中铁十局第二工程有限公司 河南省郑州市 450000
摘要：开展地铁附近桩基和基坑施工对地铁结构的影响分析和防护措施的研究具有重要的理论和现实意义。
关键词：紧邻地铁基坑；地铁；影响分析；保护措施
1研究区水文地质条件
根据岩土工程勘察资料，对工程场地的土层分别进行了计算：①杂填土、②可塑粉质粘土、③流塑状淤泥、④1硬塑粉质粘土、④2含泥中砂、⑤流塑淤泥、⑥粉质粘土、⑥1细中砂、⑦残积粘性土、⑧全风化花岗岩、⑨1强风化花岗岩（砂土状）、⑨2强风化花岗岩（碎块状）、⑨3强风化凝灰熔岩（砂土状）、⑨4强风化凝灰熔岩（碎块状）、⑩1中～微风化花岗岩、⑩2中～微风化凝灰熔岩。场地地下水类型为：（1）赋存于浅部杂填土、粉质粘土层中上层滞水，受大气降水及地表水渗流影响；（2）赋存于④2含泥中砂、⑥1细中砂层中的孔隙承压水，主要受侧向补给且具有连通性；（3）赋存于⑦残积粘性土层及以下的强、中～微风化岩构造裂隙中的孔隙－裂隙承压水，总体透水性较弱。该项目拟开挖基坑底位于③淤泥层中，地铁隧道处于⑥粉质粘土与⑥1细中砂层之间。典型地层剖面图见图1。
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图1典型工程地质剖面图
2基坑支护设计方案
连坂河桥为预应力混凝土空心板桥，下部采用盖梁柱式墩、实体桥台，采用整体基础。桥台基坑尺寸约为长90.7m×宽41m×深5.2～9.6m，基坑支护采用800@1000灌注桩+一道钢筋混凝土内支撑支护，有效桩长8～21.7m，桩间采用500高压旋喷桩止水。基坑分为两期施工，其中一期基坑位于地铁隧道正上方，场平标高约6～8.5m，基坑底标高为0.8m，开挖深度为5.2～7.7m。地铁区间隧道顶标高为－4.25m，基坑底距离隧道顶竖向净距约5.05m，支护桩底距离隧道顶竖向净距约0.75～0.97m。二者空间位置关系如图2、图3：
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图2基坑及支护原平面图
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图3基坑与地铁的空间位置关系图
3桩基及基坑施工对地铁影响分析
3.1定性分析
结合以往地铁保护工作经验及前人研究成果判断，本项目基坑施工对地铁结构影响较大，主要表现为：
首先是正上方卸载导致地铁隧道上浮。本项目基坑开挖深度达5.2～7.7m，卸载率达51%～60%，属于深基坑（≥5m）。基坑开挖后坑底土体因应力释放将出现明显回弹变形，且基坑底位于淤泥层中，孔隙水压力使坑底变形更加明显。开挖到底后隧道覆土厚度仅剩约5m，下方土层原来平衡状态将被打破，上方约束力明显减弱。盾构法隧道虽施工速度快、安全、经济，但刚度小、抗变形能力弱，上方土体开挖后，盾构隧道将出现明显的上浮变形。为此，在坑底采取高压旋喷桩加固措施，将明显改善淤泥层的力学性质，对约束坑底回弹变形及地铁隧道上浮有重要作用。同时在两条隧道中间设置隔离桩，分期施工，化整为零，也能起到控制隧道变形的作用。
其次是桩基施工损坏地铁隧道结构。本项目支护桩底与隧道净距不足1m，若施工精度不足或出现人为失误，极易导致钻穿隧道，存在较大风险。且钻孔过程中扰动地层、振动效应、塌孔等不利影响，均容易导致盾构隧道出现开裂、错台、渗漏水等病害。因此将支护桩向外延伸3m以上，可大大降低对地铁隧道的影响，同时也满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中对工程桩的净距控制要求。
另外，本项目基坑底及支护桩与地铁隧道垂直最小净距（5m及0.75m），均小于1.0D（D为盾构隧道外径），接近程度为非常接近，工程影响分区为强烈影响区，根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，本项目对地铁隧道的影响等级为特级，影响较大。
3.2数值模拟分析
为了模拟分析项目实施过程中对地铁结构的影响程度，并用于指导设计施工，本项目采用三维有限元分析软件MI-DAS/GTSNX进行了建模计算。计算模型范围以基坑外轮廓为基准，外扩五倍基坑开挖深度而建立，模型尺寸为228m×204m×35m。模型边界条件为四周边界固定水平位移，底部边界固定水平竖向位移，上部边界为地表自由面。全过程数值模拟共分为11个工况：①初始地应力形成、②基坑支护桩与隔离桩施工、③基坑临近隧道区域土层加固、④一期基坑开挖、⑤一期冠梁及支撑施作、⑥一期基坑开挖见底和封底、⑦二期基坑开挖、⑧二期和冠梁及支撑施作、⑨二期基坑开挖见底和封底、⑩支撑拆除与桥梁结构施工、瑏瑡道路回填施工完成。数值模拟分析土层模型图如图4。
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图4数值模拟分析土层模型图
根据数值模拟分析结果：若按原设计方案施工，隧道结构最大变形将发生在⑨二期开挖见底工况下，上行线预计将最大隆起18.9mm，下行线预计将最大隆起10.8mm。已超出地铁隧道控制指标中的预警值且临近控制值，影响较大，不满足地铁保护要求，需对原设计方案进行优化调整，进一步采取有利于地铁保护的加强措施。
4基于地铁保护的基坑优化设计方案
为保护地铁盾构隧道安全，本项目对原基坑设计方案进行了如下优化调整。首先，基坑底采用800@600高压旋喷桩进行满堂加固，加固深度为坑底至标高－2.2m，且在地铁结构正上方部位，按高压旋喷桩桩底距地铁隧道顶不小于2m控制。桩身水泥土28天龄期无侧限抗压强度≥2.0MPa，按等腰三角形布置。其次，将临近地铁下行线隧道一侧的支护桩向东北方向延伸，确保支护结构位于隧道结构外侧，且二者水平净距不少于3m。最后，在基坑内的两条隧道中间设置隔离桩，隔离桩采用800@1000灌注桩，桩顶采用1200×800砼冠梁连接，隔离桩冠梁与支护结构冠梁相连。同时以隔离桩为界，将一期基坑再次分两期施工，先施工上行线一侧，再施工下行线一侧。优化后的设计方案如图5、图6。
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图5优化后基坑平面图
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图6优化后基坑与地铁的空间关系图
结束语
本文从实际工程案例出发，分析外部项目施工过程中可能对地铁造成的影响，并通过有限元分析软件对前后两种设计方案进行对比分析，得出以下结论：
（1）在地铁盾构隧道上方大量开挖卸载将导致隧道发生明显隆起变形，威胁地铁结构安全，需采取相应保护措施。
（2）对基底以下土层进行高压旋喷桩加固，能明显减小隧道隆起变形，是保护地铁的一种有效技术手段，但需注意控制加固时的喷浆压力及距离，防止加固时损坏地铁结构。
（3）通过对大基坑进行分段、分段、分层并及时封底，必要时在分段之间设置隔离措施，可以有效减小基坑开挖过程中的时空效应，控制隧道变形。
（4）将地铁防护工作提前纳入对外工程的设计阶段是必要的。
参考文献：
[1]简文彬，李润．福州轨道交通建设中的岩土工程问题［J］．工程地质学报，2010，18（5）：748－753．
[2]常晨曦，方速昌，罗海柔，谢卓吾．基于数值模拟研究淤泥土地层
[3]中基坑开挖对下部地铁隧道的影响［J］．施工技术，2019，48（S01）：207－209．