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基坑降水对控制保护区外既有盾构隧道影响的研究

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年3月下作者：叶颖炜

[导读] 目前，随着国内经济水平的发展，城市轨道交通里程越来越长，地铁线路越来越密集，难免会遇到既有线路附近有基坑正在开挖的情况，当附近基坑距离既有隧道较远时，再地铁保护范围外，基坑基底降水是否会对既有线路产生影响，本文结合实际案例，再利用midasgts地层应力模型对此进行分析。

广州市市政工程设计研究总院有限公司叶颖炜

摘要：目前，随着国内经济水平的发展，城市轨道交通里程越来越长，地铁线路越来越密集，难免会遇到既有线路附近有基坑正在开挖的情况，当附近基坑距离既有隧道较远时，再地铁保护范围外，基坑基底降水是否会对既有线路产生影响，本文结合实际案例，再利用midasgts地层应力模型对此进行分析。
关键词：基坑降水既有隧道变形沉降变形控制
基坑施工过程中，不管是因开挖土体而降低坑内水位，抑或是由于基坑周边止水帷幕的漏水引起坑外水位的下降，都必将引起周围建（构）筑物产生附加变形，对周围环境产生不良影响。如果周边环境存在既有地铁隧道，将会对隧道产生影响，因此，我国指定了相应的地铁保护规范，根据1、《城市轨道交通既有结构保护技术规范（广东省标准）》要求，城市轨道交通沿线应设控制保护区，范围有：1）车站与隧道外边线外侧50m内；2）地面建筑外侧30m内；3）出入口等附属建筑外侧10m内；4）过江隧道桥梁外侧100m内。2、《广州市城市轨道交通管理条例》（2008年1月）本条例第十二条规定：城市轨道交通沿线设立城市轨道交通控制保护区，其范围包括：（一）地下车站与隧道结构外边线外侧五十米内；（二）地面和高架车站以及线路轨道结构外边线外侧三十米内；（三）出入口、通风亭、车辆段、控制中心、变电站、集中供冷站等建（构）筑物结构外边线外侧十米内；（四）城市轨道交通过江隧道两侧各一百米范围内。若既有隧道距离基坑边较远，处于地铁控制保护范围之外时，此时新建基坑底进行抽水降水作业，是否会对既有隧道有影响，本文在此假设下进行分析。
实例计算分析：
某一新建工程基坑，基坑深25m，基坑围护结构外边距离既有线路隧道外边线约58.71m，如下图：

       根据《城市轨道交通既有结构保护技术规范（广东省标准）》要求，进行判定：1）接近程度判定，既有隧道属于盾构法，L>3.0D ,属于不接近（Ⅳ），如下图；2）新建基坑属于明基坑，既有隧道处于基坑外侧2.0h1范围以外，属于较小影响区（D）。综上判定为四级以下，影响不明显。工程位于洪层地区，自上而下为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系上更新统-全新统陆相冲积-洪积砂层        （Q3＋4al+pl）、第四系冲积-洪积土层（Q3＋4al+pl）、第四系残积土层（Qel），下伏晚志留世花岗岩（S3）。主要地层概述如下：
        （1）人工填土层（Q4ml）素填土，本层代号<1-2>
        （2）陆相冲积-洪积砂层（Q3+4al+pl）陆相冲积-洪积中粗砂层，本层代号为“<3-2>”。
        （3）冲积-洪积土层（Q3+4al+pl）本层共分为 2 个亚层：1）可塑状冲积-洪积粉质黏土层<4N-2>；2）硬塑状冲积-洪积粉质黏土层<4N-3>
        （4）坡积土层（Q3+4dl）粉质黏土，本层代号<4-3>
        （5）残积土层（Qel）1）可塑状残积土，本层代号为“<5H-1>”；2）硬塑状残积土，本层代号为“<5H-2>”
        （6）花岗岩岩石全风化带（γ）全风化花岗岩层，本层代号为“<6H>”
        （7）花岗岩岩石强风化带（γ）
        分析离基坑直线距离最短的剖切面。总体模型计算区域选取，充分考虑了基坑开挖引起的边界效应，参阅相关文献，结合实际经验，取盾构隧道两侧外扩3D，竖向外扩4D，建立地层应力模型，计算模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。设定水头下降1m，计算水头下降前后隧道整体变形，二维分析模型如下：

从计算结果云图看出，随着水位的下降，地面相应发生沉降，沉降的大小随着土层深度递减，读取隧道模型的变形值，得出结果如下，

读取数据可得距离基坑最近隧道结构，隧道变形值最大约14.57mm，接近规范要求既有结构变形控制值15mm，可见，单独分析地层水位下降1m，对既有隧道结构有显著影响。重新建立模型，扩大建模范围，把基坑开挖加支撑施工步骤建入，施工到第一道支撑时，降水到第一道支撑以下0.5m，第二道支撑时，降水到第二道支撑以下0.5m，如此类推。建立模型如下：

分析因为基坑开挖导致水位下降后，隧道既有结构的变形为，

        读取变形数据，可得管片最大变形值为14.45mm，接近规范要求控制限值15mm，从以上2个模型分析可以看出，既有隧道结构位移随降水水位增大而增长，基坑降水对地铁结构变形产生了一定影响，下沉量会有所增大。随着降水加深，既有结构位移增长越大，因此基坑开挖过程应该严格控制水位变化，虽然模型分析的位移尚处于规范控制值范围内，但因本场地为洪层地区，残积土及强风化层遇水有软化崩解风险，实际上可能存在既有结构位移过大风险。
        总结
        基坑降水对邻近既有隧道影响较大，对附近存在既有线路的基坑开挖，有以下几点需要注意：
        1、施工前建议对现状隧道使用情况进行摸查，充分掌握目前隧道的状况。
        2、根据数值计算结果，结合既有工程经验，将主要控制标准按施工步序进行分解，实施控制标准的分阶段控制。如基坑施做支护结构与止水帷幕、基坑降水及基坑开挖支护等步骤均可设定控制标准，尤其止水帷幕与基坑降水等重要的施工步骤需设置合理详细的控制标注。
        3、基坑的土方开挖顺序，应从远离既有结构的远端开始，逐步向靠近既有结构的近端推进，避免采用盆式开挖，具体需结合施工方案确定。
        4、质量控制应贯穿施工过程，要严格把好工程用材料质量，抓好工序质量控制，认真做好质量检查检验工作，严格按照施工规范要求精心操作，确保施工质量。质量实时监控除了现场设置质量监督工作人员外，还应安装远程质量监控，获取关键技术全过程动态画面。
        5、在基坑开挖施工过程中严格控制场地地下水位的下降，水位的快速下降会引起既有隧道结构的下沉。建议水位变化控制值为2m，报警值为1.0m，当水位下降较大时可采用回灌井等措施。
        6、基坑施工完，需按规定的监测频率继续做好变形、水位、受力等各项监测工作。基坑支撑拆除须在满足设计对结构强度的要求后才能进行。
        7、基坑开挖时应严格按照设计方制定的监测方案进行监测，当监测项目超过警戒值或出现突发情况时，必须立即停止开挖，查明原因，对支护方案进行修改，待加固处理后方能进行下一步开挖。
主要参考文献：
1、《城市轨道交通既有结构保护技术规范（广东省标准）》；
2、《广州市城市轨道交通管理条例》；
3、《建筑基坑支护技术规程》