使得各工程在施工过程中相互影响和制约，建设环境越来越复杂，施工难度也不断增加。因此，在保证基坑自身安全的前提下，如何保证基坑邻近既有建筑物的安全是目前亟待解决的问题[2-3]。

基坑在开挖施工过程中，会引起土体应力重分布[4]，从而使邻近既有铁路隧道产生附加变形，过大的变形将影响邻近既有铁路隧道的安全和正常运营。目前，国内众多学者对基坑开挖对邻近地铁隧道的影响开展了大量研究。王立峰等[5]研究了基坑开挖过程中，邻近地铁隧道的水平位移和沉降分布规律；宋晓凤等[6]研究了深基坑开挖过程中，不同支护结构对邻近既有地铁隧道及轨道结构的影响；伍尚勇等[7]研究了双侧深基坑按不同顺序开挖对穿越其间的已运营地铁隧道的影响；黄迅等[8]研究了基坑分区开挖对邻近既有地铁隧道的变形影响，基坑采用分区开挖结合坑内搅拌桩加固，可以有效控制基坑开挖引起的周边环境位移水平;温淑荔[9]研究了深基坑开挖时，加固深度和加固位置对既有建筑物水平和竖向位移的影响；周新雨等[10]研究了深基坑施工对邻近地铁隧道变形的影响，并提出相应预防措施。这些研究成果可为基坑支护设计、施工和监测提供很好的指导作用，然而，由于城市地下交通网越来越密集，各种建筑之间的关系也越来越复杂，有些问题还有待继续研究。

工程上通常采用挡土墙、护坡桩、桩锚等方式控制支护结构变形，减少基坑开挖对周围影响。本文以紧邻隧道的某地下人防基坑工程为例，采用桩锚支护、土压平衡开挖、土工格栅回填等方法进行基坑支护设计。同时，基于变形监测数据，分析基坑开挖和回填时，支护措施对既有铁路隧道和支护结构变形的影响，通过这几种支护措施控制基坑和既有铁路隧道的变形。

1 工程概况

某地下人防基坑工程总面积约10.3万m2，其中深坑区面积约3.4万m2，浅坑区面积约6.9万m2。基坑分为地下2层，地下1层部分基坑深度为8.0m，地下2层部分基坑深度为18.0m。本工程的东西侧均有既有铁路线相邻，工程周边环境复杂。基坑平面布置如图1所示。

图1 基坑平面布置Fig.1 Plane layout of foundation excavation

2 工程地质条件

本工程场地位于冲洪积扇扇缘地带，区内地形地貌较简单，主要为冲积、洪积平原，场地原始地形地貌已经过人工改造。场地地层按成因年代分为人工堆积层、新近沉积层和一般第四纪冲洪积层三大类。地层岩性主要为粉土填土、房渣土、粉土、粉质黏土、有机质黏土、泥炭质黏土、黏土、粉砂、细砂等。

3 基坑支护设计方案

3.1 人防基坑西侧支护

基坑西侧某一剖面处(见图1中1—1剖面)的支护结构设计如图2所示。人防基坑西侧为既有铁路隧道，为减小人防基坑开挖对既有铁路隧道的影响，采取如下基坑支护方案：人防基坑采取土压平衡开挖施工，即在隧道左右两侧同步开挖基坑和沟槽，以平衡隧道两侧土压力；对隧道左侧沟槽实施桩锚支护；采用土工格栅回填隧道左侧沟槽，减小回填土压力对支护结构侧向位移的影响。

图2 西侧支护结构设计Fig.2 Support structure design on west side

隧道左侧沟槽的支护形式为桩锚支护，锚桩直径为1 000mm，桩及其冠梁混凝土强度等级均为C30。锚杆注浆材料为P·O 42.5水泥，水灰比为0.45～0.50。锚杆张拉采用二次张拉法，初次张拉调直锚杆杆体，二次张拉锁定。3道锚杆设计参数如下：①第1道锚杆 4根7股φ15.2mm钢绞线，总长度L=28.0m，间距1.5m，标高-4.900m，倾角25°，自由段长度Lf=12.0m，锚固段长度La=16.0m，轴向拉力标准值Nk=440kN，锁定值350kN；②第2道锚杆 5根7股φ15.2mm钢绞线，总长度L=28.0m，间距1.5m，标高-9.900m，倾角25°，自由段长度Lf=8.0m，锚固段长度La=20.0m，轴向拉力标准值Nk=570kN，锁定值450kN；③第3道锚杆 5根7股φ15.2mm钢绞线，总长度L=29.0m，间距1.5m，标高-13.900m，倾角25°，自由段长度Lf=6.0m，锚固段长度La=23.0m，轴向拉力标准值Nk=580kN，锁定值450kN。

灌注桩及其冠梁混凝土强度等级均为C30，灌注桩直径为1 000mm，主受力钢筋采用HRB400级、箍筋采用HPB300级。灌注桩混凝土保护层厚度为50mm、冠梁为30mm，钢筋笼的主筋采用一级机械连接。

拉梁混凝土强度等级为C30，其截面尺寸为500mm×500mm，间距1 200mm，两端与灌注桩冠梁相连。

坑底肥槽内设置排水盲沟，盲沟宽300mm，深300mm，沟内填充碎石料；在坑底四周每隔30m设置1个集水坑，集水坑用砖砌(长×宽×高=600mm×600mm×800mm)或者用无砂混凝土水泥管(深度500mm，直径600mm)，滤水管外填滤料，集水井内下水泵，及时排出坑内积水。

施工时，隧道两侧土体同步开挖至-15.400m标高位置，沟槽左侧支护桩的3道锚杆施工完毕后，继续开挖人防基坑土体；当人防基坑开挖至基底，且桩顶水平位移和深层水平位移监测数据趋于稳定时，采用土工格栅回填左侧沟槽，在回填过程中对锚头浇筑C25混凝土固定；回填完毕后做好表面硬化，当需要在本部位堆载时，应架设临时钢梁，确保回填土工格栅不受竖向荷载。

3.2 基坑深浅交界处支护

基坑深浅交界处(见图1中的2—2剖面)的支护结构设计如图3所示。

支护形式包括排桩支护及主动区土体加固，其中排桩直径均为800mm，桩、冠梁及拉板混凝土强度等级均为C30。

既有线灌注桩及冠梁：灌注桩直径为1 000mm，灌注桩及冠梁均采用C30混凝土；主受力钢筋采用HRB400级、箍筋采用HPB300级；灌注桩混凝土保护层厚度为50mm、冠梁为30mm，钢筋笼的主筋采用机械连接；冠梁施工前，需将钻孔灌注桩顶部混凝土凿除、清洗至设计标高；施工过程中应采取相应措施避免混凝土浇筑过程中钢筋笼上浮。

由于项目工期紧，要求浅区和深区同时施工，为控制浅区基础桩变形，在双排桩桩间进行格栅式土体加固，加固深度18.0m；施工时，应先进行土体加固施工，后进行基础桩和护坡桩施工，当剖面支护结构施作完毕后(包括桩顶冠梁、拉梁及配筋垫层)，方可进行深坑区开挖；横穿结构后浇带部位拉梁应在地下人防结构施工完毕、相应肥槽回填后剔除。

坑底肥槽内设置排水盲沟宽300mm，深度为300mm，沟内填充碎石料；在坑底四周每间隔30m设置1个集水坑，集水坑用砖砌(长×宽×高=600mm×600mm×800mm)或者用无砂混凝土水泥管(深度500mm，直径600mm)，滤水管外填滤料，集水井内下水泵，及时排出坑内积水。

3.3 人防基坑东侧支护

人防基坑东侧为既有铁路隧道，隧道拱顶埋深5.5m，拱肩埋深9.5m，与人防基坑浅区基本持平，距人防浅区结构外墙3.0～6.0m，距人防深区结构外墙40.0～60.0m，人防基坑开挖后，铁路隧道拱肩以下部分仍埋置于土体中。此外，人防基坑开挖过程中，该隧道结构已实施完成，拱顶覆土尚未回填，轨道板尚未铺设，隧道结构可承受一定的水平变形。人防基坑开挖对既有铁路隧道的变形影响极小，故人防基坑东侧采用1∶1简易放坡至隧道结构边，并要求拱顶覆土在人防结构完成后共同回填。

4 隧道和支护结构变形分析

4.1 既有铁路隧道变形分析

由于西侧的既有铁路隧道位于人防基坑的深区，基坑开挖对隧道变形的影响较大，因此本文重点分析西侧支护结构施工对既有铁路隧道变形的影响。西侧支护结构施工顺序为：先施工支护桩，并同步开挖隧道左侧沟槽和右侧人防基坑，开挖至标高-4.900m，施工第1道锚杆，接着开挖至标高-9.900m，施工第2道锚杆，再开挖至标高-15.400m，施工第3道锚杆，人防基坑继续开挖至标高-19.950m，并浇筑基坑底板，然后采用土工格栅回填隧道左侧沟槽。

在既有铁路隧道的左右侧壁及隧道中线底板上分别设置水平位移和竖向位移监测点。既有铁路隧道监测剖面如图4所示，隧道各监测点的水平位移和竖向位移监测值如表1所示。从1表中可以看出，既有铁路隧道的水平位移和竖向位移监测值均未超过隧道变形控制要求的范围，本支护方案可行，能有效控制紧邻大型基坑的隧道变形。

图4 既有铁路隧道监测剖面Fig.4 Existing railway tunnel monitoring profile

表1 隧道各监测点的水平位移和竖向位移Table 1 The horizontal and vertical displacements of each monitoring point in the tunnel

4.2 基坑支护结构变形分析

在人防基坑西侧的灌注桩上设置有水平位移监测点，不同施工阶段基坑水平位移监测值随深度的变化曲线如图5所示。

图5 不同施工阶段基坑水平位移监测值Fig.5 Monitoring values of horizontal displacement of foundation excavation under different construction stages

在施工前3道锚杆时，由于采用隧道两侧同步开挖施工，平衡了隧道两侧的土压力，开挖对支护结构的水平位移影响很小，监测基坑最大水平位移不超过3.56mm；人防基坑继续开挖至基坑底时，基坑的水平位移显著增大，相比前一施工阶段，最大增幅约1.13mm，这是由于采用了单侧开挖的缘故；沟槽采用土工格栅回填后，相比前一施工阶段，基坑水平位移最大增幅约0.67mm，增幅减小。

上述监测结果表明：人防基坑采用土压平衡开挖施工，可平衡隧道两侧土压力，减小开挖对支护结构侧向位移的影响；隧道左侧沟槽实施桩锚支护，可有效控制围护桩的侧向位移；隧道左侧沟槽采用土工格栅回填，可减小回填土压力对支护结构侧向位移的影响。沟槽回填完成后，基坑的最大水平位移监测值为5.36mm，未超过基坑变形控制要求，表明本支护方案可行。

5 结语

1)基坑开挖产生的变形将影响邻近既有铁路隧道的安全与正常运营，如何控制变形是基坑支护设计亟待解决的问题。针对紧邻既有铁路隧道的某人防基坑工程，采用桩锚支护、土压平衡开挖、土工格栅回填等方法进行了基坑支护设计。

2)既有铁路隧道的水平位移和竖向位移监测值未超过隧道变形控制要求的范围，基坑最大水平位移监测值也未超过基坑变形控制要求的范围，本支护方案可行，能有效控制既有铁路隧道和人防基坑的变形。

3)支护方案能有效控制紧邻大型基坑的隧道变形；人防基坑采用土压平衡开挖施工，平衡了隧道两侧的土压力，减小了开挖对支护结构侧向位移的影响；隧道左侧沟槽实施桩锚支护，能有效控制围护桩的侧向位移；隧道左侧沟槽采用土工格栅回填，可进一步控制支护结构的侧向位移。