中穿基坑運營地鐵結構變形控制措施研究

李更召， 陳濤， 紀海東， 張敏， 盧川

（天津市勘察設計院集團有限公司，天津 300191）

0 引言

城市建設快速發展，市區人口分布較為密集，伴隨著城市發展的同時，對有限空間的基礎建設提出了更高的要求，軌道交通的建設緩解了城市交通的壓力，同時也在一定程度上減輕了地面交通不足帶給人們的困擾，目前，天津軌道交通開通運營線路共7條，運營里程達265km，運營車站164座，城市空間的限制造成了部分工程不可避免的鄰近地鐵結構的保護區范圍[1-3]，甚至存在零距離接觸的情況，基坑土體的開挖卸荷可能會引起地鐵結構應力狀態的改變[4，5]，使得地鐵結構產生一定的變形，從而在一定程度上可能會對軌道交通線路的正常運營產生影響，此時，在工程施工過程中，對地鐵結構變形控制的研究就顯得尤為重要[6-9]，在變形的動態監測過程中，為現場施工提供指導的同時，也為地鐵線路的運營提供保障。

針對施工過程中地鐵結構的變形控制，許多學者進行了相關研究。陳仁朋等[10]通過數值模擬對基坑開挖過程中地鐵隧道受到的影響及控制措施進行研究，總結了上方和側面開挖時隧道結構變形的不同控制措施。龍宏德等[11]以深圳某工程為例，對地鐵隧道上方的長距離并行基坑施工過程中地鐵結構的變形進行研究，提出了基坑分段開挖、控制開挖長度等控制地鐵結構變形的措施。李鵬等[12]對基坑開挖過程中下臥地鐵結構的回彈變形進行研究，結合實測數據，提出了科學降水、隧道內采用壓重與縱向聯結等措施以控制地鐵隧道的變形。濮居一等[13]采用有限元方法，通過土體加固對基坑開挖過程中地鐵隧道的變形進行研究，提出了基坑土體平面滿堂加固及豎向分層加固措施能夠對控制地鐵隧道的變形起到很好的作用。羅鑫等[14]以武漢某鄰近地鐵基坑工程為例，采用兩階段法結合數據模擬，對不同工況下隧道結構的隆起變形進行研究，分析得出，壓力注漿＋水泥土攪拌樁的加固措施能夠很好控制地鐵結構的隆起及收斂變形。

文中以天津某地鐵保護特級風險施工項目為研究對象，其特級風險體現于基坑與地鐵圍護結構兩側貼建，為“零距離”接觸，對基坑施工要求非常高，對施工過程中運營地鐵結構的變形進行監測，并提出科學合理的變形控制措施。

1 工程概況

天津市區某深基坑工程，工程整體分4期實施，基坑與車站及隧道區間圍護結構兩側貼建，部分共用地鐵地連墻，為超深基坑，各期開挖深度見表1。第三方評估風險等級為特級，施工難度大?？偨ㄖ娣e43.6萬m2。是天津首例在軟地區與時速60km/h運營地鐵結建上蓋的站城一體化綜合體，臨近地鐵車站主體（長度189m，地下3層），盾構區間（雙線隧道，埋深18m），盾構區間上方地下室（長度100m，地下兩層）。目前北運河站現狀為過站運營，基坑與地鐵平面相對關系見圖1。項目原規劃是與中間地鐵結構同期建設，因故項目停滯，地鐵先期施工完成并通車，給項目施工增大了難度?？紤]到項目后續施工時可能會引起先期建設的地鐵結構變形，在地鐵設計施工時預留了保護措施，項目自身的基坑設計施工時也預留了相應的加強措施，采取的各項措施在文中進行簡單介紹，預留措施不能緊隨項目施工進度進行動態調整，對地鐵結構變形控制的數據不易量化，故文中不做預留保護措施對地鐵變形影響的詳細描述。

表1 各期開挖深度

圖1 基坑與地鐵平面相對位置

2期基坑圍護結構為：地下連續墻+兩道鋼筋混凝土內支撐，局部設置三道支撐的支護形式；3期基坑圍護結構為：鉆孔灌注樁支護+兩道鋼筋混凝土內支撐。施工先后順序：1期→2期和3期→3A期和3B期→4期。文中所涉及的監測數據反映2期和3期土方開挖過程中地鐵變形情況，1期基坑已經施工完畢正在進行地上結構施工；3A期和3B期、4期暫未施工，其相互位置剖面關系見圖2。

圖2 各期與地鐵結構剖面位置關系

2 監測方案

項目監測2、3期、3A、3B期統一布點，統一監測，監測范圍為基坑所對應地鐵里程向兩側各延伸50m（3倍基坑開挖深度影響區域），共計監測范圍為402m。地鐵的上行線靠近3期，下行線靠近2期。車站區域監測斷面間隔為10m，隧道區域加密監測斷面間隔為5m（S25-S46，X25-X46），每個斷面都布置了豎向、水平、收斂等監測點，具體監測斷面布置如圖3所示。

圖3 斷面測點布置圖（單位：m）

現場監測為自動化監測系統和人工測量復核相結合，組成一體化智能監測系統。采用兩套自動化監測系統：靜力水準測量自動化監測系統和測量機器人自動化監測系統（GeoRobot Deformation Monitoring Automatic System），人工監測頻率為2～3次/周。運營期間人員無法進入地鐵內部進行巡視，在地鐵結構內部安裝了高清PTZ攝像機，用來做實時病害巡視。

3 數值模擬

根據項目需求進行選擇本構模型，計算土體選取HSS本構模型，結構采用線彈性本構模型模擬。

3.1 計算模型概況

計算采用巖土有限元分析軟件PLAXIS3D建立整體三維有限元模型進行計算分析。模型以北運河地鐵站及其站端隧道走向為Y軸，其垂直方向為X軸，豎直方向為Z軸，為消除模型邊界效應，X軸方向取480m，Y軸方向取510m，Z軸方向取60m。模型計算采用10節點四面體單元，共劃分單元521934個，節點754700個?？傆嬎隳Ｐ鸵妶D4。

圖4 總計算模型

3.2 計算假設

有限元數值模擬基于一定的假設和模型簡化進行的，假定如下：

（1）認為各土層呈勻質水平層狀分布且同一土層為各向同性，結構體的變形、受力均在彈性范圍內。

（2）采用接觸面的模擬方法模擬結構與土的相互作用，通過采用結構面材料強度折減的方法模擬土體和結構相關結構的力學行為。

（3）假定隧道結構在計算域內沿直線水平延伸。

（4）計算考慮了基坑開挖過程中地下水的抽降過程，計算中主要采用改變坑內外水頭的計算方法模擬基坑降水過程中坑內外水壓力變化對變形的影響。

（5）計算考慮將鉆孔灌注樁等效為抗彎剛度相同的地下連續墻。

3.3 模型邊界條件

模型的邊界條件如下：模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個方向均約束；模型4個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

3.4 模擬結果分析

因基坑開挖面積較大，且基坑貼建地鐵地鐵車站及隧道，大面積開挖產生的卸荷效應顯著，導致坑外土體產生上浮趨勢，在土體變形傳遞效應的影響下地鐵產生較大的上浮。

2、3期基坑開挖結束后的地鐵結構豎向位移云圖如圖5、圖6所示。開挖后地鐵隧道及車站周邊土應力分布受到擾動，發生不均勻變形，北運河地鐵站體及隧道最大豎向位移發生在車站與隧道結合部位地下2層結構的下行線，為隆起變形。根據計算結果，隧道最大豎向變形12.8mm（上?。?，向南側逐漸減??；車站主體最大豎向變形16mm（隆起），向北側逐漸減小。表明在基坑開挖影響下，地鐵隧道與車站站體均存在豎向變形，車站站體局部隆起量大于隧道。

圖5 基坑開挖完成后隧道豎向位移變化值云圖

圖6 基坑開挖完成后車站主體結構的豎向位移云圖

兩側基坑開挖卸載后，地鐵周圍土體應力二次分布，地鐵車站及隧道在附加應力作用下產生變形。由于地鐵結構兩側開挖深度不同，使得地鐵結構兩側土體的應力路徑不同。2期基坑開挖較深，所以在地下2層地鐵結構下行線的隆起較大。

若不采取措施，基坑及隧道變形將可能超過控制值。為確?；邮┕て陂g隧道的結構和施工安全，根據結構施工實際情況，綜合考慮預測變形、極限變形，建議采取一定的預處理及應急措施，以控制基坑施工對地鐵的影響。

4 采取的地鐵保護措施及變形控制措施

4.1 地鐵預留措施

（1）圍護結構及止水帷幕：車站主體圍護結構采用1000～1200mm地下連續墻，墻長42.5～44m，地下3層車站；站端盾構隧道區間外側采用1000mm地下連續墻，長29m，以滿足地塊基坑利用地鐵圍護墻支護。站端盾構隧道區間外側采用850mm三軸攪拌樁，樁頂標高-12.493m，有效樁長15.25mm，有效隔斷⑨2粉砂層，以滿足后期地塊基坑止水帷幕封閉要求。

（2）盾構區間上方2層地下室先期代建：地下2層建筑位于隧道之上，在其下方設置700mm鉆孔灌注樁，有效樁長40m。

（3）主體柱網：車站設計時中已經考慮后期商業開發擴建工程，設計過程中，裙房柱網與車站柱網對齊，并預留上蓋物業柱子插筋；車站結構計算采用空間計算與平面框架受力分析計算相結合的方式，并已經預留了車站與周邊地塊連通門洞，在側墻墻頂設置過梁。

（4）工程樁及抗拔樁：地鐵車站主體結構下設置大量工程樁、抗拔樁，采用1000mm鉆孔灌注樁，樁長30m，樁間距約為3.85～6m，在滿足結構受壓、抗浮要求前提下，減小后期鄰近施工對地鐵結構的影響。

4.2 基坑加強措施

（1）圍護及支撐加強：2A、3A期基坑深11.8m，采用800～1200mm鉆孔灌注樁，豎向設置兩道鋼筋混凝土支撐；2B、3B期基坑深15.5～17.1m，采用1000mm厚地連墻，豎向設置三道支撐?；炷林尾捎梦⑴蛎浕炷练忾]?？紤]1期結構已完成，2期基坑首道支撐設置加強板帶，如圖7所示。

圖7 加強板帶位置

（2）對稱開挖。平面上：車站左右兩側基坑對稱開挖，2A、2B同期實施，3A、3B同期實施。立面上：左右兩側11.8m對稱開挖，B期基坑待A期基坑底板完成后，方可繼續往下開挖。

（3）連接部位局部加強。如圖8所示，局部加強措施：①內扶壁地下連續墻：南北側車站與支護結構連接部位、盾構隧道與車站分界處設置內扶壁地下連續墻（π型），增加圍護剛度，并進行留土護壁。②連接處圍護樁加強：地鐵西側增大灌注樁樁徑以及樁長，地鐵東側增加地連墻厚度以及墻長。

圖8 連接部位局部加強位置

（4）止水帷幕加強。如圖9所示，止水帷幕加強措施：①基坑止水帷幕封閉。采用800厚CSM水泥土攪拌墻隔斷第一層承壓含水層；②端頭止水帷幕加長。為防止降水對南北兩側基坑外側地鐵結構影響，南北兩側區域止水帷幕加長；③連接處MJS止水。在基坑止水帷幕與地鐵車站及隧道止水帷幕連接處，施做1800MJS超高壓旋噴樁封堵，確保接縫止水效果。

圖9 止水帷幕加強位置

4.3 施工過程地鐵變形控制措施

土方開挖采用島式開挖方式，豎向分層、平面分塊，按照“分層、對稱、平衡、限時”開挖原則，以控制基坑變形為主，減小基坑開挖對地鐵站體及軌道區間影響。2019年12月14日開挖第一步土方，各步土方開挖概況如表2所示。

表2 土方開挖一覽

土方開挖過程中，地鐵變形主要表現上浮。在開挖第二步土過程中，地鐵上浮速率接近0.2mm/d，啟動坑內動態控制地下水，降低水頭高度。在第三步土開挖接近完畢時，鑒于地鐵隆起（6.16mm），為保證后續土方開挖的順利進行，在地鐵上蓋結構回填反壓，通過施加荷載控制地鐵上浮。

（1）坑內動態調整地下水水頭高度。在第二步土開挖過程中，地鐵地鐵上浮明顯，速率加大。在2020年5月6日啟動坑內動態控制地下水，降低水頭高度2m。

（2）地鐵上蓋回填反壓。具體措施：①在地鐵結構受開挖影響區域范圍內采用填砂堆載反壓減緩隆起方案基本可行；②根據原地鐵結構設計要求：堆載反壓時嚴格控制堆載高度，站體最大堆載高度3m，區間最大堆載高度1.8m；③先期整體堆載1m，后續根據地鐵變形監測結果，動態調整堆載加壓時間、位置和施工步序；④堆載反壓及后期卸荷過程中需注意對已有主體結構成品保護。

第一次反壓，2020年6月6日～2020年6月8日對地鐵站體及盾構區間采取回填反壓措施，盾構區間回填中砂，厚度2.3m，共約2070m3站體回填土厚度約1.2m，約4560m3第二次反壓，2020年6月24日～2020年6月30日對地鐵采取二次加載措施，隧道區間回填土厚度約1.8m，共約6840m3站體施加工字鋼加載，計劃約3000t；站體回填土厚度約6m，共約3900m3。

5 監測數據分析

在整個施工期間，地鐵結構變形主要表現為結構的上浮。土方開挖完成后最大上浮點位為上行線S25斷面（10.72mm），未超過有限元模擬的最大豎向變形16mm，與有限元模擬豎向位移最大位置吻合。如圖10所示，2020年5月7日采取的降低坑內地下水水頭高度、2020年6月6日第一次回填反壓、2020年6月24日第二次反壓地鐵上蓋回填反壓措施后，對地鐵上浮的趨勢有明顯的抑制，尤其是第二次上蓋反壓后，地鐵未再出現持續速率較大的上浮趨勢。

圖10 最大變形點位S25上浮累計變化量時程折線

隧道上方回填壓載為25kPa，車站站體上方回填壓載60kPa，站體端頭24～25斷面區域壓載達3000t，較其它部位壓載量要大。由圖11也可以看出，模擬數據與實測數據整體趨勢較吻合，驗證了模型的準確性。在壓載量最大的車站端頭位置，兩者數據偏差最大，向兩側延伸，模擬數據與實測數據較為接近，直觀顯示出地鐵結構上部壓載對控制地鐵豎向變形作用明顯。

圖11 土方開挖完畢地鐵縱向變形曲線與實測對比

有限元模擬結果地鐵結構最大上升位置在靠近2期的下行線端頭，實際測量結果是出現在靠近3期的上行線端頭位置，該結果的出現可能與2期北側坑底預留5000m3反壓土有關，這部分反壓土在其它區域底板施工完畢后有序開挖清理。其它監測指標未出現大的變化，其中地鐵上下行線的結構水平位移有整體朝向2期位移的趨勢，水平位移最大變形值為5mm，出現在下行線X40斷面，與基坑監測的圍護結構水平位移變形趨勢一致；地鐵結構軌向的差異沉降最大為1.83mm，出現在下行線X46和X47之間；盾構區間上部回填反壓后，反壓區域隧道（斷面26～斷面46）的水平直徑普遍增大，最大變化值為3.2mm，出現在下行線X35斷面位置。

6 結語

在工程2、3期施工過程采取的各項措施聯合作用下，有效的控制了地鐵結構的上浮，上浮量未超過報警值。在整個施工過程中，地鐵結構未出現裂縫、漏水等明顯病害，未影響地鐵線路正常運營，并得出如下結論：

（1）兩側貼建基坑挖土卸載引起地鐵結構反應較快，開挖卸荷后立刻引起地鐵結構變形。

（2）采取降低基坑內承壓水水頭高度，對抑制地鐵結構上浮有較明顯效果，但隨著進一步開挖卸荷，效果漸弱。地鐵上蓋回填反壓，對抑制地鐵結構上浮作用明顯，但會引起盾構隧道收斂，建議回填反壓前做好模擬計算工作。

（3）通過施工過程中的地鐵變形動態監測，合理指導現場施工工序，并適時采取相應變形控制措施，保障地鐵正常運營，總結形成一體化綜合體施工成套技術，為類似工程提供參考。