中铁隧道勘测设计院有限公司天津300000
摘要：本文以郑州轨道交通四号线龙湖配套设施中的龙湖岛站基坑开挖过程中对相邻的龙源十三街隧道的保护为例，通过采用MIDASGTS对临近结构的位移及变形进行分析计算，最终采用隔断桩及对称开挖对龙源十三街隧道进行保护后安全施工，为以后类似工程提供参考。
关键词：富水砂层；放坡开挖；数值模拟；隔断桩
引言
随着城市交通建设的不断加快，地下空间的利用率越来越高。经常出现待建项目周边存在其他构筑物的情况。为保证项目实施过程中（特别是基坑开挖过程中），临近结构的安全性及功能不受影响，需对临近结构进行相应的安全保护措施。
1工程简介
1.1工程概况
龙湖岛站为4号线龙湖市政配套工程的一个中间站，位于规划的副CBD环路与龙行路路口，南北向敷设。车站总长度222.2m，顶板覆土厚度约4.9m。车站主体结构标准段为地下三层三跨结构，标准段结构宽21.90m，高19.16m，车站底板底埋深约24.06m。盾构段结构宽25.80m，高20.31m，车站底板底埋深约25.21m。
本工程地理位置远离市区，场地现状主要为耕地，周围地势平坦开阔，站位范围无任何建筑物、构筑物及地下管线。综合上述因素，本车站有条件采用技术成熟、施工质量易于保证、工期短、综合造价低的明挖顺作法施工，基坑开挖及支护方案确定为放坡开挖。
沿龙湖岛车站西侧与龙湖岛平行布置的龙源十三街隧道最近处离龙湖岛车站仅为23米，本段内的基坑深度约为19米左右。龙湖岛站与龙源十三街隧道的位置关系如图1所示：
图1龙湖站与龙源十三街隧道的位置示意图
1.2工程地质及水位地质
（1）各土层分时布情况自上而下分述如下表：
表1岩土设计参数建议值表
（2）地下水：在现有勘探深度范围内，地下水类型主要为潜水。第四系孔隙水与地表水具有水力联系，主要由大气降雨补给。含水层主要为第四系冲积～洪积粉、细砂和中砂，富水性强，透水性好，渗透系数为5～15m/d；冲洪积土层富水性差，透水性弱-中等。
地下水位埋深在4.5m左右，地下水受季节性降水和地表水体补给影响，从7月中旬至10月上旬是每年地下水位丰水期，每年12月至来年2月为枯水期，其余月份为平水期，大气降水影响的地下水水位年变幅为2.0m，根据该区域资料，场地内近3-5年的地下水最高水位高程为83.50m。
1.3工程风险分析
地下水是引起基坑事故的主要因素之一。实践表明，多数发生的基坑事故都与地下水有关。地下水对基坑的危害与土质密切相关，当基坑处于砂土或粉土时，在地下水作用下，更容易造成基坑坡面渗水、土粒流失、流砂，进而引起基坑坍塌事故。本工程所处场地地下水丰富，基坑开挖深度范围内主要为中砂、细砂。为保证基坑开挖过程的安全，本工程需进行降水。
同时由于规划调整等外界因素导致龙湖岛车站未能与龙源十三街车站同步实施。目前龙源十三街隧道已施做完成。龙源十三街隧道处于龙湖岛站基坑开挖范围内，为避免龙湖岛开挖过程中，龙源十三街隧道产生较大的位移，本文提供了三种开挖方案以保证龙源十三街隧道的安全性及稳定性，并对各个基坑开挖方案进行模拟分析，通过对模拟结果的最终比较确定最优开挖方案。
2龙源十三街隧道保护方案
2.1降水设计
2.1.1降水方案
根据本工程所处场地的水位地质条件，最终确定为管井降水，降水井井深25m，直径Φ600mm，基坑地下水位控制在开挖面以下0.5m，由于开挖面较大，应辅助坑内降水。根据工程地勘报告龙湖中环路站基坑涌水量计算如下表所示。
表2降水设计表
为了控制降水效果，结合本地工程施工经验，管井双排布置，出水量控制为150m³/d，相应管井数量为80口，间距15m，沿基坑边沿外2m处布置。由于基坑开挖面较大，坑内纵向设置单排管井辅助降水，共设置16口，间距15m。
2.1.2降水对龙源十三街隧道的影响
大放坡降水因为开挖范围较广，降水幅度大，对周边环境构成的危害也较大。首先大面积的开挖，卸去坑内的自重，造成坑底及周边土的回弹，回弹量最大能达到2~3cm，其次，坑内大面积的抽水，影响了土体内应力的变化，当降水幅度较大时，在基坑周围即形成降水漏斗曲线，在此范围内建构筑物就产生了附加变形。例如不均匀沉降、墙体倾斜、裂缝及基坑滑坡等待。因此大面积的放坡降水除要模拟控制周边地形的沉降外，另外必须同步进行降水引起的周边变形观测。
本工程考虑到基坑西侧有龙源十三街隧道，为防止其因放坡降水而出现不均匀沉降，故基坑开挖降水时，沿其周边设置回灌井，以控制其降水引起的沉降量。利用降水渗流原理，采用MIDASGTS进行基坑降水引起的周边地形及隧道沉降模拟，模拟结果如下图所示：
图4降水开挖引起龙源十三街隧道沉降模拟结果
由模拟结果可知基坑开挖降水引起龙源十三街隧道的沉降量最大值为6.5mm。此沉降值满足《建筑基坑工程监测技术规范》中对临近建筑物的沉降要求。也满足龙源十三街隧道产权单位的10mm的要求值。故本降水放坡开挖方案基本可行。后期基坑开挖过程中，需同步进行龙源十三街隧道的监测，如沉降值超过要求，应立即停止降水开挖。
2.2基坑开挖对龙源十三街隧道的影响
基坑土体开挖改变了地基中的应力场和渗流场，引起地基土体的变形和位移，地基土体的变形和位移往往对邻近基坑工程的建构筑物、地下管线和道路造成不良影响；基坑工程施工扰动对环境的影响如不能得到很好的控制，不仅影响基坑的安全，而且还会影响邻近建构筑物的安全性。由于龙源十三街隧道距离本工程较近，基坑开挖过程中，为防止龙源十三街隧道发生较大的侧移，本文分别对直接放坡开挖、对称开挖、施做隔断桩方案进行了模拟分析。具体方案如下：
2.2.1直接放坡开挖方案
直接放坡开挖以1：1.7的坡率分三级放坡开挖至基底，第一级放坡开挖6m，第二级放坡开挖6.5m，第三级放坡开挖开挖6.5m。每级坡之间设置2m宽的缓冲平台，坡面挂网喷混。放坡开挖施工示意图如下图：
图5大放坡开挖方案
2.2.2对称开挖方案
对称开挖方案首先从地面由龙源十三街隧道西侧和龙湖岛车站的东侧以1：1.7的坡率向下开挖6m，然后由龙源十三街隧道顶部以1：1.7的坡率对称开挖6.5m后，再由车站两侧以1：1.7的坡率开挖至基坑底底部。
图6对称开挖方案
2.2.3隔断桩方案
隔断桩防护方案，首先从地面按1：1.7的坡度向下放坡开挖至坡底距隧道结构外边缘不小于5.0m处，然后施工φ1000@1400双排桩。双排桩施工完成后，向下垂直开挖5.1m，接着再按1：1.7的坡率开挖至车站基坑底部，如图所示：
图7隔断桩方案
3模型计算及分析
在复杂工程环境状况下、对于基坑开挖、土体和邻近建构筑物之间的共同作用；邻近建构筑物的变形及在深基坑开挖过程中结构的内在反应等问题。本文通过MIDASGTS有限元软件进行数值模拟，对不同防护方案的保护效果进行了理论分析和探讨，并与施工现场实测数据进行比对，从而验证最终方案的可行性及适用性。
3.1直接放坡开挖
基坑开挖前先降水至基底下0.5m，然后以1：1.7的坡率分三级放坡开挖至基底，利用龙源十三街隧道与周边土体的摩擦作用，阻止其产生侧移。模型中通过在龙源十三隧道与周边土体间设置接触单元考虑摩擦作用效果，模拟龙源十三街隧道在单边卸荷的情况下的位移。计算模型如图所示：
图8直接放坡开挖模型
3.1.1龙源十三街隧道水平位移图
图9直接放坡开挖引起的龙源十三街隧道水平位移图
由龙源十三街隧道水平位移图中可知，基坑开挖过程中，龙源十三街隧道的水平侧移由顶部到底部逐渐减小，其中在紧邻基坑一侧的底部位移最大，约为16.4mm，在离基坑较远一侧的结构顶部位移最小，约为8.6mm。考虑到龙源十三街隧道是整浇结构，刚度大，整体性好。底部位移应与顶部位移相差不大，故取其最大值为最终判定位移，约为16.4mm。
3.2对称开挖计算模型
基坑开挖前先降水至基底下0.5m，然后又地面以1：1.7的坡率向下开挖6m，。为防止龙源十三街隧道侧移，第二级坡面开挖时由龙源十三街顶部对称开挖基坑，保证龙源十三街隧道结构两侧的土体侧压平衡，减小其侧移，模型如图所示：
图10对称开挖计算模型
3.2.1计算结果
由龙源十三街隧道水平位移图中可知，基坑开挖过程中，龙源十三街隧道的水平侧移由底部到顶部逐渐减小，其底部基本没有产生位移，底部位移最大值约为3.2mm。顶部紧邻基坑一侧的位移较大，约为12.4mm。由于考虑到龙源十三街隧道的整体性，结构在发生位移时的变形协调性，故取其最大值作为为最终判定位移，约为12.4mm。
图11对称放坡开挖引起的龙源十三街隧道水平位移图
3.3隔断桩计算模型
基坑开挖前先降水至基底下0.5m，然后1级放坡开挖深度6m。为防止龙源十三街隧道侧移，第二级坡面开挖前，在龙源十三街隧道东侧设置双排隔断桩，隔断桩距离龙源十三街隧道边缘最近处不小于5m，通过隔断桩阻止土体的变形及滑移，控制龙源十三街隧道因单边卸荷产生的侧移，计算模型如图所示：
图12对称开挖计算模型
3.3.2计算结果
图11设置隔断桩开挖引起的龙源十三街隧道水平位移图
由龙源十三街隧道水平位移图中可知，基坑开挖过程中，龙源十三街隧道的水平侧移由顶部到底部逐渐减小，底部位移基本一致，在紧邻基坑一侧的底部位移最大，约为8.4mm，在离基坑较远一侧的结构顶部位移最小，约为5.2mm。底部位移与顶部位移相差不大，取其最大值为最终判定位移，为8.4mm。
3.4数值分析
由龙湖岛站基坑开挖引起龙源十三街隧道侧移曲线图可知，在基坑开挖过程中，各方案第一步均为无措施直接放坡，引起的位移基本一致，约为4mm左右。由第二部开始，直接放坡开挖因扰动到龙源十三街隧道周边土体，龙源十三街隧道的位移已达到10mm左右。而对称开挖通过控制龙源十三街隧道两侧的土压，虽然也扰动了龙源十三街隧道周边土体，但位移相对较小，约为8mm左右。隔断桩方案因为在第二步开挖时通过桩的作用，固定住了龙源十三街隧道周边的土体，其位移最小，约为6mm。在第三步在第二步的防护措施上继续开挖，直接放坡开挖方案由于无稳固措施，位移持续发展已达到14mm，而对称开挖与隔断桩方案由于第二步的防护措施位移发展约为10.6mm，隔断桩方案位移发展约为8mm。稳定期的位移为基坑挖至基底的位移值，其中直接放坡开挖的位移约为16mm，对称开挖位移值约为12mm，隔断桩方案位移值约为8mm。
图13龙湖岛站基坑开挖引起龙源十三街隧道侧移曲线图
根据龙源十三街隧道产权单位提出的隧道的位移值控制在10mm以内，上述防护方案中只有隔断桩防护方案可达到。故选择隔断桩方案作为基坑开挖过程中对龙源十三街隧道的防护措施。
4施工监测
在基坑围护结构施工前，要求先进行第三方的对既有建（构）筑物的检测、技术鉴定。
车站基坑施工中，应建立严格的监测网，按设计要求加强监测和监控，及时掌握基坑围护结构和坑底变形情况，周围地面建（构）筑物和管线的沉降及变形资料，以达到确保安全、指导施工、积累资料、优化方案的目的。
监测项目及要求应按车站环境保护等级而定，地下管线的沉降和位移观测宜直接测定，车站附近的地面建筑物应设沉降观测点。
4.1测点布置
监测点布设应充分考虑主体施工特点及地形、地质特点和测量方法的可行性。点的疏密程度要既能较好的反映基坑周边的变形情况，又能满足监测精度的要求。本工程根据自身周边环境及《建筑基坑工程监测技术规范》的要求进行监测布点。其中龙源十三街隧道测点间距10~15m，每个隧道断面不少于6个监测点，其中隧道各个角点处必须布置监测点。测点用红油漆标记，并统一编号。
4.2监测频率
监测频率视监测断面距开挖面的距离和沉降速度而定。当出现较大的绝对沉降或不均匀沉降时应加大监测频率。当地表、道路监测点的沉降速度大于3mm/d，建构筑物沉降速率大于1.5mm/d，地下管线监测点的沉降速率大于12mm/d，监测频率应改为1次/d。
每个监测对象的监测周期分为3个阶段：施工前期、施工期期间和稳定期。施工前期是指尚未施工的时间，该阶段只需对监测点施测一次，取得各监测点的初始测量值；施工期指监测点施工开始到施工结束为止，该阶段施工监测频率较密，应满足至少1次/d；稳定期指土建施工结束后的继续跟踪监测阶段，一般一个月或两个月观测一次，直至最后3个观测周期的变形量小于观测精度为止。
4.3监测结果
本工程要求整个基坑开挖过程中龙源十三街隧道的位移控制在10mm以内，既满足《建筑基坑工程监测技术规范》中对临近建筑物的沉降要求。也满足龙源十三街隧道产权单位的10mm的要求值。
4.4监测结果统计
图14基坑开挖过程中龙源十三街隧道监测位移曲线图
图15龙湖岛站基坑开挖现场
在整个基坑开挖过程中，通过施做隔断桩的防护措施，使得龙源十三街隧道的位移得到了有效的控制。由基坑开挖过程中龙源十三街隧道监测位移曲线图中可知，龙源十三街隧道的最终位移约为7.8mm，满足《建筑基坑工程监测技术规范》及产权单位的要求，同时也印证了前期设计中进行的数值模拟的合理性和正确性。
5结论及建议
基坑开挖过程（尤其是降水开挖基坑）容易引起地表产生沉降，从而使的邻近构筑物发生沉降开裂。而基坑开挖过程中对临近构筑物的单边卸荷，宜引起临近构筑物的侧移开裂。在选择基坑开挖过程中临近构筑物的保护方案时，要充分考虑各方案对临近构筑物的保护效果及施工造价，选择最优、最适宜的保护方案。
本文通过设计与施工相结合，以龙湖岛站的基坑开挖为实例，分别研究了降水、基坑开挖对邻近结构（龙源十三街隧道）的影响。通过设置回灌井及隔断桩，保证了车站基坑开挖过程中邻近结构的安全性。但是隔断桩工程造价较高，占整个基坑工程费用约30%。建议在周边建构物允许较大沉降及位移的情况下，可考虑直接放坡开挖及对称开挖的方案。
参考文献：
【1】程新民闫兴愿邱晓博（西北综合勘察研究院710003西安）基坑降水对周围建筑物的影响1994-2009ChinaAcademicjournalElectronicPublishingHouse
【2】孙铭深基坑施工特点、环境影响、防治措施及监测【J】中国新技术新产品
【3】徐烨深基坑施工时对沿线建筑物保护的技术关键及监理措施【J】城市道桥及防洪2010年1月第一期
【4】郑东新区CBD高密集基坑工程设计与施工新技术（郑东新区CBD建设指挥部郑州市建设委员会主编）中国建筑工业出版社