基坑工程施工对临近地铁隧道结构的安全评价研究

杨日林 YANG Ri-lin

（深圳香蜜湖国际交流中心发展有限公司，深圳 518000）

0 引言

近几年，随着城市地铁工程项目的快速发展，经常会遇到工程项目在基坑开挖施工期间对临近地铁隧道结构的施工衔接问题。临近地铁周边进行工程活动对地铁正常运营是一个极大的风险，邻近地铁隧道建筑项目在基坑开挖施工期间会引起周边岩土层与隧道结构的扰动，也会容易导致隧道结构产生附加荷载和位移变形，如果因此导致质量安全问题将造成无法估量的事故责任和经济财产损失，因此对临近地铁周边的工程建设过程强化安全风险管控至关重要，更对地铁正常运营的稳定可靠保障是个重点难点。

现如今，城市现代化建设加速、城市地面建筑和地下管线密集、各类交通设施工程开发需求增加，建立地铁运营危险源查找、识别、分析、评价、管控体系，对地铁周边的每个在建、拟建项目进行严格审查，从而为地铁安全运营提供有力保障。

因此，针对建筑工程基坑开挖施工对临近地铁隧道结构的岩土扰动和位移变形影响进行研究具有极其重要的借鉴意义。本论文以某城市工程建设项目基坑工程与既有地铁区间临近施工为工程案例，采用基坑开挖理论分析和有限元数值计算及工况分析，并提出了施工安全监督与安全保护建议，对类似地铁隧道工程施工具有一定的参考和借鉴。

1 工程概况

某城市大型公共建筑项目，周边交通发达，城市轨道交通2、7、9 号三条地铁线环绕，其中地铁2 号线位于场地北侧213m，场地西南侧最近距离169m 处7 号线及南侧最近距离13m 处9 号线。场地内现状标高在10.6～17.2m 之间，场地东北角地势较高，其它地段向南、向西方呈缓坡向，逐渐降低。拟建项目用地面积约10.8 万m2，建筑总面积约37.5 万m2。

拟建基坑占地面积约7.46 万m2，坑底设计高程约为-1.25～4.45m，基坑深约8.2～15.9m。基坑轮廓整体不规则形状，基坑周长约为1070m。基坑南侧距离主干道机动车道边线约27.8～40m，距离地铁9 号线≥41m；基坑西侧距离快速路机动车道33.3～46.7m；基坑与市政道路之间主要为空地、绿化带、人行道等；基坑北侧距离最近的建筑物约39m；基坑东侧为水库及其主坝，基坑与主坝堤岸坡脚最近距离约11m，东侧其他区域较为空旷。

1.1 支护结构体系

场地基坑地处市区，面积大、开挖较深，开挖范围分布有素填土、淤泥质粉细砂等软弱土体，基坑西、北、南侧均存在的粉细砂、中粗砂、砾砂等强透水层，支护结构的稳定是确保周边建构筑物安全的基本保障，结合目前本工程地下室结构设计未明确等因素，本工程主体基坑支护设计结合基坑深度、地质情况及周边环境等因素确定：基坑北、西、南侧采用双排桩支护，其中前排桩为ϕ1.2m@2m 咬合桩，后排桩为ϕ1.2m@4m/ϕ1.5m@2m（个别区域）C30 灌注桩，前后排桩采用1000*1000mm 钢筋砼连梁；基坑东北侧、东侧采用单排桩+锚索支护，排桩均为ϕ1.2m@1.6m 灌注桩，锚索支护段竖向设置3 道预应力锚索；基坑东侧入负一层地下室下车坡道基坑采用ϕ1.2m@1.6m 排桩+一道钢筋砼内支撑支护，基坑西北侧入负一层地下室下车坡道基坑采用ϕ1.5m@2m 悬臂排桩支护，下车坡道基坑均待主体基坑地下室施工完成后再实施。

1.2 截水帷幕

根据场地砂层的强透水性，地下水的处理是基坑安全的关键所在，基于安全及经济的考虑以及本地区工程经验，基坑截水设计结合场地中粗砂、砾砂等透水层的分布情况，在基坑南侧、西侧及北侧靠近行政学院侧利用咬合桩截水，其余侧采用ϕ850mm@600mm 三轴水泥搅拌桩截水。

1.3 降水措施

本基坑开挖范围内透水砂层，厚度不一，为避免地表及地下水对土体产生影响，及时排出边坡渗水及基坑内积水，在基坑顶部和底部各设置一条封闭连通的排水沟阻断周边来水，基坑内积水经三级沉淀后排入周边市政管道。对于可能影响基坑顶临时边坡稳定的地表渗水，对基坑顶排水沟范围的临时边坡采用挂网喷砼以防地表水渗入。综上所述，本基坑支护主要采用双排桩或单排桩+锚索支护，局部下车坡道基坑采用排桩+内支撑或单排桩悬臂支护，为控制场地地下水，满足施工和安全要求，本基坑工程利用咬合桩及三轴水泥搅拌桩作为基坑截水措施。

2 基坑工程与地铁隧道的关系

本基坑工程临近地铁场地区间隧道从本基坑工程南侧地下穿过，该地铁线路地下隧道埋深约10m，基坑工程与该地铁隧道结构水平距离最近处约46m。由于地铁地下车站与地铁地下区间隧道结构外围边线一侧10m 以内为重点保护区，10m 至50m 内为控制保护区，因此本基坑工程位于该临近地铁控制保护区范围内，该地铁线路地下区间隧道采用的是盾构法施工。基坑与地铁隧道位置关系见图1。

图1 基坑工程与地铁隧道的位置关系剖面图

3 工程地质条件

3.1 地形地貌

区域地貌类型以剥蚀残丘及湖泊相地貌为主，北Ⅰ区高程18.4～27.0m，地势平坦，场地西北角地势较高，其他地段向南方呈缓坡向，逐渐降低，东侧呈多边形。北Ⅱ区大部分主要位于湖区，部分垂直河岸线外延2～35m，呈长方形，场地高程范围10.8～16.2m。北III 区位于快速路和主干道十字口东北侧，东侧场地高程10.6～17.2m，北高南低，呈多边形。场地已人工开发推平，原始地貌特征不可辨别。本次基坑工程位于北III 区。

3.2 水文地质条件

①地表水。 场地勘察区域是城市南部丘陵汇水范围入海的必经之路，场地北侧2.0 公里为水库，场地东侧紧邻湖区及其水坝、湖区面积约27 万平方米，根据以往测量资料显示，湖区水域深度0.3～7.0m，西北角为湖区地下箱涵进水口，东南角为经过人工改造的泻湖通道，勘察期间水库水位11.00m，根据岸边历年蓄水痕迹，测得洪水位约11.5m。

②地下水。本场地主要受大气降水渗入补给，场地东侧紧邻水库湖区，并在一定条件下接受湖水侧向补给，二者具较密切水力联系，枯水期水库水位略低于场地地下水，场地地下水补给水库，丰水期，水库水位较高，略高于场地地下水，水库水补给地下水。

场地包括2 个施工区域。第1 个区域基坑范围地面高程10.6～15.4m，平均高程12.2m，地下水位埋深1.7～6.3m，平均水位埋深4.52m，地下水位高程5.93～12.36m，平均水位高程8.97m。第2 个区域基坑范围地面高程10.6～11.5m，平均高程11.0m，地下水位埋深3.0～5.8m，平均水位埋深4.32m，地下水位高程5.07～8.34m，平均水位高程6.88m。

③岩土层透水性。场地粘性素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土及砾质粘性土为弱透水性、淤泥质粉细砂、中粗砂及砾砂为按中等强透水层考虑。

4 研究方法

本基坑工程施工工序主要分为基坑支护桩、土石方开挖及锚索、桩基础等三个阶段，综合考虑土石方量大、汛期施工、基坑降排水、坑底道路交通及坡道运输等不利因素。本工程基坑开挖面积7.2 万m2，约包含土石方量89.1 万m3，基坑深度9.4～14.9m。

按照本基坑工程施工工序，基坑施工对临近地铁隧道结构的影响主要包括：①本基坑工程支护桩按类型主要为咬合桩和灌注桩，施工区域按完成工序为4 个阶段，支护桩施工可能引起场区岩土层与地铁隧道结构的应力重分布和变形；②依据地勘报告和土方量测算，综合考虑土方弃土场、弃土运距和弃土运输效率，高峰期每日出土方量约5060m3，按每车5 趟、每趟10m3，土方车数=5060m3÷9m3/趟÷5=112.4 车，因此配置数量充足的土方车辆约120辆渣土车以上。那么基坑开挖施工中，施工车辆、材料堆载等临时超载都会对地铁隧道结构产生附加荷载，土方在开挖释放过程中也会引导周边地面沉降或塌陷。

综合考虑基坑工程施工工序及其施工影响分析，我们采用三维数值模型与理论相结合的方法进行研究，具体如下：①通过三维模型分析基坑开挖过程中基坑工程周边的整体稳定和变形情况，分析临近地铁隧道结构的安全状况。②深入分析基坑支护阶段与地铁隧道结构的影响情况和地质信息。③通过模拟基坑施工全过程，以及基坑开挖施工过程中地铁隧道结构岩土体及其结构的应力重分布和沉降情况。④研究基坑施工对临近地铁隧道结构的空间和力学响应情况，分析基坑施工对地铁隧道的安全稳定性，并提出安全合理的基坑工程设计与施工建议。

5 研究过程

5.1 运用专业软件

采用专用有限元分析软件MIDAS/GTS NX 进行有限元计算及工况分析，利用基坑开挖、支护施工以及土方回填等施工工序进行分析。

采用土体材料本构模型取用德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）弹塑性模型，研究各施工工序中结构构件的荷载效应。

综合考虑本基坑工程地下水位变化情况，本次模拟计算采用应力-渗流三维耦合模型。主要计算模拟流程为：①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）；②基坑支护结构施工阶段模拟；③基坑区域降水及基坑开挖施工模拟；④基坑区域回填模拟。

5.2 模拟计算

5.2.1 计算内容

在MIDAS 三维有限元模型中，采用三维实体单元模拟地层，采用板单元模拟支护结构和隧道结构。模型计算的范围以基坑外轮廓为基准、再外扩约2 倍基坑深度。模型计算的边界条件为：施工模型底部约束竖向位移，施工模型四周为约束水平向位移。

按照最不利工况原则，根据本基坑区域与临近地铁隧道结果的平面及立面关系以及本基坑工程支护结构的设计与施工特点，分析基坑开挖过程中基坑支护结构和地铁隧道结构的变形差异。数值分析时选取的是该基坑工程与临近地铁地下区间隧道结构外围边线的最近距离作为建模范围，模型参数采用的长宽高分别为490m×540m×80m。

5.2.2 计算参数

①土层材料属性如表1 所示。

表1 土层材料属性表

②支护结构属性如表2 所示。

表2 支护结构属性表

③结构特性如表3 所示。

表3 支护结构特性表

6 有限元计算结果分析

6.1 三维模型计算结果

通过数值计算，得出在基坑开挖及地下水位变化情况下各工况整体模型及地铁结构的水平、竖向位移力云图等。（图2-图5）

图2 基坑平场第一层并施做支护

图3 基坑开挖第二层

图4 基坑开挖第三层

图5 基坑开挖到底

6.2 计算结果分析

由三维数值模拟分析得出，当该基坑工程开挖至坑底时，基坑及临近地铁隧道结构发生的变形最大，由基坑土方开挖以及坑道水位变化引起的地铁隧道结构最大水平变形为0.82mm，最大竖向变形为0.25mm。按照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ202-2013），该基坑工程开挖施工引起的地铁隧道结构水平变形和竖向变形都符合有关规定，该基坑开挖施工过程中的临近地铁隧道结构安全稳定。安全控制指标详见表4。

表4 城市轨道交通结构安全控制指标值

7 结论与建议

本论文以某城市公共建筑基坑工程与临近地铁施工为工程案例，采用基坑开挖理论分析和有限元数值计算及工况分析，并提出施工安全监督与安全保护建议，可为类似临近地铁隧道工程施工提供参考和借鉴，具体如下：

①该基坑开挖施工对临近地铁隧道结构的安全影响在规范要求范围内，不影响地铁正常运营。但考虑到该基坑工程支护施工可能遇到的极端事故等不利因素，应提前做好应急抢险排查与处置预案。

②该临近地铁隧道结构位移最大值发生在基坑开挖至坑底时，因此在基坑支护施工时应减少基坑底部区域的暴露时间，尽早做好坑底结构稳定并回填。

③基坑设计及施工应满足各项法律法规和技术规范要求，严格按照《城市轨道交通安全保护第三方监测控制指标》里关于地铁隧道结构周边可施工范围的有关规定，对基坑工程施工全过程进行严密监控，确保地铁隧道结构的安全稳定。

④对地铁隧道结构影响较大的危险源主要有基坑支护施工、基坑降排水施工，应避免爆破等剧烈施工，严防大面积、大幅度的地下水位异常下降现象出现，严禁施工过程中在地铁隧道上方进行大面积、大荷载、长时间的设备集中堆载以及大型工程车高频次运行。

⑤针对工程各种危险源和各类工况，工程开工前应编制专项施工组织设计或专项应急处置预案和奖惩机制，在施工过程中应按规定进行定期检查监督和不定期抽查，严肃要求各施工单位认真落实整改，严格加强各种危险源管控工作。

⑥项目建设单位应委托具有相应专项资质的专业技术团队编制临近地铁安全区施工方案、安全管控方案以及安全监测方案，并报地铁建设单位审查通过后方可实施。

⑦基坑开挖施工时，应遵循分区、分块、分层、对称、限时的原则，并定期及时反馈现场地质地貌情况。当施工开挖至基坑底设计高程时，应立即进行垫层施工、做好防水层及地下结构防护施工，避免因基坑长时间暴露而增加了临近地铁隧道结构的安全风险，必要时在基坑内预留反压土，减小因基坑土方开挖卸载对临近地铁隧道结构的不利影响。

⑧为控制基坑施工对轨道交通造成的影响，建设单位应落实对工地现场的监督管理，确保施工单位按轨道交通设施保护方案施工，向现场管理人员及施工单位交底。邻近轨道交通侧地下工程施工记录、轨道交通保护方案落实情况、靠轨道交通一侧基坑监测数据应及时以书面报告形式向地铁建设单位报备。

⑨应自行考虑轨道交通运营期间产生的震动、噪音等因素对该项目结构与使用条件等产生的影响。