祝 斌，任姍姍

（杭州市勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

城市發(fā)展及城市空間的限制，導(dǎo)致現(xiàn)狀地鐵周邊項目逐漸增多，包括地鐵保護區(qū)內(nèi)道路、隧道、管線、基坑等工程，這些工程的施工都會改變地鐵結(jié)構(gòu)的受力狀況，從而引起地鐵結(jié)構(gòu)的變形，影響地鐵運營的安全。為了加強地鐵結(jié)構(gòu)的安全保護，保證地鐵結(jié)構(gòu)運行安全，各地地鐵主管部門對在地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)影響較大的項目需進(jìn)行外部作業(yè)影響施工前預(yù)評估，評價項目對地鐵結(jié)構(gòu)的影響及采取有效的保護措施，保證地鐵的運營安全，隨著在相鄰位置同時或交叉施工的項目不斷增多，以前對單個項目進(jìn)行外部作業(yè)影響預(yù)評估的模式存在一定的問題，因為相鄰項目之間對地鐵結(jié)構(gòu)存在共同影響，在共同影響區(qū)內(nèi)變形可能是疊加，也可能是抵消，單一的根據(jù)單個項目對地鐵結(jié)構(gòu)的影響來設(shè)置控制值有一定的局限性［1］。故本文引用一個工程實例，該實例原先是分析地鐵隧道側(cè)方基坑開挖對地鐵隧道的影響，后由于工期問題地鐵隧道下方的市政大直徑盾構(gòu)隧道也與本項目存在交叉施工問題，地鐵盾構(gòu)隧道變形出現(xiàn)報警［2－3］。通過對該實例研究和理論分析，對如何分析多個項目同時施工對地鐵結(jié)構(gòu)造成的共同影響提供經(jīng)驗和參考。

1 概述

1．1 工程概況

擬建項目為純地下車庫工程，無上部建筑，車庫主體為地下兩層，主體基坑尺寸為217．3 m×73 m，總面積超過1．5 萬m2，主體基坑最大挖深約11．45 m。

本工程南側(cè)臨近地鐵區(qū)間盾構(gòu)，該區(qū)間隧道頂埋深在14．2 m ～15．6 m 左右，盾構(gòu)隧道直徑6．2 m，隧道底埋深在20．4 m ～21．8 m 左右，主體基坑圍護結(jié)構(gòu)外邊線到地鐵盾構(gòu)外邊線的距離最近為36．0 m。

地鐵隧道下方還有地下快速路大盾構(gòu)隧道。隧道頂埋深在29．8 m ～31．9 m 左右，盾構(gòu)隧道直徑11．36 m，隧道底埋深在41．16 m ～43．26 m 左右，大盾構(gòu)隧道外邊線距離盾構(gòu)隧道外邊線水平距離最近約7．60 m，豎向距離最近約11．28 m，主體基坑圍護結(jié)構(gòu)外邊線到大盾構(gòu)外邊線的距離最近為17．0 m。

1．2 水文地質(zhì)條件

本工程場地在地表填土層下淺部主要為河口相地層，系錢塘江口近、現(xiàn)代沖海積沉積的粉砂性土地層，中部為陸～海相軟、硬土層交替沉積地層（以海相軟層為主） ，下部為古錢塘江沖洪積沉積的砂礫石層?；娱_挖影響范圍內(nèi)主要為素填土和砂質(zhì)粉土； 地鐵隧道位于砂質(zhì)粉土夾粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層； 地下快速路大盾構(gòu)隧道位于粉細(xì)砂和中砂層。

潛水主要賦存于場區(qū)淺部①填土層及②層、③層粉砂性土中，一般表部填土潛水含水層其富水性和透水性具各向異性，透水性良好，其下粉砂性土含水層透水性較好，通常呈各項同性。穩(wěn)定水位約在現(xiàn)地表下1．10 m ～2．60 m 左右，相當(dāng)于85 國家高程3．56 m ～4．86 m 之間。承壓水主要賦存于下部⑩層和瑏瑢層砂礫石層內(nèi)，上覆淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土構(gòu)成相對隔水層，含水層頂板埋深一般為27．80 m ～30．90 m，承壓水水頭高度埋深為7．48 m，相當(dāng)于85 國家高程－0．81 m。

1．3 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工程周邊場地相對平坦，基坑開挖面積較大，且工期相對緊張，根據(jù)相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗，綜合考慮各種因素推薦車庫主體結(jié)構(gòu)采用施工技術(shù)成熟，工藝簡單，施工工期短的明挖法施工。具體圍護方案如下：

1） 車庫基坑分區(qū)進(jìn)行施工，主體分3 區(qū)進(jìn)行施工，各分區(qū)面積為：Ⅰ－A 區(qū)約5 100 m2，Ⅰ－B 區(qū)約5 200 m2，Ⅱ－A 區(qū)約5 500 m2，Ⅱ－ B 區(qū)約640 m2，Ⅱ－ C 區(qū)約650 m2，Ⅱ－D 區(qū)約240 m2。開挖施工分2 期： 一期為Ⅰ－A 區(qū)、Ⅰ－B 區(qū)，二期為Ⅱ－A 區(qū)、Ⅱ－ B 區(qū)、Ⅱ－ C區(qū)、Ⅱ－D 區(qū)。開挖控制工況：上一分區(qū)頂板完成并達(dá)到設(shè)計強度后再進(jìn)行相鄰分區(qū)施工。

2） 主體基坑支護體系采用 900@1 100 mm 鉆孔灌注樁+3850@1 200 mm 三軸攪拌樁止水帷幕，鄰地鐵側(cè)采用1 000@1 200 mm 鉆孔灌注樁+800 mm厚TRD 工法止水帷幕，坑內(nèi)設(shè)置2 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，布置情況詳見圖1，圖2。

圖1 基坑圍護結(jié)構(gòu)與地鐵及市政大盾構(gòu)隧道設(shè)施相對位置關(guān)系平面圖

圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)與地鐵及市政大盾構(gòu)隧道設(shè)施相對位置關(guān)系剖面圖

1．4 施工順序

原施工工況：地鐵隧道及市政大盾構(gòu)隧道施工完成后進(jìn)行本項目基坑開挖。

實際施工工況： 地鐵隧道及市政大盾構(gòu)靠近基坑側(cè)（北線） 隧道已施工完成后，市政大盾構(gòu)遠(yuǎn)離基坑側(cè)（南線） 隧道還未施工，本項目開始打設(shè)工程樁及圍護樁，期間市政大盾構(gòu)（南線） 隧道穿越本項目區(qū)間，大盾構(gòu)隧道施工工期較短，穿越本項目區(qū)間約1 個月工期，市政大盾構(gòu)隧道穿越本項目區(qū)間后本工程開始基坑開挖，本工程工期約15 個月。

2 基坑開挖分析

2．1 計算說明

由于原計劃施工安排為本基坑項目在地鐵隧道及市政大隧道都施工完成后再開始施工，故前期本項目施工前預(yù)評估未考慮大盾構(gòu)施工對地鐵盾構(gòu)隧道的影響，僅對本項目基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響做了分析。

本基坑項目采用有限元MIDAS/GTS 作為計算分析軟件，模擬土體材料本構(gòu)模型采用土體硬化模型（HS 模型） ，它是一種高級土體模型。同理想彈塑性模型不同的是，它可以考慮土體的壓縮硬化和剪切硬化特性，屈服面隨塑性應(yīng)變的發(fā)生而擴張。大量用于基坑開挖、盾構(gòu)隧道推進(jìn)等工程的有限元模擬，模擬結(jié)果與實際情況吻合較好。參數(shù)選取見表1。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2．2 計算模型及工況

圍護樁按照抗彎剛度相等的原則等價為一定厚度的地連墻進(jìn)行內(nèi)力分析。本基坑圍護墻、隧道均采用板單元模擬；支撐采用梁單元模擬。

由于本模型范圍內(nèi)坑外基本不降水，且有止水樁隔離，此處不考慮滲流場及其對土體應(yīng)力場的影響。

GTS NX 中建立長為690 m，寬為420 m，高為80 m的模型，如圖3 所示。

圖3 計算模型圖

2．3 計算結(jié)果及分析

按表2 對基坑開挖各個工況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示基坑開挖對地鐵盾構(gòu)隧道變形影響最大的工況為工況二十三（如圖4，圖5 所示） ，此時地鐵盾構(gòu)隧道水平最大位移為2．19 mm，豎向最大位移為1．98 mm。各主要工況下有限元模型計算的地鐵盾構(gòu)隧道的變形情況如表3所示［4－6］。

表2 本基坑數(shù)值計算施工步驟表

圖4 工況二十三時地鐵結(jié)構(gòu)水平位移云圖

圖5 工況二十三時地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

表3 基坑施工主要工況下地鐵隧道最大位移

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

基坑在分坑Ⅰ－A，Ⅰ－B 施工樓板、換撐，拆除第一道支撐的工況時，出現(xiàn)了地鐵盾構(gòu)隧道沉降報警（預(yù)警值3 mm，報警值4 mm，控制值5 mm） ，具體報警預(yù)警位置詳見圖6［7］。

圖6 地鐵保護監(jiān)測點平面布置圖及監(jiān)測報警位置圖

3．1 盾構(gòu)隧道道床沉降監(jiān)測情況

自動化監(jiān)測盾構(gòu)隧道道床沉降累計變化量沿里程分布曲線分別見圖7，圖8。

圖7 地鐵隧道上、下行線道床累計沉降沿里程分布曲線圖

圖8 地鐵隧道上、下行線道床沉降累計變量時程曲線圖

為分析基坑工程施工進(jìn)展對道床沉降變化的影響，分別繪制上、下行線道床沉降時程曲線，見圖8。道床沉降值負(fù)值表示下沉量。道床監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，東基坑（Ⅰ－B 區(qū)） 開挖土方之前地鐵隧道道床沉降約1 mm ～2 mm，西基坑（Ⅰ－A 區(qū)） 開挖土方節(jié)點后地鐵隧道道床沉降明顯加大，下行線達(dá)到－4．5 mm 左右，上行線相比較小為－3 mm 左右，一個月后地鐵隧道道床沉降又趨于平緩；地鐵隧道由時程曲線圖可以看出西基坑開挖后一個月（5 月～6 月） ，道床沉降增加速率明顯加快，后未有明顯增大趨勢，地鐵下行線累計值相對較大，地鐵隧道道床沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與基坑開挖反映隧道道床沉降的變化規(guī)律略有差異。

3．2 盾構(gòu)隧道水平收斂監(jiān)測情況

盾構(gòu)水平收斂累計變化量沿里程分布曲線分別見圖9，圖10。

圖9 地鐵隧道累計水平收斂位移沿里程分布曲線圖

圖10 地鐵隧道上、下行水平收斂累計變量時程曲線圖

為分析基坑工程施工進(jìn)展對隧道水平收斂變化的影響，分別繪制上、下行線盾構(gòu)水平收斂累計變量時程曲線圖，如圖9（a） ，圖9（b） 所示。水平收斂正值表示擴徑。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明盾構(gòu)上、下行線水平收斂值總體呈逐步增大趨勢，基坑開挖前后變形速率較為穩(wěn)定，過程中逐漸增加，未出現(xiàn)突變情況。根據(jù)上、下行線盾構(gòu)水平收斂情況對比可以看出，遠(yuǎn)基坑地鐵上行線變化速率和累計值相對較大，隧道水平收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)與基坑開挖反映隧道收斂的變化規(guī)律略有差異。

3．3 監(jiān)測結(jié)果分析

1） 本項目基坑開挖深度約為11．45 m，地鐵盾構(gòu)隧道頂埋深14．2 m ～15．6 m，地鐵盾構(gòu)隧道頂位于基坑開挖底面以下約2．75 m ～4．15 m，根據(jù)按理論分析及有限元模擬結(jié)果，基坑開挖工況下，地鐵盾構(gòu)隧道豎向位移為上浮，而實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示為沉降；基坑開挖擾動按理論分析對近基坑地鐵隧道擾動較大，而實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示為遠(yuǎn)基坑隧道收斂變形較大。與實際基坑開挖反映隧道變化規(guī)律略有差異。

2） 分析除本項目基坑開挖工況外本地鐵盾構(gòu)隧道區(qū)間其他工程建設(shè)活動，發(fā)現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道下方前期存在市政大盾構(gòu)的施工，市政大盾構(gòu)隧道南線在本項目基坑開挖前穿越本基坑區(qū)間，且根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知穿越期間對地鐵隧道造成約10． 0 mm ～12． 5 mm 的沉降和約－2．0 mm ～4．8 mm 的水平收斂，雖然本項目在大盾構(gòu)穿越本區(qū)間后進(jìn)行了數(shù)據(jù)清零，但根據(jù)當(dāng)時地鐵隧道沉降、收斂的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)時地鐵沉降速率并沒有穩(wěn)定。

3） 對本區(qū)間地鐵盾構(gòu)所處地層分析，地鐵盾構(gòu)隧道底處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，該層土性質(zhì)較差，易受擾動，且存在一定的蠕變性，后期沉降穩(wěn)定周期較長。

4） 經(jīng)分析本區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道超報警值的主要原因是市政大盾構(gòu)施工過程中擾動周邊土體，由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的蠕變特性，導(dǎo)致大盾構(gòu)工后對地鐵隧道的影響較大且持續(xù)時間較長，地鐵盾構(gòu)隧道持續(xù)出現(xiàn)沉降變形。

4 結(jié)論

目前由于地鐵保護區(qū)內(nèi)施工頻繁，同一區(qū)段內(nèi)可能存在多個項目交叉或同時施工，單一的分析某個項目施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響不夠全面，對后期地鐵結(jié)構(gòu)的變形控制不利，故通過多個項目實踐及本文的工程案例，形成以下結(jié)論建議供后期在同一區(qū)段存在多項目同時或交叉施工的地鐵安全評估參考。

1） 盾構(gòu)隧道下穿地鐵隧道時對其影響較大，且在淤泥質(zhì)土層中影響持續(xù)的時間也會更長。

2） 同一區(qū)段存在多個項目同時或交叉施工時，對地鐵結(jié)構(gòu)存在共同影響，且根據(jù)工況及地質(zhì)情況的不同，影響程度及影響的持續(xù)時間也不同，目前大部分安全評估單純的分析單個項目對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，有一定的局限性。

3） 對于對地鐵結(jié)構(gòu)存在共同影響的項目，需對該區(qū)段各個同時或交叉施工的項目按工況共同考慮進(jìn)行施工前預(yù)評估，評估各項目各工況對地鐵結(jié)構(gòu)的影響及對地鐵結(jié)構(gòu)的共同影響，從而合理確定地鐵結(jié)構(gòu)總的變形控制指標(biāo)，以及合理分配各項目和各工況的報警值、控制值，也便于后期地鐵結(jié)構(gòu)變形報警或超控制值后的報警分析并能提出更有針對性的加強措施，保證地鐵的運營安全。