人防基坑工程对运营地铁车站及区间影响研究

文/姚西平

随着城市化建设的不断加快，人口密度的增加，需不断拓展地下空间；特大城市轨道交通运营线路逐渐增加，城市地下空间的拓展不可避免会影响到运营中的地铁。

在既有运营车站或区间周边开挖基坑，国内已有类似工程的文献报道。张治国等[1]提出采用两阶段分析方法来解决基坑开挖引起的邻近地铁隧道纵向变形问题；王卫东[2]采用数值模拟对上海运营地铁1号线区间拱顶上方4 m 金桥广场基坑进行数值模拟，研究分析基坑开挖卸荷对地铁隧道的影响；黄爱军[3]以上海软土地区基坑卸载为例，通过理论研究和反馈回归，对基坑卸载引起的运营隧道回弹力学机理进行分析，提出回弹预测法并结合实际监测数据预测公式进行修正；宋兆锐[4]以邻近沈阳地铁2号线的恒隆广场基坑开挖为例，考虑流固耦合，采用FLAC三维数值模拟对比分析，得出降水对区间隧道变形的影响不可忽视，基坑开挖后区间隧道主要以水平位移为主的结论；胡恒[5]采用有限差分法，对采用不同嵌固深度的护坡桩支护和不同深度的基坑进行数值模拟，得出坑底标高位于地铁结构底板底标高以下，地铁底板结构的回弹影响较大的结论；尹宏磊[6]通过数值模拟研究，结合实际检测数据分析，得出小应变硬化本构模型比摩尔-库伦模型更适用于北京地区的开挖数值模拟的结论；王怀东[7]以南京新建地铁站(5 号线上海路站)与运营地铁站(2号线上海路站)十字换乘站为例，提出相接位置增设隔离桩、暗挖段，采用10 步导洞分步开挖及无覆土完整支护体系的措施，可有效控制运营车站变形，保证运营安全。

以上研究多针对一侧基坑开挖对运营区间隧道或车站的影响，对运营隧道两侧基坑开挖的影响研究较少。南京软～塑地层中某人防地下室基坑工程位于运营隧道两侧，本文研究基坑开挖对运营隧道和车站的影响并提出对应措施，为后续工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 平面布置

拟建人防工程位于运营地铁10号线两侧，基坑长217.1 m，标准段宽度49.8 m，深10.2～10.9 m。基坑距离地铁10 号线工业大学站19.6 m，距离10 号线左、右线隧道分别为14.2、10.1 m。见图1。

图1 工程平面

工业大学站为地下两层双跨岛式车站，负一层为站厅层，负二层为站台层，站台宽度10.5 m。区间隧道外径6.2 m、管片厚度0.35 m，采用盾构法施工，已开通运营。

运营期间，车站结构和区间隧道变形均在规范要求范围内，处于稳定状态。

1.2 工程地质及水文地质条件

拟建场地为长江漫滩地貌单元。由上而下主要为①1杂填土、①2素填土、②1粉质黏土、②2淤泥质黏土、②3淤泥质黏土夹粉土、②4粉砂、②5粉质黏土夹粉砂、②6粉质黏土、②7粉细砂、③中粗砂夹卵砾石、④1强风化泥质砂岩和④2中风化泥质砂岩。见表1。

表1 土体物理力学参数

场地内地下水类型主要为孔隙潜水和微承压水。孔隙潜水主要赋存于①、②1和②2层；微承压水主要赋存于②4和②7层，微承压水埋深2～3 m，基坑开挖前需降承压水。

2 既有结构变形控制标准

隧道两侧基坑位于既有线路控制保护区内。结合文献[8～10]并综合运营监测数据，在人防基坑施工过程中既有车站和区间隧道的变形保护标准见表2。

表2 既有车站及区间隧道变形控制标准mm

3 风险控制措施

人防基坑采用明挖法施工，两基坑被地铁10号线区间隧道分隔，初步拟定2种方案：

1）方案一，先南侧基坑开挖，后北侧基坑开挖；

2）方案二，南北两个基坑对称开挖。

对单一基坑而言，采用跳仓法开挖，从东西两端向基坑中心分层分部对称开挖，以减少基坑长边效应。从安全性、对运营地铁的影响、经济性、施工进度和空间操作性角度综合考虑，邻近地铁一侧基坑围护桩采用φ1000 mm@800 mm 套管咬合桩，插入比为1.3，桩端插入②6粉质黏土层至少1 m，隔断微承压水；距离地铁较远的三边围护桩采用PHC800(130)C 型管桩+φ850 mm@600 mm 三轴搅拌桩止水帷幕；内支撑采用2道混凝土支撑，混凝土支撑截面为0.8 m×1.0 m，间距9 m，第二道支撑采用琵琶撑。

坑内设置悬挂疏干井，将坑内承压水疏干；紧邻地铁一侧坑底裙边加固尺寸为5 m(宽)×5 m(深)，远离地铁的坑底裙边加固尺寸为4 m(宽)×4 m(深)，加强坑底被动土体抗力，减小基坑变形。

4 数值模拟分析

4.1 假定条件

初始应力只考虑土体的自重，忽略构造应力的影响。所有材料简化为均质、连续、各向同性，围护桩根据抗弯等效简化为桩墙，支撑、围护桩、墙、板、柱、梁简化为弹性体构件；土层简化为水平层，为理想的弹塑体模型，采用硬化摩尔-库伦准则计算[11]；数值模拟过程不考虑基坑开挖时间效应和机械施工的振动作用。

4.2 计算模型及参数

利用大型岩土有限元软件Midas-GTSNX 建立三维实体有限元模型，以初始自重应力场为基准[7]，激活支护结构和地铁车站及区间隧道结构，通过逐步杀死基坑范围内的土体单元来模拟土体开挖，之后再激活支撑单元来模拟支撑的架设。

考虑边界效应和计算的时效性，三维模型尺寸为370 m×250 m×60 m；侧面和底面施加位移边界条件，侧面限制水平移动，底部限制竖向移动，上边界为自由地面；基坑周边施加车辆荷载20 kPa。见图2。

图2 三维有限元模型

4.3 基坑开挖对区间隧道变形的影响分析

4.3.1 方案一

南侧基坑开挖完成后，左线隧道最大水平位移为5.05 mm，已超过区间隧道变形的控制值；右线隧道最大水平位移为3.09 mm，位移指向南侧基坑，位于南侧基坑中间位置。见图3。

4.3.2 方案二

左线隧道最大水平位移为1.64 mm，指向南侧基坑；右线隧道最大水平位移2.91 mm，指向北侧基坑；隧道结构变形均满足运营隧道控制值。见图4。

图4 两侧基坑开挖后隧道水平位移值

右线隧道水平位移大于左线隧道，是因为右线隧道比左线隧道更靠近人防基坑。

综上可知，方案一南侧基坑开挖完成后隧道变形大于方案二，这是由于方案二南北两侧基坑对称卸载，对隧道变形影响较小。方案一南侧基坑开挖后，隧道水平位移不满足既有隧道的运营变形控制要求，推荐采用方案二，以下仅对方案二对隧道区间的影响进行分析。

基坑开挖完成后，引起的隧道结构竖向变形见图5。

图5 两侧基坑开挖后隧道竖向位移

左线隧道最大沉降为0.92 mm，发生于中部；最大隆起量为0.56 mm，位于南侧基坑端部。右线隧道更靠近北侧基坑，隧道位于基坑隆起的影响范围内，最大隆起值为2.41 mm，满足运营隧道的变形控制值。

4.4 基坑开挖对区间隧道内力的影响分析

基坑开挖前后隧道弯矩见图6。

图6 区间隧道内力

基坑开挖后隧道拱顶弯矩240 kN·m，较开挖前增加7.2%；拱腰处弯矩为218.5 kN·m，较开挖前增加5%；可见基坑开挖引起的隧道内力很小，不会影响隧道的正常运营。

4.5 基坑开挖对车站变形的影响分析

基坑开挖后，车站X方向最大位移为1.09 mm，位于南段风道侧墙与底板相接处，这是由于风道距离基坑最近且为单层结构，长度和整体刚度较小造成的；Y向最大位移为0.3 mm，位于右线隧道下方的东端墙与底板交界处，此处距离北侧人防基坑较近；竖向最大沉降为0.54 mm，位于风道南侧；最大差异沉降为0.19 mm，最大倾斜率仅0.02‰。见图7。

图7 车站位移

说明基坑开挖对车站结构的影响很小，差异变形很小，引起的车站内力会更小，因此不再详列基坑开挖引起车站结构的附加内力值。

5 结论与建议

1）运营隧道两侧的人防基坑需同时对称开挖，东、西两端向基坑中心分层分部开挖，减少基坑长边效应，此方案下对区间隧道和车站结构的影响最小，可确保地铁车站及区间的运营安全。

2）靠近地铁区间一侧的支护形式采用套管咬合桩，受力和隔水作用合一，整体刚度大，防水性能好，施工速度快对环境扰动小且环保。

3）靠近地铁一侧坑底加大裙边加固宽度和深度，可提高坑底土体被动区抗力，减小对地铁隧道的影响。

4）软～塑地层中支撑和降水施工对既有隧道影响较大，建议架设支撑要及时，避免坑底较长时间暴露；止水帷幕需隔断承压水，施工前进行预降水试验。