深基坑开挖对相近地铁的影响研究

深基坑开挖对相近地铁的影响研究

陆磊

上海浦东路桥（集团）有限公司  201315

摘要：以紧临地铁的康桥雨水泵站的泵房基坑工程为背景，借用有限元分析软件 MIDAS/GTS进行三维空间弹塑性模拟基坑开挖对轨道交通的影响，以确定基坑围护设计的合理性，确保基坑开挖期间轨道交通安全正常的运行。

关键词：基坑围护；模型建立；轨道安全

1  引言

随着城市的高速发展，雨水泵站的建设在治理河道、改变人们的居住环境、提高城市整体形象方面发挥着重要作用，故此雨水泵站的建设涉及到的基坑工程在逐渐翔更深更大的方向发展[1]。雨水泵站基坑多出现在周围环境复杂的城市中，而作为缓解城市交通压力的地下轨道交通经常出现在基坑周边，为此，在基坑开挖期间保护轨道交通具有十分重大的意义。

随着计算机技术的发展，越来越多的模型计算应用于基坑工程中，为基坑围护设计做出一份保障[2-5]。郑虹采用ABAQUS建立三维模型，分析基坑开挖对地下轨道交通的影响[6]。

本文以康桥雨水泵站建设工程为背景，以模型计算基坑围护结构的正确性，模拟开挖期间轨道交通的变形，同时分析开挖至坑底后轨道交通的监测数据。

2  工程概况

2.1  项目概况

康桥路雨水泵站选址于上海市浦东新区，西至咸塘港，北至康桥路，总占地面积为2709㎡。本项目深基坑工程主要由六个建（构）筑物基坑组成，分别为雨水泵房基坑，出水箱涵基坑，顶管始发井基坑，顶管接收井基坑、进水管基坑和岔道箱涵基坑组成。其中雨水泵房基坑开挖深度最深至20.8m。

项目临近轨道交通 18 号线沪南公路～御桥路盾构区间，区间在南侧穿越规划康桥路雨水泵站用地，轨道盾构外线切进泵站红线5m，轨道控制线切进泵站红线11m。穿越康桥路雨水泵站用地处轨道轨面高程由西向东为-24.5～-25.4m，盾构外顶为-19.2～-20.1m（高程均为绝对标高，采用吴淞高程）。该段轨道交通 18 号线目前运营中。雨水泵房基坑与区间隧道结构外边线最小净距约8.0m，泵站基坑底与地铁区间隧道结构顶竖向最小净距约2.124m。基坑平面图如图1所示,基坑与18号线轨道平面位置示意图如图2所示。

图1  各基坑平面图

图2  18号线轨道与泵站平面位置示意图

2.2  雨水泵房基坑概况

雨水泵房基坑形状为不规则5边形，总平面尺寸（16.3～23）（B）×53.46m（L），开挖最大深度为20.8m，基坑底基本位于⑤2-1灰色粉质粘土处。施工时采用明挖现浇发施工，侧墙为地下连续墙+内衬两墙合一，结合受力。

2.3  地质水文情况

2.3.1  地质情况

根据勘察结果，场地地面下 85.0m 深度范围内揭露的地基土属第四纪全新世（Q4）滨海～河口、浅海、沼泽相及晚更新世（Q3）河口～滨海、滨海～浅海相沉积层。主要由粘性土、粉性土及砂性土组成。按其地质时代、成因类型、土性不同及物理力学性质上的差异可划分为 8 层和分属不同层次的亚层。各土层特性见表1所示。

表1  土层特性表

2.3.2  水文情况

勘察深度（85.0m）范围内地下水，主要有赋存于浅部地层中的潜水、全新统中下部地层（⑤2层）中的（微）承压水及上更新统地层（⑦、⑨层）中的承压水，各层地下水特征详述如下：

（1）潜水水位

潜水赋存于浅部地层中，潜水水位埋深一般为0.3m～1.5m，受降雨、地面蒸发、地表水等影响有所变化，丰水期（5～8月份）地下水位较高，枯水期（12月至翌年1～2月份）水位较低，年水位的变化幅度一般在1.0m左右。

勘察期间，实测钻探孔附近浅孔内潜水稳定水位埋深在1.23m～1.42m之间、平均1.34m，相应标高2.55m～2.36m之间、平均2.47m。

（2）（微）承压水

本场地内（微）承压水赋存于全新统地层中下部粉土层中（⑤2层）。根据上海地区工程经验，其水位埋深一般在地面以下3～11m，随季节呈周期性变化。

按最不利条件估算承压水水位埋深按3m计，⑤2层（微）承压含水层顶埋深最浅19.7m，当基坑开挖深度约≥9.3m时，该层（微）承压水有引起坑底突涌的可能性。

勘察期间对赋存于⑤2层中的（微）承压水水位进行了观测，测得其水位埋深在约在地面下3.73m，相应标高0.05m。

（3）第一、二承压水

场地85m深度范围第一、二层承压水，分别赋存于⑦、⑨层土中。根据上海地区工程经验，第一承压含水层（⑦层）水位埋深一般在地面以下3～12m，随季节呈周期性变化。第二承压含水层（⑨层）水位变化较大，一般接近但不超过第一承压含水层水位。

本工程基坑最大开挖深度约25m，按最不利条件估算第一承压水水位埋深按3m计，⑦层承压含水层顶埋深最浅41.9m，基坑开挖后坑内地基土抗承压水头的稳定性系数为： Pcz/Pwy≈0.78＜1.05，第一承压水有引起本工程基坑坑底的突涌的危险。第二承压水水位埋深按3m计，⑨层承压含水层顶埋深最浅75.0m，基坑开挖后坑内地基土抗承压水头的稳定性系数为： Pcz/Pwy≈1.24＞1.05，第二承压水不会引起本工程基坑坑底的突涌的。勘察期间对赋存于⑦层中的承压水水位埋亦进行了观测，测得其水位埋深在约在地面下4.133，相应标高-0.81m。

3  基坑支护设计

3.1  围护设计

雨水泵房结构基坑最大挖深20.8m，采用 1200mm 厚地下连续墙+三轴搅拌桩槽壁加固，采用叠合墙结构，地连墙与内衬墙两墙合一，墙底标高-69.9m，墙趾位于第⑧层灰色粉质粘土层中。北侧、东侧、西侧地连墙外侧槽壁加固深度为8m，内侧三轴槽壁加固深度26.8m，南侧靠近 18 号线盾构地墙内外两侧侧三轴槽壁加固均为 30m，墙缝处采用半根Φ2600mmN-JET 接缝止水槽壁加固底以上1米，底标高同地墙底，并在三轴搅拌桩与地墙接缝补充一排Φ800@500 旋喷桩。

3.2  支撑设计

泵站结构基坑：由于泵站结构距离地铁盾构区间较近，为减少基坑对周边环境的影响，因此竖向设置二道钢筋混凝土支撑+四道钢支撑，两道钢筋混凝土支撑截面自上而下分别为：800×800mm，1000×1000mm；第二道、第三道钢支撑为 609 钢支撑；第五、六道钢支撑为 800 钢支撑。支撑中部设置格构柱，格构柱型号为 500×500，格构柱伸入立柱桩 3m，立柱桩采用Φ1000mm C35 水下钢筋混凝土桩，首道与钢筋混凝土围檩同步实施，既增加支撑体系的整体刚度，又不延长工时；第一、四道撑分别通过钢筋混凝土围檁地连墙相连接，尺寸分别为1200×800mm、1800×1200mm。雨水泵房基坑围护图如图3所示。

图3  雨水泵房基坑围护图

3.3  地基加固

泵站结构基坑底基本位于⑤2-2灰色粉质粘土夹粉土中，且基底与地铁盾构顶板间距为 2.214 米，因此为减少基坑对周边环境的影响，开挖期间对泵站基坑的二道混凝土支撑+4道钢支撑，自第二道支撑底部采用Φ850@600mm三轴搅拌桩（不套打）加固，加固深度至坑底以下6m。三轴搅拌桩加固与地墙接缝处需补一排Φ800@500 三重管旋喷桩。

3.4  基坑开挖

泵房基坑开挖应在围护结构和支撑体系混凝土强度、地基加固强度达到100%，降水达到设计要求后方可进行。

施工工序应与设计工况一致，并遵循“先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖”的原则。并充分考虑“时空效应”，尽量减少基坑无支撑暴露时间和空间。

4  有限元模型建立及计算

4.1  计算模型

MIDAS/GTS 提供多种单元选择，具有多种岩土工程材料本构模型，能够有效地对基坑工程进行模拟分析。

本基坑工程逐步开挖土体并架设支撑，其中，基坑周边距离基坑一倍基坑深度范围内有水平距离约 8m 的轨道交通 18 号线。本次模拟的边界为开挖边界外 100 米，足够考虑开挖对周边环境影响。综上，通过进一步提取各地层的具体尺寸，对应得到相应的概化地层与基坑有限元模型如图4示。

图4三维有限元计算模型

4.2  计算结果

图5  引起轨道水平沉降位移云图

图6  引起轨道竖向沉降位移云图

图7  引起轨道收敛变形图

根据计算，当基坑开挖至坑底时，隧道位移最大。此时隧道的最大水平位移2.1mm，竖向位移6.7mm，总变形值7.02mm＜20mm，满足地铁保护要求。

5  实际开挖

5.1  监测点布置

根据设计及施工要求，为保护地铁的正常运行，对轨道交通进行沉降及收敛监测，监测周期为3d，监测点布置如图8示。

（a）沉降监测点布置图                          （b）收敛监测点布置图

图8 轨道交通监测点布置

5.2  轨道监测结果

轨道交通结构的沉降(或隆起)变化累计量＜20mm，收敛变形过程控制值应＜20mm，且施工结束收敛累计变形与设计直径差值不宜超过6cm。

泵房基坑于2023.11.2日开挖至基坑底部，认为此时基坑状态对轨道变形影响最大，故此选取10月31日至11月4日期间轨道交通上下行线的累计沉降量、收敛量、累计收敛量研究，轨道交通变化量如图9所示。

（a）上行线累计沉降量图                （b）下行线累计沉降量图

（c）上行线累计收敛量图               （d）下行线累计收敛量图

（e）收敛量图

图9  轨道变形监测结果

如图所示，上行线及下行线的累计沉降量、收敛量均＜20mm以内，且累计收敛量＜60mm，满足设计要求。基坑开挖过程中所造成的误差、场地周围交通的变化使得监测值大于模型建立的计算值，但均符合模型模拟基坑开挖后轨道交通的变化，证明所设计的围护结构有效的降低轨道交通的变化。

6  结语

康桥雨水泵站建于浦东新区康桥镇，周边建筑物、管道管线众多，特别是位于泵房南侧的由西向东的轨道交通，环境要求相当苛刻。为此，设计及施工根据国家规范确定了围护结构以减小轨道交通的变形，在以变形控制为主要的依据，采用有限元分析软件 MIDAS/GTS进行三维空间弹塑性模拟，计算基坑开挖对轨道交通的变形影响，同时于开挖期间对轨道交通的监测数据进行分析，验证得知为保护轨道交通，围护结构设计的较为合理。

参考文献：

[1] 杨兰强,周立波,夏雯,等.宁波软土地区基坑数值计算中 HS 模型参数试验研究[J]. 隧道建设(中英文), 2018,38(6):954-962.

[2] 赵文文.紧邻地铁结构深基坑施工安全评估方法 研究[J].江苏建筑,2020(4):95-100.

[3] 刘建华,吴绍明,王林枫,等.深长基坑开挖引发邻 近建筑群沉降规律研究[J].地下空间与工程学报,2022,18 (4):1374-1382.

[4] 姚俊,董鑫,何亮.复杂条件下基坑开挖对周边环 境的影响研究[J].江苏建筑,2022(1):94-97.

[5] 佘格格.深基坑开挖对临近地铁线路的影响分析 [J].水利规划与设计,2019(1):122-124.

[6] 郑虹,邓旭,宋昭煌,等.紧邻地铁车站的超深基坑支护工程实践[C]//中国建筑学会地基基础分会,中国建筑科学研究院有限公司地基基础研究所,北京金山基础工程咨询有限公司.中国建筑学会地基基础学术大会论文集（2022）.天津市建筑设计研究院有限公司;,2023:6.DOI:10.26914/c.cnkihy.2023.027533.