中穿基坑运营地铁结构变形控制措施研究
李更召， 陈涛， 纪海东， 张敏， 卢川
（天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191）
城市建设快速发展，市区人口分布较为密集，伴随着城市发展的同时，对有限空间的基础建设提出了更高的要求，轨道交通的建设缓解了城市交通的压力，同时也在一定程度上减轻了地面交通不足带给人们的困扰，目前，天津轨道交通开通运营线路共7条，运营里程达265km，运营车站164座，城市空间的限制造成了部分工程不可避免的邻近地铁结构的保护区范围[1-3]，甚至存在零距离接触的情况，基坑土体的开挖卸荷可能会引起地铁结构应力状态的改变[4，5]，使得地铁结构产生一定的变形，从而在一定程度上可能会对轨道交通线路的正常运营产生影响，此时，在工程施工过程中，对地铁结构变形控制的研究就显得尤为重要[6-9]，在变形的动态监测过程中，为现场施工提供指导的同时，也为地铁线路的运营提供保障。
针对施工过程中地铁结构的变形控制，许多学者进行了相关研究。陈仁朋等[10]通过数值模拟对基坑开挖过程中地铁隧道受到的影响及控制措施进行研究，总结了上方和侧面开挖时隧道结构变形的不同控制措施。龙宏德等[11]以深圳某工程为例，对地铁隧道上方的长距离并行基坑施工过程中地铁结构的变形进行研究，提出了基坑分段开挖、控制开挖长度等控制地铁结构变形的措施。李鹏等[12]对基坑开挖过程中下卧地铁结构的回弹变形进行研究，结合实测数据，提出了科学降水、隧道内采用压重与纵向联结等措施以控制地铁隧道的变形。濮居一等[13]采用有限元方法，通过土体加固对基坑开挖过程中地铁隧道的变形进行研究，提出了基坑土体平面满堂加固及竖向分层加固措施能够对控制地铁隧道的变形起到很好的作用。罗鑫等[14]以武汉某邻近地铁基坑工程为例，采用两阶段法结合数据模拟，对不同工况下隧道结构的隆起变形进行研究，分析得出，压力注浆＋水泥土搅拌桩的加固措施能够很好控制地铁结构的隆起及收敛变形。
文中以天津某地铁保护特级风险施工项目为研究对象，其特级风险体现于基坑与地铁围护结构两侧贴建，为“零距离”接触，对基坑施工要求非常高，对施工过程中运营地铁结构的变形进行监测，并提出科学合理的变形控制措施。
天津市区某深基坑工程，工程整体分4期实施，基坑与车站及隧道区间围护结构两侧贴建，部分共用地铁地连墙，为超深基坑，各期开挖深度见表1。第三方评估风险等级为特级，施工难度大。总建筑面积43.6万m2。是天津首例在软地区与时速60km/h运营地铁结建上盖的站城一体化综合体，临近地铁车站主体（长度189m，地下3层），盾构区间（双线隧道，埋深18m），盾构区间上方地下室（长度100m，地下两层）。目前北运河站现状为过站运营，基坑与地铁平面相对关系见图1。项目原规划是与中间地铁结构同期建设，因故项目停滞，地铁先期施工完成并通车，给项目施工增大了难度。考虑到项目后续施工时可能会引起先期建设的地铁结构变形，在地铁设计施工时预留了保护措施，项目自身的基坑设计施工时也预留了相应的加强措施，采取的各项措施在文中进行简单介绍，预留措施不能紧随项目施工进度进行动态调整，对地铁结构变形控制的数据不易量化，故文中不做预留保护措施对地铁变形影响的详细描述。
表1 各期开挖深度
图1 基坑与地铁平面相对位置
2期基坑围护结构为：地下连续墙+两道钢筋混凝土内支撑，局部设置三道支撑的支护形式；
3期基坑围护结构为：钻孔灌注桩支护+两道钢筋混凝土内支撑。施工先后顺序：1期→2期和3期→3A期和3B期→4期。文中所涉及的监测数据反映2期和3期土方开挖过程中地铁变形情况，1期基坑已经施工完毕正在进行地上结构施工；
3A期和3B期、4期暂未施工，其相互位置剖面关系见图2。
图2 各期与地铁结构剖面位置关系
项目监测2、3期、3A、3B期统一布点，统一监测，监测范围为基坑所对应地铁里程向两侧各延伸50m（3倍基坑开挖深度影响区域），共计监测范围为402m。地铁的上行线靠近3期，下行线靠近2期。车站区域监测断面间隔为10m，隧道区域加密监测断面间隔为5m（S25-S46，X25-X46），每个断面都布置了竖向、水平、收敛等监测点，具体监测断面布置如图3所示。
图3 断面测点布置图（单位：m）
现场监测为自动化监测系统和人工测量复核相结合，组成一体化智能监测系统。采用两套自动化监测系统：静力水准测量自动化监测系统和测量机器人自动化监测系统（GeoRobot Deformation Monitoring Automatic System），人工监测频率为2～3次/周。运营期间人员无法进入地铁内部进行巡视，在地铁结构内部安装了高清PTZ摄像机，用来做实时病害巡视。
根据项目需求进行选择本构模型，计算土体选取HSS本构模型，结构采用线弹性本构模型模拟。
3.1 计算模型概况
计算采用岩土有限元分析软件PLAXIS3D建立整体三维有限元模型进行计算分析。模型以北运河地铁站及其站端隧道走向为Y轴，其垂直方向为X轴，竖直方向为Z轴，为消除模型边界效应，X轴方向取480m，Y轴方向取510m，Z轴方向取60m。模型计算采用10节点四面体单元，共划分单元521934个，节点754700个。总计算模型见图4。
图4 总计算模型
3.2 计算假设
有限元数值模拟基于一定的假设和模型简化进行的，假定如下：
（1）认为各土层呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内。
（2）采用接触面的模拟方法模拟结构与土的相互作用，通过采用结构面材料强度折减的方法模拟土体和结构相关结构的力学行为。
（3）假定隧道结构在计算域内沿直线水平延伸。
（4）计算考虑了基坑开挖过程中地下水的抽降过程，计算中主要采用改变坑内外水头的计算方法模拟基坑降水过程中坑内外水压力变化对变形的影响。
（5）计算考虑将钻孔灌注桩等效为抗弯刚度相同的地下连续墙。
3.3 模型边界条件
模型的边界条件如下：模型顶面为自由面，无约束；
模型底面每个方向均约束；
模型4个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。
3.4 模拟结果分析
因基坑开挖面积较大，且基坑贴建地铁地铁车站及隧道，大面积开挖产生的卸荷效应显著，导致坑外土体产生上浮趋势，在土体变形传递效应的影响下地铁产生较大的上浮。
2、3期基坑开挖结束后的地铁结构竖向位移云图如图5、图6所示。开挖后地铁隧道及车站周边土应力分布受到扰动，发生不均匀变形，北运河地铁站体及隧道最大竖向位移发生在车站与隧道结合部位地下2层结构的下行线，为隆起变形。根据计算结果，隧道最大竖向变形12.8mm（上浮），向南侧逐渐减小；
车站主体最大竖向变形16mm（隆起），向北侧逐渐减小。表明在基坑开挖影响下，地铁隧道与车站站体均存在竖向变形，车站站体局部隆起量大于隧道。
图5 基坑开挖完成后隧道竖向位移变化值云图
图6 基坑开挖完成后车站主体结构的竖向位移云图
两侧基坑开挖卸载后，地铁周围土体应力二次分布，地铁车站及隧道在附加应力作用下产生变形。由于地铁结构两侧开挖深度不同，使得地铁结构两侧土体的应力路径不同。2期基坑开挖较深，所以在地下2层地铁结构下行线的隆起较大。
若不采取措施，基坑及隧道变形将可能超过控制值。为确保基坑施工期间隧道的结构和施工安全，根据结构施工实际情况，综合考虑预测变形、极限变形，建议采取一定的预处理及应急措施，以控制基坑施工对地铁的影响。
4.1 地铁预留措施
（1）围护结构及止水帷幕：车站主体围护结构采用1000～1200mm地下连续墙，墙长42.5～44m，地下3层车站；
站端盾构隧道区间外侧采用1000mm地下连续墙，长29m，以满足地块基坑利用地铁围护墙支护。站端盾构隧道区间外侧采用850mm三轴搅拌桩，桩顶标高-12.493m，有效桩长15.25mm，有效隔断⑨2粉砂层，以满足后期地块基坑止水帷幕封闭要求。
（2）盾构区间上方2层地下室先期代建：地下2层建筑位于隧道之上，在其下方设置700mm钻孔灌注桩，有效桩长40m。
（3）主体柱网：车站设计时中已经考虑后期商业开发扩建工程，设计过程中，裙房柱网与车站柱网对齐，并预留上盖物业柱子插筋；
车站结构计算采用空间计算与平面框架受力分析计算相结合的方式，并已经预留了车站与周边地块连通门洞，在侧墙墙顶设置过梁。
（4）工程桩及抗拔桩：地铁车站主体结构下设置大量工程桩、抗拔桩，采用1000mm钻孔灌注桩，桩长30m，桩间距约为3.85～6m，在满足结构受压、抗浮要求前提下，减小后期邻近施工对地铁结构的影响。
4.2 基坑加强措施
（1）围护及支撑加强：2A、3A期基坑深11.8m，采用800～1200mm钻孔灌注桩，竖向设置两道钢筋混凝土支撑；
2B、3B期基坑深15.5～17.1m，采用1000mm厚地连墙，竖向设置三道支撑。混凝土支撑采用微膨胀混凝土封闭。考虑1期结构已完成，2期基坑首道支撑设置加强板带，如图7所示。
图7 加强板带位置
（2）对称开挖。平面上：车站左右两侧基坑对称开挖，2A、2B同期实施，3A、3B同期实施。立面上：左右两侧11.8m对称开挖，B期基坑待A期基坑底板完成后，方可继续往下开挖。
（3）连接部位局部加强。如图8所示，局部加强措施：①内扶壁地下连续墙：南北侧车站与支护结构连接部位、盾构隧道与车站分界处设置内扶壁地下连续墙（π型），增加围护刚度，并进行留土护壁。②连接处围护桩加强：地铁西侧增大灌注桩桩径以及桩长，地铁东侧增加地连墙厚度以及墙长。
图8 连接部位局部加强位置
（4）止水帷幕加强。如图9所示，止水帷幕加强措施：①基坑止水帷幕封闭。采用800厚CSM水泥土搅拌墙隔断第一层承压含水层；
②端头止水帷幕加长。为防止降水对南北两侧基坑外侧地铁结构影响，南北两侧区域止水帷幕加长；
③连接处MJS止水。在基坑止水帷幕与地铁车站及隧道止水帷幕连接处，施做1800MJS超高压旋喷桩封堵，确保接缝止水效果。
图9 止水帷幕加强位置
4.3 施工过程地铁变形控制措施
土方开挖采用岛式开挖方式，竖向分层、平面分块，按照“分层、对称、平衡、限时”开挖原则，以控制基坑变形为主，减小基坑开挖对地铁站体及轨道区间影响。2019年12月14日开挖第一步土方，各步土方开挖概况如表2所示。
表2 土方开挖一览
土方开挖过程中，地铁变形主要表现上浮。在开挖第二步土过程中，地铁上浮速率接近0.2mm/d，启动坑内动态控制地下水，降低水头高度。在第三步土开挖接近完毕时，鉴于地铁隆起（6.16mm），为保证后续土方开挖的顺利进行，在地铁上盖结构回填反压，通过施加荷载控制地铁上浮。
（1）坑内动态调整地下水水头高度。在第二步土开挖过程中，地铁地铁上浮明显，速率加大。在2020年5月6日启动坑内动态控制地下水，降低水头高度2m。
（2）地铁上盖回填反压。具体措施：①在地铁结构受开挖影响区域范围内采用填砂堆载反压减缓隆起方案基本可行；
②根据原地铁结构设计要求：堆载反压时严格控制堆载高度，站体最大堆载高度3m，区间最大堆载高度1.8m；
③先期整体堆载1m，后续根据地铁变形监测结果，动态调整堆载加压时间、位置和施工步序；
④堆载反压及后期卸荷过程中需注意对已有主体结构成品保护。
第一次反压，2020年6月6日～2020年6月8日对地铁站体及盾构区间采取回填反压措施，盾构区间回填中砂，厚度2.3m，共约2070m3站体回填土厚度约1.2m，约4560m3第二次反压，2020年6月24日～2020年6月30日对地铁采取二次加载措施，隧道区间回填土厚度约1.8m，共约6840m3站体施加工字钢加载，计划约3000t；
站体回填土厚度约6m，共约3900m3。
在整个施工期间，地铁结构变形主要表现为结构的上浮。土方开挖完成后最大上浮点位为上行线S25断面（10.72mm），未超过有限元模拟的最大竖向变形16mm，与有限元模拟竖向位移最大位置吻合。如图10所示，2020年5月7日采取的降低坑内地下水水头高度、2020年6月6日第一次回填反压、2020年6月24日第二次反压地铁上盖回填反压措施后，对地铁上浮的趋势有明显的抑制，尤其是第二次上盖反压后，地铁未再出现持续速率较大的上浮趋势。
图10 最大变形点位S25上浮累计变化量时程折线
隧道上方回填压载为25kPa，车站站体上方回填压载60kPa，站体端头24～25断面区域压载达3000t，较其它部位压载量要大。由图11也可以看出，模拟数据与实测数据整体趋势较吻合，验证了模型的准确性。在压载量最大的车站端头位置，两者数据偏差最大，向两侧延伸，模拟数据与实测数据较为接近，直观显示出地铁结构上部压载对控制地铁竖向变形作用明显。
图11 土方开挖完毕地铁纵向变形曲线与实测对比
有限元模拟结果地铁结构最大上升位置在靠近2期的下行线端头，实际测量结果是出现在靠近3期的上行线端头位置，该结果的出现可能与2期北侧坑底预留5000m3反压土有关，这部分反压土在其它区域底板施工完毕后有序开挖清理。其它监测指标未出现大的变化，其中地铁上下行线的结构水平位移有整体朝向2期位移的趋势，水平位移最大变形值为5mm，出现在下行线X40断面，与基坑监测的围护结构水平位移变形趋势一致；
地铁结构轨向的差异沉降最大为1.83mm，出现在下行线X46和X47之间；
盾构区间上部回填反压后，反压区域隧道（断面26～断面46）的水平直径普遍增大，最大变化值为3.2mm，出现在下行线X35断面位置。
在工程2、3期施工过程采取的各项措施联合作用下，有效的控制了地铁结构的上浮，上浮量未超过报警值。在整个施工过程中，地铁结构未出现裂缝、漏水等明显病害，未影响地铁线路正常运营，并得出如下结论：
（1）两侧贴建基坑挖土卸载引起地铁结构反应较快，开挖卸荷后立刻引起地铁结构变形。
（2）采取降低基坑内承压水水头高度，对抑制地铁结构上浮有较明显效果，但随着进一步开挖卸荷，效果渐弱。地铁上盖回填反压，对抑制地铁结构上浮作用明显，但会引起盾构隧道收敛，建议回填反压前做好模拟计算工作。
（3）通过施工过程中的地铁变形动态监测，合理指导现场施工工序，并适时采取相应变形控制措施，保障地铁正常运营，总结形成一体化综合体施工成套技术，为类似工程提供参考。
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