上跨地鐵區(qū)間基坑開挖對地鐵保護措施研究

吳劍秋，孫 旻，蔡慶軍，杜佐龍，王朝龍，盧建文

（1、中國建筑第八工程局有限公司 上海200135；2、中國建筑第八工程局有限公司華南分公司 廣州510663）

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)的大規(guī)模發(fā)展和軌道交通網(wǎng)絡的不斷完善，已建地鐵隧道與新建地下工程之間的沖突日益突出，在運營地鐵隧道上方進行的基坑工程不斷出現(xiàn)［1］。在已有地鐵隧道的上方建設基坑工程存在2 個方面的問題：①由于基坑卸載引起土體回彈導致的地鐵隧道上抬；②由于上部結構超載產(chǎn)生的附加應力導致的地鐵隧道下沉。已運營地鐵隧道變形控制要求極為嚴格，運營地鐵上方基坑施工時，地鐵隧道結構最大位移不得超過10 mm。因此，基坑施工過程中必須采用嚴格的工程措施，以保障既有運營地鐵隧道的正常使用和安全［2］。

近年來，眾多學者對地鐵上方基坑工程施工引起的隧道變形及控制措施，進行了大量的研究和實踐工作［3，4］。對于基坑開挖帶來的地鐵隧道隆起的問題，常用的處理辦法有地基加固、分區(qū)開挖、堆載預壓和設置抗拔樁等［5］。鄭剛等人［6，7］對緊鄰地鐵上方基坑工程的施工過程進行了動態(tài)數(shù)值模擬，分析了隧道兩側土體加固、澆筑底板與抗浮樁形成“保護箍”及堆載等措施對地鐵隧道的影響及其有效性；李健津等人［8］通過三維有限元分析，驗證了“連續(xù)墻門式鋼架”地鐵保護措施的可行性；溫鎖林、青二春等人［9，10］提出了上穿運營地鐵隧道的基坑工程“彈鋼琴式”開挖方法。

本文在綜合前人研究的基礎上，以深圳機場衛(wèi)星廳中區(qū)基坑工程為背景，研究如何控制基坑開挖對下臥地鐵隧道的影響，提出了由蓋板和灌注樁構成的轉(zhuǎn)換板保護結構，利用三維有限元分析驗證了保護結構的可行性，為今后類似工程提供新的思路。

1 工程概況

深圳機場衛(wèi)星廳建筑面積為23.89 萬m2，工程上部結構為鋼筋混凝土框架結構搭配鋼網(wǎng)架屋蓋，衛(wèi)星廳分為西北指廊、西南指廊、東北指廊、東南指廊和中央指廊5 塊區(qū)域。

深圳機場衛(wèi)星廳中區(qū)基坑工程是深圳機場衛(wèi)星廳及其配套工程的一部分，位于機場衛(wèi)星廳中央指廊中段。中區(qū)基坑工程包括中央指廊基坑及其兩側與機場捷運（APM）和行李通道連接的區(qū)間基坑。衛(wèi)星廳及中區(qū)基坑平面布置如圖1 所示。衛(wèi)星廳中區(qū)基坑與地鐵隧道相互位置如圖2 所示。

圖1 衛(wèi)星廳及中區(qū)基坑平面布置Fig.1 Plane Figure of the Foundation Pit

圖2 衛(wèi)星廳中區(qū)基坑與地鐵隧道相互位置平面Fig.2 Positional Relationship between Foundation Pit and Tunnel

2 地鐵保護方案設計

衛(wèi)星廳中央指廊上部結構和中區(qū)基坑在深圳地鐵11 號線正上方，基坑底板與地鐵隧道頂部的最近距離不足0.3 m。若不采取任何措施，施工階段基坑開挖卸載引起土體回彈會導致地鐵隧道上??；使用階段上部鋼筋混凝土框架結構的荷載將直接傳遞到隧道結構頂部，引起地鐵隧道結構整體下沉。為解決上述問題，本項目擬在上跨地鐵隧道的結構底部設置兩跨轉(zhuǎn)換板結構（兼作結構底板），通過地鐵隧道左右線中間及兩側的樁基礎將結構豎向超載傳至地下持力層。轉(zhuǎn)換板厚度約為1.6 m，沿11 號地鐵長度約80 m，寬度約為30 m。樁基間隔6 m 沿地鐵左右線隧道中間及兩側布設，中間樁徑為1.2 m，兩側樁基樁徑為1.5 m，樁長約為38 m，嵌入微風化巖層，轉(zhuǎn)換板結構如圖3、圖4 所示。

圖3 轉(zhuǎn)換板結構三維示意圖Fig.3 Graphic Model of Transfer Plate

圖4 轉(zhuǎn)換板結構橫剖面示意圖Fig.4 Front View of Tunnel

一方面，轉(zhuǎn)換板與樁基有效連接，在基坑開挖時可以反扣土體，避免基坑卸載帶來的土體隆起問題；另一方面，轉(zhuǎn)換板結構可有效地把上部結構荷載傳遞至3 排樁基，在通過樁基傳遞至基巖，避免了使用階段由上部結構超載引起的地鐵隧道下沉。

3 地鐵保護措施控制效果有限元分析

3.1 幾何模型建立

本文采用PLAXIS 3D 軟件對既有地鐵隧道上方的基坑開挖施工過程進行動態(tài)模擬。計算模型尺寸取為400 m×300 m×80 m，模型中基坑底部開挖范圍為144 m×30 m，基坑開挖深度為7.5 m，基坑放坡系數(shù)為取實際值1∶3。模型中土層利用實體單元，采用土體硬化模型（HS 模型）。明挖隧道結構采用Plate 單元進行模擬，板單元截面尺寸與實際尺寸相同。轉(zhuǎn)換板采用Plate 單元模擬，鉆孔灌注樁采用Embedded Beam 單元模擬，轉(zhuǎn)換板模型尺寸參照實際工程。整體計算模型如圖5 所示，轉(zhuǎn)換板結構模型如圖6 所示。

圖5 整體有限元模型Fig.5 Numerical Model

3.2 材料參數(shù)

工程所處地質(zhì)自上而下依次為:素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粘性土、全風化巖、強風化巖、中風化巖和微風化巖，地下水較為豐富。根據(jù)地質(zhì)勘查報告提供的試驗成果，結合工程實踐經(jīng)驗，計算模型主要土層物理力學參數(shù)如表1 所示。隧道結構彈性模量E=33 500 MPa，重度γ=25 kN/m3，泊松比ν=0.2。轉(zhuǎn)換板采用 C20 混凝土，梁板結構 E=2.55×104MPa、γ=24.5 kN/m3、ν=0.2，鉆孔灌注樁 E =3 ×104MPa、γ=24.5 kN/m3、ν=0.2，樁端反力 Fmax=1×104kN。計算中假設地下水位線為地表。

圖6 轉(zhuǎn)換板結構模型Fig.6 Numerical Model of Transfer Plate

表1 土層物理力學參數(shù)Tab.1 Calculation Parameter of Soils

3.3 計算工況

中區(qū)基坑施工采用分層分塊開挖。首先，基坑整體向下放坡開挖2 m，施工降水井及攪拌樁止水帷幕；然后，施做轉(zhuǎn)換板下鉆孔灌注樁；最后，從基坑中間向兩端開挖隧道上方留土，轉(zhuǎn)換板分24 段12 組施工，分段寬度約6.0 m 一幅，基坑土體開挖順序按照1～12編號進行，底板按1～12 順序分段施工，澆筑混凝土底板，形成轉(zhuǎn)換板體系，基坑開挖順序如圖7 所示。為研究轉(zhuǎn)換板結構對隧道變形的控制效果，以未施做轉(zhuǎn)換板工況作為對照。根據(jù)施工方案，建立計算工況如表2所示。

圖7 基坑開挖橫截面Fig.7 Front View of Ecavation

表2 計算工況Tab.2 Conditions of Excavation

3.4 計算結果分析

兩工況隧道豎向最大隆起隨基坑開挖卸載率變化如圖8 所示，工況1 基坑整體向下開挖2 m、基坑留土開挖一半及基坑開挖到底時，地鐵隧道結構豎向位移云圖如圖9 所示。

圖8 不同工況隧道豎向位移隨基坑卸載率變化Fig.8 Vertical Displacement of Tunnel with Different Conditions Changes with Unloading Rate of Foundation Pit

圖9 地鐵隧道豎向位移云圖Fig.9 Vertical Displacement Nephogram of Subway Tunnel

根據(jù)數(shù)值分析結果，工況1（施做轉(zhuǎn)換板）由基坑開挖引起的最大豎向位移為6.54 mm，工況2（未做轉(zhuǎn)換板）由基坑開挖引起的最大豎向位移為8.02 mm。對比2 種工況，可以發(fā)現(xiàn)通過施做轉(zhuǎn)換板，地鐵隧道結構隆起減小了約20%，上跨基坑卸載對地鐵隧道的影響得到控制，證明了轉(zhuǎn)換板結構對地鐵隧道保護的有效性，可在基坑施工時為下方地鐵設施的正常運營提供安全保障。

4 結論

本文綜合前述研究的基礎上，提出了轉(zhuǎn)換板保護結構，結合深圳機場衛(wèi)星廳基坑工程，探討了如何減小基坑開挖對下臥地鐵隧道變形的影響，并利用三維有限元分析，對上跨地鐵隧道基坑工程施工的可行性做出評估，得到如下結論：

⑴ 因基坑卸載引起的土體回彈導致下臥地鐵隧道隆起問題，下臥地鐵隧道應加以保護。

⑵ 提出一種由樁基和基坑底板構成的轉(zhuǎn)換板結構。該結構既可以在基坑開挖時反扣土體，避免地鐵隧道隆起。還可以有效地把上部結構荷載傳遞至樁基，避免地鐵隧道下沉。

⑶ 由數(shù)值分析結果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換板結構可有效減小由基坑開挖引起的隧道隆起變形，證明了轉(zhuǎn)換板結構對地鐵隧道保護的有效性，計算結果對今后的工程具有一定參考價值。