邻近地铁项目基坑工程分析与研究

邻近地铁项目基坑工程分析与研究

朱非白

东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏南京， 210000

摘要：本文主要介绍了邻近地铁项目基坑工程中为控制隧道变形采取的设计技术方法和措施。基坑工程支护结构采用大直径双排灌注桩和局部单支点的形式。通过分析,工程土方开挖期间，周边环境及隧道变形受影响均较小。当止水帷幕长度超过28m，隧道水位降深和沉降变化幅度均较小，实现了三轴深搅桩方案的可行性。通过加长止水帷幕深度，增加地下水的绕流通道从而减少降水对地铁隧道的影响，为同类型工程项目设计提供一定参考。

关键词：基坑工程、止水帷幕、三轴深搅桩、TRD

引言

随着城市化建设的加快推进，临近轨道交通的建筑物在设计、施工过程中不得不关注其对轨道交通的影响。各类商住类基坑工程项目、地铁沿线重大基坑工程项目，在基坑工程设计过程中都需考虑地铁保护相关措施，并对常规支护和止水方案进行加强。

江苏省南京市奥体博览中心二期基坑深度9.3～9.9m，支护形式采用钻孔桩加三轴深搅和一层支撑，距地铁区间37.3m。新鸿基环贸中心基坑深度20.8～22.3m，支护形式采用地下连续墙(入岩)和四层支撑，距10号线元元通站约7.15m。证大广场项目基坑深度11.2 ～ 12.9m，支护形式采用灌注桩加支撑形式，距南京南站约14.2m。阿里巴巴江苏总部基坑深度12.55 ～ 16.65m，采用地连墙加两～三层支撑、排桩结合支护形式，距宁和城际永初路站17m。南京金融城项目基坑深度20.05～21.55m，4个区分4个基坑实施地下连续墙(灌注桩)+四层支撑形式。

由这些实际工程项目案例可以看出，邻近地铁项目出于对地铁站台及区间的保护，往往设计上都会采取加强措施，例如采用水泥加固土地下连续墙(TRD工法)，一方面是深基坑的一种有效支护形式，另一方面也是一种比较安全的止水帷幕形式。但是这种支护形式造价较高，而且施工周期较长。

对合适的基坑项目采用有效的支护结构，因地制宜采取止水降水措施，可以在节省工程造价和满足工期的情况下完成基坑阶段工作。下面就具体项目实例，进行详细分析。

1 工程概况

本项目占地面积约2.9万平方，总建筑面积约10.5万平方，分为A、B、C三个地块，A地块一层地下室，B、C地块二层地下室。其中A地块红线距离轨道交通宁和线高庙路站-吴侯街站区间隧道结构边线最小水平距离仅4.3米。根据土地出让征求地铁意见的复函，地下室边线（含支护结构）应退让地铁结构不小于15米及1.0倍基坑开挖深度，因此地块边线进行了退让，最终地下室外墙边线距离地铁结构20米。根据南京市轨道交通条例，A地块位于地铁保护区内，基坑面积约1.6万平方米，周长约500米，开挖深度6~6.8米，局部坑中坑约9.5米。下面主要讨论A地块基坑设计。

图 1 项目与地铁平面位置关系图

2 工程地质情况

本项目位于长江漫滩地貌单元，地下水类型为潜水、承压水和基岩裂隙水。场地水和土对混凝土结构具微腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀。场地周边环境复杂，东侧邻近既有宁和线高庙路站～吴侯街站区间隧道，基坑边线与隧道距离约2.7H(H为基坑开挖深度)，土方开挖及地下水作用均将对地铁结构产生叠加影响，变形控制要求较高。基坑东侧邻近区间隧道地铁结构区段，软土分布小于1.5m，以下地层工程力学性质较好。基坑开挖影响范围内存在深厚的粉细砂含水层，为弱承压含水层，地下水较丰富，开挖面位于②-3层粉土、粉砂夹淤泥质粉质黏土，以下为深厚的砂层，地下水控制设计的合理性直接影响基坑及环境安全，是基坑工程设计须关注的重点问题。

表1 土层物理性质表

3 基坑支护设计

本基坑工程实施过程中基坑本身及周边环境的安全性是设计与施工的首要目标，在此前提下必须采用合理、有效、经济、快捷的方案体系及技术措施，控制工程造价、满足工期要求。

根据本工程场地的工程地质条件、水文地质条件、周边环境，尤其是地铁隧道的保护、建筑结构方案及业主相关要求，提出了分区、顺作的设计方案。

3.1支护结构方案

支护结构安全等级邻近地铁侧为一级，其余侧为二级。土层抗剪强度指标选取勘察报告中各土层的固结快剪指标标准值作为计算参数，土压力和水压力计算按水土合算，砂层按分算计算。基坑周边荷载取值20kPa，场地周边道路荷载取值30kPa。整体滑动稳定性安全系数取1.30，坑底抗隆起稳定性安全系数取2.2。变形控制：邻近地铁侧0.2%h，其余侧0.4%h（h为基坑开挖深度）。

经过方案比选，从结构安全性、造价、施工进度方面考虑，A地块最终采用φ900@1100双排钻孔灌注桩、局部采用φ800@1000单排钻孔灌注桩加单支点支护方式。

图 2 A地块主要支护结构方案

3.2地下水控制原则

本项目距离地铁隧道近，表层软土分布，承压水量丰富。根据本场区水文地质条件，潜水赋存于1层人工填土、2-1粉质粘土及2-2层淤泥质粉质粘土中。填土层成分不均匀，富水性及透水性较好；其余含水层富水性较好，但给水性差、透水性弱。考虑工程安全与经济性控制要求，地下水作用控制设计总体方案按 “止降结合，按需降水” 原则进行设计。

3.3开挖对地铁隧道影响的数值分析

本次分析过程中，为计算方便作如下基本假定：（1）各层土体为各向同性体，土体假定为弹塑性体；（2）支撑结构为有一定弹性刚度的杆件；（3）土体与支护结构之间保持紧密接触，满足位移协调条件。计算采用弹塑性理论模拟基坑开挖，土体本构模型选用了修正MohrCoulomb模型。二维有限元模型模型计算范围：模型竖向方向计算深度度取基坑开挖深度的7倍；水平方向基坑外取基坑开挖深度的3倍。边界条件：上表面为自由面，四周边界面约束法向位移，底部约束竖向位移。

a）水平向云图

b）沉降云图

图3 双排桩模型结果 图4 单支点模型结果

表2 开挖引起周围环境最大变形表

a）水平向云图

b）沉降云图

图5 双排桩模型结果 图6 单支点模型结果

表3 开挖引起区间隧道的最大变形表

由此可见，本工程土方开挖期间，地铁区间隧道沉降位移和水平位移均不超过1.0mm，受影响较小，基坑支护设计方案可保证地铁的正常运营；同时，基坑周围环境的最大变形均在允许范围内。本基坑工程设计满足对周边环境保护的功能需求。同时需注意：地铁上方道路严禁作为出土口及重载车行驶；邻近地铁侧土方分仓开挖，尽快完成底板施工，缩短基坑暴露时间。

3.4.降水对地铁隧道影响的数值分析

本项目A地块为一层地下室，大面积区域水位降深为2.7m，坑中坑和配电房部位水位降深为6.7m，如将A地块止水帷幕封底，需采用TRD工艺，且长度达55m，工期长、造价高。现通过设置不同长度（28m、30m和35m）的止水帷幕（φ850@1200三轴深搅桩），对地铁区域的水位降深和地层沉降进行计算，对满足地铁保护要求的止水帷幕长度进行讨论。

本次计算以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，A地块向外扩展约200m，B地块向外扩展约300m，即实际计算平面尺寸约为780×700m²。四周均按定水头边界处理。地层从上到下，依次划分为9层，数值模拟的模拟期52天，将整个模拟期划分为2个计算周期，分别为45天（开挖至大面积地库底标高，降水降至基坑面以下0.5～1.0m）和7天（开挖至坑中坑底标高，降水将至坑中坑底以下0.5～1.0m）。在每个计算周期中，所有外部源汇项的强度保持不变。将模拟区每层剖分为122行、230列，剖分网格共252540个。

a)止水帷幕为28m时水位标高图 b)止水帷幕为30m时水位标高图 c)止水帷幕为35m时水位标高图

d)止水帷幕为28m时沉降云图 e)止水帷幕为30m时沉降云图 f)止水帷幕为35m时沉降云图

图7 止水帷幕为30m时沉降云图

图8 基坑降水引起的隧道处水位降深及下方最大沉降

当三轴止水帷幕长度为28m，开挖至大面积地库底标高时，地下水位降深为1.2m，区间隧道下方土层沉降为1.5mm，降水和变形均较小；同时综合专家征询意见A地块止水帷幕深度定为30m，并且临近地铁侧三轴深搅桩需采用套接两孔的形式。

3.5降水设计及环境保护

基坑降水设计原则：1、基坑开挖影响深度范围内含水层渗透性较好，基坑内采用管井按需降水；2、按环境保护要求，针对性确定降水井深度。

降水方式：采用管井降水，梯度布置；滤管采用桥式过滤器。降水井平面布置：梅花形布置，从地铁侧向西，降水井平面间距控制在15m~20m左右，滤管长度梯度布置；大面积水位降深2.3m，电梯坑部位水位降深5.5m。底板完成后，水位降深0.7m。

根据环境保护要求，坑外布设一定数量水位观测井及备用回灌井，地铁侧观测井间距15m，根据坑外水位监测变化情况，必要时作为回灌井使用。

表 4 降水施工全过程对地铁隧道影响一览表

4 结论及建议

1、基坑设计总原则是安全性，同时也要考虑合理性、经济性。邻近地铁基坑工程设计前应与地铁管理部门及时沟通，获取地铁隧道结构初始变形数据，充分了解地铁隧道保护要求。

2、本项目按照常规需采用TRD入岩止水帷幕，但经分析论证，当止水帷幕长度超过28m，降水和沉降变化幅度均较小，三轴深搅桩方案可行。支护结构采用大直径双排灌注桩和局部单支点的形式，对周边环境及隧道变形均较小。

4、严格遵循按需降水原则，根据施工进度动态调整水泵深度，控制坑内地下水水头位于开挖面0.5m以下。

5、土方开挖前应对止水帷幕和降水效果进行检验，满足设计要求后方可开挖。

6、对地铁结构基坑变形值从严设置，要求施工阶段严格控制基坑变形。

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