软土地区深大基坑施工对过江地铁隧道的影响

吉 文，杨 旭

(江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041)

长江沿岸经济发达，建设工程多。过江地铁隧道结构地处漫滩地貌单元，极易受周边施工扰动的影响，导致土层原有的平衡状态被破坏[1]，沿江地铁的结构安全面临巨大挑战，其周边的建设活动受到极大的关注。

软土地区深基坑施工过程中，降水、围护结构施工、土方开挖、地下室结构施工以及重载车辆碾压和建材堆载等都会对下卧地铁结构产生影响。吴红斌[2]以上海某地铁车站基坑工程为背景，采用数值模拟的方法对开挖过程中地铁隧道的变形及周边地表沉降进行了研究，并与现场监测数据进行对比分析。吴龙梁[3]等依托某桥梁承台深基坑工程采取预先加固、超前支护和分层分段开挖的施工方法，分析隧道累计沉降和水平位移监测数据，研究不同施工工况对地铁隧道位移和变形的影响规律。黄睿[4]等基于软土地区某临近地铁隧道的超大深基坑工程实例，利用自动化监测及三维激光扫描技术等现场监测手段，获取区间隧道在临近深基坑分区开挖下的变形数据及裂缝发展情况，并结合施工过程对典型断面的监测结果进行分析。佘格格[5]采用HSS模型分析深基坑工程引起的邻近线路主体结构变形和地表沉降规律，并将计算结果与实际监测数据对比分析，验证了HSS模型的适用性。

目前软土地区的地铁安全保护研究案例较多，也比较深入，但长江沿岸深基坑对过江隧道的影响案例研究还较少[6]。本文基于长江南岸某深基坑工程，通过建立数值模型进行有限元分析，研究总结深基坑施工对过江隧道结构的影响，同时对数值模型的参数设定提出建议。

1 工程概况

1.1 项目概况

项目位于长江南京段南岸，地处长江漫滩地貌单元，基坑长约100～127m，宽约83～91m，深度约13.1～15.1m(局部承台部位下沉1.6～2.0m)，距离过江地铁隧道区间约66.1～70.1m。深基坑和过江地铁隧道位置如图1所示。

图1 基坑和过江地铁隧道位置

1.2 支护结构选型及地下水处理

基坑竖向支护体系采用钻孔灌注桩进行支护，桩型为1100@1300、1200@1400；采用三层钢筋砼支撑体系；立柱桩采用钻孔灌注桩，桩径1000；钢立柱采用型钢格构柱立柱；止水体系采用TRD工法、CSM工法水泥土搅拌墙；降水体系采用管井进行降水。基坑围护结构设置如图2所示。

图2 基坑围护结构设置图

1.3 地质条件

地铁隧道区间所处地层主要为②-3b-4～3软塑-流塑状粉质粘土(夹粉砂薄层)、②-5b-4～3软塑-流塑状粉质粘土、②-5d-2～1粉砂、细砂。

项目地块位置所处地层从上至下主要为①-1杂填土、②-1b-3-2粉质粘土(软-可塑)、②-3b-4～3软塑-流塑状粉质粘土(夹粉砂薄层)(厚度约13m)、②-5b-4～3软塑-流塑状粉质粘土(厚度约19.8m)、②-5d-2～1粉砂、细砂。项目地块坑底位于②-3b-4～3软塑-流塑状粉质粘土。过江隧道和基坑所处地层如图3所示。

图3 过江隧道和基坑所在位置地质纵断面图

1.4 地铁结构概况

过江地铁隧道采用外径11.2m、内径10.2m的大直径盾构法施工，为单洞双线圆形结构型式，内部按三层布置、上层为排烟道，中间为轨行区，下层为排水泵房，中间层通过设置中隔墙进行防火分隔，中隔墙两侧设置疏散平台。大直径盾构法隧道如图4所示。

图4 大直径盾构法隧道剖面图

工程影响段地铁长期结构监测截止2018年4月相对于监测初值(观测于2015年6月)道床累计下沉量在0.8～8.7mm之间。工程影响段左右线直径收敛相对于标准圆变化分别在10.8～67.1mm之间，均为外扩。通过项目施工前的数据搜集和分析，可以发现：该工程影响段地铁区间由于地处软土地区，经过近3年的运营，该段地铁结构有较大的变形。

2 数值模拟计算

本次计算采用专业岩土软件PLAXIS 2D 2013，该软件是用于岩土工程的变形、稳定性以及地下水渗流等问题的通用有限元系列软件。计算模型大小选取原则：①明挖基坑范围按对称设置取一半结构；②由于基坑开挖对迎地铁一侧影响较大，故地铁区间隧道反向仅取1.5D范围即可；③沿深度方向，取地铁隧道3D～5D深度。

为了抓住重点，较为精确地得到本项目施工对地铁结构的影响，模型的简化思路：①地铁区间隧道采用板单元模拟；②区间隧道与土的关系通过界面单元模拟；③地面超载通过添加荷载来实现。

为反映初始应力状态及施工过程，本次计算共分7个施工步骤进行，见表1。

表1 计算工况汇总表

工况7基坑支护桩水平位移如图5所示。由图5可以看出，当基坑开挖到底时，基坑支护桩水平最大位移为23.37mm，小于二维计算35.05mm的水平位移最大值；地铁隧道总沉降值如图6所示。由图6可以看出，地铁隧道的最大沉降为2.293mm(考虑降水分析最大沉降0.7mm)，由于地铁隧道距离基坑较远，基坑开挖引起的地铁隧道的最大水平位移约2mm，隧道径向收敛值为0.1mm，满足施工期变形控制指标要求。

图5 工况7基坑支护桩水平位移

图6 地铁隧道总沉降值

3 地铁结构变形影响研究

3.1 地铁监测方案设计

在深基坑施工期间，对影响区地铁结构实施动态监测，监测项目包括道床沉降、隧道水平收敛、道床差异沉降和裂缝监测。当隧道结构变形较快时，采取优化措施，确保地铁隧道的安全，同时也对本项目三维数值模型的适用性进行验证。

3.2 模型适用性验证

地铁道床垂直位移和水平收敛变化曲线分别如图7—8所示。

图7 地铁道床垂直位移变化曲线图

从图7和图8可以看出，在近地铁侧围护结构施工期，道床沉降和水平收敛相对平稳，在2019年6—7月份道床出现小幅度上浮，最大上抬量达到+2.63mm；围护结构施工完成后因故停工1年，在此期间，隧道周边其他基坑陆续施工，隧道也出现了一定的变形。在2021年3月复工后，为更好的评估该项目地块深基坑施工对地铁隧道的影响，监测单位对该段隧道区间测项重新采集了初值。随着开挖进程加快，5月底道床上浮超黄色预警(+3.0mm)，达到了+3.9mm，月变形速率+0.09mm/d，水平收敛也逼近黄色预警(±6.0mm)；到7月中旬道床上浮超红色预警(+5.0mm)，到了11月份，道床出现一定程度的下沉，但水平收敛超红色预警(±10.0mm)；结合3个地块的空间位置关系以及施工时序，初步认为水平收敛外扩超红色预警值，受本项目地块和周边地块施工的共同影响。

图8 地铁水平收敛变化曲线图

4 结论

依托长江沿岸某深基坑工程，研究基坑施工过程中过江隧道结构的变形数据，得出以下结论和建议。

(1)2021年土方开挖期间，道床沉降和隧道水平收敛变形先后达红色预警，这与之前的有限元计算结果差异较大；经过综合研判，分析认为与中后期的群坑施工有一定的关联，影响因素与之前的计算条件发生了很大的变化[7-8]；同时进出施工区唯一通道位于地铁隧道正上方，深部土方开挖后出土量大，大量渣土车停在道路上，对地铁结构造成挤压，也对隧道结构产生不利的影响。

(2)2022年6月份起，周边地块基坑基本处于地下室施工阶段，隧道道床进一步下沉，水平收敛进一步扩大，直至地下室施工结束仍未收敛。通过查询长江南京段水位变化情况发现：2019年、2021年汛期(2020年停工未监测)，长江中下游地区出现了多轮强降雨，长江南京段水位处于高位，此阶段隧道道床均出现一定幅度的上浮；而2022年自4月起长江南京段水位持续走低，隧道道床也持续下沉。本项目段距离长江仅30m，所处地层与长江的水力联系较强，该段过江隧道结构沉浮趋势与长江水位涨落基本一致，分析认为存在一定的联系，但影响程度的定量分析还需后续大量数据试验和更实用的数值分析模型进行验证模拟[9]。

(3)本次项目根据规范要求，由于项目基坑距离隧道区间超66m，原监测方案只设置了道床沉降、隧道水平收敛、道床差异沉降和裂缝监测等测项，缺少了结构水平位移和竖向收敛等测项，原因在于前期的有限元计算变形数值较小。而在中后期施工环境发生较大变化时，建议重新进行结构病害普查、数值计算和中期安全评估[10-11]，进一步确定各地块施工对地铁隧道的影响值，从而确定新的变形控制指标；同时应适时增加结构水平位移和竖向收敛等测项，满足对隧道结构全方位的监测。

(4)过江隧道区间的地铁监测建议适时采用自动化监测手段，确保在外部工程全力施工阶段能实时监测隧道结构变形，在变形过快时可以指导外部工程优化施工方案，降低对隧道结构附近地层的扰动，保证地铁运营安全。