地铁隧道正上方基坑施工地铁保护技术研究

陈俊林，祖公博，曾小辉，胡 亮，曹 智

(中国建筑第二工程局有限公司 华南分公司，广东 深圳 518000)

随着城市发展的加速，越来越多的基坑项目正在接近地铁，这些项目会对周围的土体造成卸载，从而导致相应的变形[1-2]，特别是位于地铁正上方的基坑开挖项目，由于大面积的土体卸荷，隧道在地下水的浮力和土体的回弹作用下，可能会出现明显的上浮，从而导致隧道结构的内力发生变化，甚至出现开裂或渗漏等问题，因此，研究基坑开挖过程中的地铁保护技术显得尤为重要，以确保隧道的安全性和稳定性。过去，在地铁侧面的基坑开挖方面的研究较为深入[3-5]，但是在地铁正面，特别是近距离开挖的基坑项目中，关于地铁的保护研究却相对较少。本研究以距离运营地铁仅3.2m 的某超高层基坑项目作为应用对象，借助有限元模拟，深入研究了地铁保护的相关考虑因素和施工技术手段，为其他上跨运营地铁项目的实施提供参考和借鉴。

1 工程概况及地铁保护目标

某超高层项目位于深圳市罗湖区，基坑下有深圳地铁9#线，隧道自北向南为出站区间，隧道顶高程自本工程基坑北至南变化范围约为-3.474～-5.302m，基坑底到隧道顶最近垂直距离约为3.2m，支护桩底距隧道顶最近垂直距离约为1.3m，工程桩距隧道管片最近水平距离为3.5m，见图1。

图1 地铁与基坑位置关系

《深圳省市轨道交通控股公司轨道交通运营安全保护范围和建设工程规划控制区施工办法》规定：①可能造成的车站、隧道结构的绝对沉降和水平位移应小于10mm；②其外墙承受的压力应小于10kPa。

项目比邻在建地铁线路和运营地铁线路，需提前规划机械设备行车路线和施工时机械设备摆放位置，不仅要满足对地铁影响最小条件并要保证设备操作安全可靠。

项目所在区域地下水的种类包括孔隙水、受压水以及来自基岩的渗透水，地下水的埋藏深度较浅，年变化范围在0.5～2m 之间。施工时需考虑地下水对土压力的影响。

2 隧道上方超近距基坑的地铁保护方案

2.1 工程桩施工

通过使用全回转全套管钻机的回转装置，可以有效地降低钢套管与土层之间的摩擦力，同时可以通过旋挖或旋挖钻的方式，将套管深入到桩端持力层，从而实现挖掘的目的。在挖掘完成后，应立即进行深度测量，以确保桩端持力层的准确性，并且要及时清理掉所有的虚土。将钢筋笼安装在钻孔中心，然后将导管固定在其上，最后用混凝土浇筑成桩。

2.2 抗浮结构

采用抗拔桩结合抗隆起板门式抗浮结构，坑内采用四搅两喷工艺单轴搅拌桩，格栅布置，加固范围为基坑底至距地铁隧道顶不少于1.5m（图2）。

图2 地铁专项保护剖面图

2.3 分条开挖

按照1～6 的顺序依序放坡分条开挖，坡率1∶0.5 至1∶1，每条挖至坑底施工混凝土底板完毕，等待48h 后，开挖下一条，见图3。总体开挖思路为先清表后分条分层分块开挖浇筑底板混凝土。

图3 基坑分条开挖方式

因地下水位较高，为减轻地下水位变化对地铁产生不利影响场内共设置24 个降水井、12 个回灌井。且基坑开挖前需完成坑内集水井和基坑周围回灌井施工，并进行降水实验，确保能有效控制地下水位情况。

3 基于有限元的隧道变形分析

使用MIDAS/GTS NX 这款关于岩石和隧洞的专业有限元分析软件，采用德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）弹塑性理论来研究土壤的组成，并将其应用于衬砌结构，以确保其具有良好的线弹性特征。

为考虑地下水位变化的影响，本次模拟采用应力-渗流三维耦合模型，计算模拟过程：地应力平衡（初始应力状态）+初始渗流场模拟+既有区间隧道施工（位移清零）→基坑围护结构施做→基坑降水及基坑开挖。

各结构的线弹性本构关系的输入参数为弹性模量E和泊松比μ。土体的德鲁克-普拉格（Drucker-Prager)弹塑性模型模拟的是弹性—完全塑性的本构关系。应力在达到屈服点前与应变成正比例关系，超过屈服点时应力—应变关系为水平线。

德鲁克—普拉格模型的屈服函数

德鲁克-普拉格（Drucker-Prager)模型的输入参数为弹性模量E、泊松比μ、粘聚力C、内摩擦角φ。

选取计算的模型长宽高分别为180m×160m×60m，基坑采用“放坡”、“微型桩”及“搅拌桩+内插的工字钢”的支护方式。

本次三维数值计算分析模型中，土体采用实体单元模拟，本构模型为德鲁克-普拉格（Drucker-Prager)弹塑性模型；地铁隧道结构采用板单元模拟，本构模型为弹性模型，按照工程设计方案中构件实际截面特性确定，支护桩根据刚度等效原则确定截面尺寸。为考虑地下水位变化的影响，本次模拟采用应力-渗流三维耦合模型，通过在模型中施加节点水头的方式达到模拟不同水位的目的。模型前后左右边界固定水平位移，底部边界固定水平竖向位移，上部边界为地表自由面，自重荷载取重力加速度。基坑采用2 分层开挖，如图4～图7 所示。

图4 初始地应力形成

图5 轨道结构建成

图6 基坑支护施工并开挖第一层

图7 基坑开挖到底

轨道最不利情形为基坑开挖到坑底阶段，轨道变形云图如图8 所示。当基坑开挖至坑底后，基坑及地铁隧道结构发生的变形最大，因土方开挖及水位变化引起的地铁隧道结构的最大水平变形为1.03mm；地铁隧道结构的最大竖向变形为3.46mm。理论计算结果满足深圳市地铁安保区控制指标要求。

4 信息化监测

采用信息化施工措施，对地铁变形进行监测，即时调整施工节奏，具体如下。

1)在地铁隧道内布置监测点，监测断面间距6m，每个断面5 个监测点，浅基坑地铁隧道监测范围为地块内的2 条隧洞，且不小于3 倍基坑深度范围，本基坑为10～20m 范围内；基坑共计48个断面。

2）通过有效的监测与协调，充分利用监测数据，不断优化施工工艺和流程，实现信息化施工，以确保基坑施工的安全性和有效性。

3）为了确保基坑的安全和质量，我们将严格执行监测，由专人负责记录、整理和分析，并依据监测结果制定下一步施工计划。此外，我们还将加强对场地范围内地铁轨道的目视巡查，在相邻支护结构施工和土石方开挖时，每8h 进行一次巡查，以便及时发现和处理异常情况。

项目累计检测结果最大水平变形为1.68mm；地铁隧道结构的最大竖向变形为3.96mm，略大于模拟值，考虑施工过程中前期累积，整体与预测规律相符，地铁最终变形小于地铁安保区施工规定。

5 结论

根据工程实例，本文研究了地铁隧道正上方超近距的地铁保护基坑开挖方法，及其对地铁隧道变形的影响。

1）本研究应用了全套筒全回转桩基施工方法、坑底加固、分条开挖施工工艺、抗隆起板基坑变形控制、信息化施工等方法，对地铁变形进行了有效控制。

2）在施工前采用了三维数值分析，从理论上验证了在近地铁上方进行浅基坑施工时采用“搅拌桩+内插的工字钢”的支护形式，在基坑变形方面和对地铁隧道影响方面都是可行的。

3）从地铁监测结果表明，整个施工阶段，采用本方法地铁隧道变形值最大为3.96mm 远小于地铁保护要求的10mm 变形量。说明本研究采用的方法对于地铁变形控制有效，可为其他类似项目提供借鉴和参考。