地铁隧道保护工程研究范文

紧邻地铁隧道结构周边地层发生扰动，导致隧道结构周边应力场发生变化，诱使隧道结构产生相应的受力与变形反应。地铁区间隧道结构的受力和变形发生改变，可能影响地铁区间隧道结构的正常使用，严重时危及地铁区间隧道的结构安全。

1工程地质环境与相对空间位置关系

地铁隧道结构周边地层是隧道结构抵抗外部作业扰动的屏障。隧道周边不同的地质条件对隧道结构的约束作用差异很大［5］，在诸多不利因素条件下，隧道周边地层起着尤为重要的作用。深基坑与地铁隧道结构的不同空间位置关系决定着隧道周边地层保护作用的程度。1)某项目位于城市核心区，场地深基坑工程北侧紧邻过街隧道和地下空间及地铁区间隧道结构，基坑实际开挖深度为20.2m，基坑与紧邻区间隧道结构的最小水平距离约6.0m，北侧基坑底面开挖标高与紧邻地铁区间隧道结构底面标高基本一致，基坑与地铁区间隧道结构的位置关系如图1所示。由于项目场地岩层埋深在10m左右，紧邻基坑隧道结构主要位于强风化泥质粉砂岩④2与中风化泥质粉砂岩④3中，虽然与紧邻项目基坑围护桩最小距离只有6m，但是根据相关监测数据分析结果，在基坑施工完工后引起的隧道位移＜5mm。2)某项目基坑场地第四纪地层发育，厚度＞80m，成因类型以海相沉积为主。其主要岩土物理力学性质如表1所示。该项目与附近地铁区间盾构隧道结构相距30m以上，隧道结构底板设计标高为－12.785～－19.742m，主要位于②2-1灰色淤泥、②2-2灰色淤泥质黏土、③1灰色粉砂、③2层灰色粉质黏土夹粉砂和④1-2灰色粉质黏土中。由于②2-1灰色淤泥与②2-2灰色淤泥质黏土均呈流塑状，强度低，压缩性高，对隧道结构提供的地层抗力小，地质条件差。虽然基坑与隧道结构相距较远，但在基坑开挖过程中，隧道结构出现渗漏水与裂缝。

2基坑支护形式

常见地铁隧道结构周边的基坑支护形式包括双排桩、大圆环、地下连续墙+内支撑、桩+内支撑等。不同的支护形式受力机理不同。由于地铁隧道结构安全的重要性，基坑支护形式设计时，必须充分考虑对隧道结构周边应力场的影响，要以隧道结构安全的受力与变形控制为前提，选择合适的基坑支护形式，尽量减少隧道结构周边地层扰动。1)某项目西侧紧邻隧道区间盾构隧道，基坑底低于隧道底0.90m。区间盾构隧道左线周边地层主要为粉质黏土及黏土，隧道基底局部位于淤泥质土层上，隧道结构下方主要为深厚黏土层。基坑靠近地铁隧道侧采用围护桩+预应力锚索支护结构(见图2)，由于未充分考虑对邻近地铁隧道的位移控制，在基坑开挖期间，紧邻地铁隧道结构发生病害。地铁盾构隧道病害发生的主要原因为基坑靠近地铁隧道侧采用围护桩+预应力锚索支护结构施工所致，包括:①深基坑开挖卸载以及锚索锚固段拉应力区的存在，导致地铁隧道侧方土压力卸载和隧道侧方地层抗力约束降低，从而诱发地铁隧道向基坑侧发生水平侧向位移和竖向沉降。②地铁隧道侧深基坑支护结构设计，未充分考虑对邻近地铁隧道的位移控制。③隧道病害及相关监测数据分析结果表明，隧道病害严重区段、左线隧道右轨道的竖向沉降和水平侧向位移、隧道上方地面沉降范围均与深基坑的开挖时间、开挖范围存在相关性。2)某商业中心项目位于佛山市，本工程为3组高层商住楼，地下室3层，建筑最高层数为地上28层。深基坑的西北角与地铁站采用地下通道连通，地下通道和接口大堂的基坑开挖深度为9.80m，大基坑大开挖深度为13.70m，局部开挖深度为14.60m。地下通道和大堂的北侧为地铁隧道，地铁隧道的埋深为地面以下约16.80m，西北侧地下通道和大堂基坑地下连续墙外壁距离地铁区间隧道结构外壁的最小水平距离约为0.80m，最大水平距离约为2.90m;基坑基底开挖标高高于紧邻地铁区间隧道结构顶板标高，基坑支护形式采用大圆环支撑，如图3所示。综合地铁隧道的监测数据及其分析结果显示，项目施工过程隧道结构的变形总体较小，均未超过地铁隧道的相应预警值。3)某项目拟建场地基本平整，拟建最高塔楼为47层，地下室2～3层，基坑开挖深度13.90m，基坑周长约651.0m，靠近地铁侧基坑长度约185m，该项目基坑南侧紧邻地铁左线区间盾构隧道，基坑围护结构地下连续墙外壁与隧道结构外壁的最小水平净距约为24.8m。基坑与隧道剖面位置关系如图4所示。地层分布如下:①杂填土，埋深2.10m;②4粉细砂，埋深11.70m;②5中粗砂，埋深4.20m;③1全风化泥岩，埋深2.50m;③2强风化泥岩，埋深2.50m;③3中风化泥岩，埋深6.40m;③4微风化泥岩，埋深7.30m。由于深基坑周边皆紧邻道路或建筑物，基坑南侧紧邻地铁区间盾构隧道，基坑与隧道都处于深厚砂层，基坑支护形式设计时，在紧邻隧道侧采用“地下连续墙+后排桩+竖向混凝土斜撑”的支护形式，并对坑内土体进行加固。根据实测数据显示，本项目基坑围护结构变形得到有效控制，基坑施工对盾构隧道结构的影响较小。4)某项目位于广州市，基坑东侧毗邻河涌，南侧为未开发用地，项目建筑可用地面积23311m2，裙楼建筑高度为30m，主楼不超过150m。基坑西侧毗邻广州地铁2号线区间隧道。项目基坑深15.6m，设4层地下室，单层面积暂定20192m2。地铁区间隧道结构周边地层主要为坡积土层，区间隧道底板下主要为深厚的可塑状残积土层、硬塑状残积土层，区间隧道顶板上方覆土厚度约为4.4～4.8m;左、右线区间隧道为明挖现浇箱形结构，结构两侧为回填土，回填土的填筑质量对地铁结构的安全保护至关重要;地铁区间隧道沿纵向在车站南端和距离南端60m处设置的变形缝，对地铁隧道的安全保护将产生不利影响;地铁结构下方存在的深厚土层，不利于控制水位下降对地铁结构的沉降影响。综合考虑后，紧邻地铁隧道结构侧基坑支护方案是采用连续墙+内支撑结构支护形式，项目基坑地连墙外边线距离区间隧道右线结构边线约15.4m，低于隧道结构底板约4.5～4.9m，如图5所示。

3施工工法选择

紧邻地铁区间隧道结构的深基坑开挖施工过程中，由于基坑坑内土体侧向和竖向卸载，基坑内外水头差引起的地下水渗流，紧邻地铁隧道结构上盖与侧方新建高层建筑物荷载向下方传递，都将导致隧道结构周边应力场发生变化，对地铁隧道结构产生不利影响［6-9］。因此尽量选择合适的施工工法，例如在隧道建设前设置前期桩来避免在隧道结构旁近距离施工钻孔桩，采用逆作法［10］、半逆作法［11］、中心岛法施工等来避免大面积开挖，并适当限制重型机械在隧道结构上方地面行走和堆放，严格限制基坑施工过程中在隧道结构上方进行取土、地面堆载、爆破、桩基础施工、顶进、灌浆、锚杆作业，以尽量减少对隧道结构周边地层扰动。基坑施工遵循分区、分块、分层、对称、限时原则对隧道结构安全也能起到重要的保护作用。1)某商住发展项目五期工程拟建2座分别为21层(T9)和23层(T10)的住宅楼和1栋办公楼及商业裙楼。商业办公区用拟建35层办公楼和4层高的商业裙房。五期工程住宅区地下室为2层，办公区地下室为3层，裙楼地下室为2层。地铁盾构区间隧道从场地西北角的T10号楼和西南角的办公裙楼下方穿越，由于基坑施工前设置前期桩，上盖高层建筑物的荷载通过下部托换结构和桩基(嵌岩桩)端部直接向隧道结构下部周边地层传递，从而在一定程度上减小了对地铁隧道结构安全的影响。综合地铁隧道2009年8月16日的监测数据及其分析结果显示，项目基坑施工过程隧道结构的变形总体较小，均未超过地铁隧道的相应预警值。2)某小区三期项目深基坑工程中，地铁区间隧道结构紧邻基坑西侧，如图6所示。靠近基坑侧为右线盾构隧道结构，区间隧道结构顶部埋深约为10.0～11.5m，由于基坑开挖深度为14.5m，因此基坑底面标高约低于隧道结构顶部为3.0～4.5m，且隧道结构外壁与基坑围护结构外壁的最小距离约为5.2m。深基坑开挖采用半逆作法施工，监测数据及其分析结果显示，项目施工过程隧道结构的变形总体较小，均未超过地铁隧道的相应预警值。3)某广场项目位于广州市，地铁大致由南向北从项目场地穿过，项目分为A，B，C，D，E5个地块，各基坑位置及其周边环境情况如图7所示。A区地块拟建酒店、写字楼、商铺等建筑物，最高建筑物为9层写字楼，均设1层地下室，基坑总长约657m，基坑开挖深度为4.2～5.7m。B区地块拟建百货楼、娱乐楼、商铺及步行街等建筑物，地上4～6层商场，地下2层地下室，基坑总长约899m，基坑开挖深度为9.20～11.10m。C区地块拟建写字楼及商铺，建筑物最高为8层，框架结构，拟采用筏板基础。设地下1层，基坑总长约592m，现场地面标高邻近地铁侧约11.5m，基坑开挖深度为4.3～4.8m。基坑施工遵循分区、分块、分层、对称、限时原则对隧道结构安全起到了重要保护作用。

4隧道结构安全监测与应急预案

地铁工程是城市生命线工程，地铁隧道结构安全的保护更是重中之重。加强隧道结构安全信息化管理首要工作是进行隧道结构安全监测。进行日常安全监测不仅能及时掌握隧道结构的工作状态，也是诊断、预测、法律和研究等方面的需要。深基坑开挖必然对紧邻隧道结构安全带来威胁，在基坑施工开挖期间，必须要实施对地铁隧道结构安全的专项监测方案，实时掌握隧道结构的安全状态。在深基坑开挖过程中，一旦隧道结构监测数据显示异常，要分析原因，及时启动应急预案，采取留土反压、回填、注浆等措施，保障隧道结构安全。

本文通过结合典型地铁隧道结构安全保护工程案例，从地铁隧道结构安全保护的角度，分析了工程地质条件、相对空间位置关系、基坑支护结构设计、施工工法选择以及隧道结构安全监测对紧邻隧道结构安全的影响，得到以下结论。1)在外部作业的施工扰动下，地铁盾构隧道抵抗外部作业扰动的能力相对较低。在紧邻地铁隧道结构的深基坑工程设计与施工工程中，对地铁隧道结构形式有一个先期的调查与研究尤为重要。2)地铁隧道结构周边地层对隧道结构的受力与变形起着先决作用。隧道周边不同的地质条件对隧道结构的约束作用差异很大。深基坑与地铁隧道结构的不同空间位置关系决定着隧道周边地层保护作用的程度。3)基坑支护形式设计时，必须充分考虑对隧道结构周边应力场的影响，要以隧道结构安全的受力与变形控制为前提，选择合适的基坑支护形式，尽量减少隧道结构周边地层扰动。4)选择合适的施工工法，尽量减少隧道结构周边地层扰动，施工遵循分区、分块、分层、对称、限时原则对隧道结构安全能起到重要保护作用。5)减小深基坑施工对紧邻隧道结构安全影响的关键是要提高隧道结构安全保护意识与责任意识。从现有技术设计条件上，加强施工规范管理，解决基坑开挖与紧邻隧道结构安全的矛盾。（本文作者：李钊、刘庭金单位：华南理工大学土木与交通学院）