既有地铁隧道的风井改建基坑工程设计
摘 要: 上海轨道交通 4 号线既有地铁车站的风井改造，基坑邻近既有地铁隧道和居民住宅楼，周边情况复杂，环境保护要求高。介绍了基坑设计中对既有地铁的保护要求、基坑保护等级以及基坑围护结构的设计方案。简单介绍了基坑计算方法，针对邻近地铁隧道区间和居民住宅楼 2 个对象，运用有限元方法分析了深基坑开挖对周围环境的影响。该设计方案能保证基坑开挖对周围建筑物的影响在可控制范围之内。
关键词: 风井改建; 基坑设计; 既有地铁保护; 数值模拟
由于轨道交通的迅速发展和城市立体化的再开发，往往需要对既有地铁风井进行改建。原有风井结构一般都紧邻已建地铁车站，因此减少风井改建基坑工程对周边环境的影响，保证施工期间既有轨道交通线路的正常运营，成为此类基坑围护设计和施工中的重点与难点。
本文以上海轨道交通4 号线东安路站西风井改建工程为例，介绍了基坑设计方案，采用数值计算分析基坑开挖对周边环境的影响，提出基坑施工安全技术措施，可供今后此类基坑围护结构设计参考。
1 工程概况
上海轨道交通4 号线东安路站西风井改建工程位于徐汇区东安路零陵路口以西，由于原西风井的排、新风口距离东安路南侧的居民楼仅 3． 4 m，为解决环境矛盾，工程拆除原有西风井设备及徐汇区环境监测站地面建筑后，重建 1 组新风井及徐汇区环境监测站还建楼，既保证既有轨道交通 4 号线东安路站正常运营，又能满足环保卫生要求，优化景观。
工程基坑平面为一不规则四边形，平面尺寸为21． 6 m × 11． 8 m，开挖深度为 8． 3 m。主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，围护结构用Ф800 mm 钻孔灌注桩 + 三轴搅拌桩止水帷幕，其中东侧围护结构利用已有 4 号线东安路站西风井的地下连续墙。
新建工程东侧紧邻已建轨道交通4 号线东安路站原西风井，北侧距 4 号线区间段结构约 3． 3 m，南侧距离 1 幢 7 层居民住宅楼约 11． 7 m，基坑场地平面图如图 1 所示。工程周边环境较为复杂，环境保护要求较高，施工中对北侧零陵路的地下管线和轨道交通 4 号线区间隧道应采取有效的措施进行保护。
2 工程地质
本工程地基土在勘察深度范围内均属第四纪沉积物，由黏性土组成。按其成因可分为4 层，具有成层分布特点。各层土的物理力学性质参数如表 1 所示。
3 基坑方案
3． 1 既有地铁保护要求
根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》，工程施工期间 4 号线东安路车站与区间的综合影响必须符合以下标准:
1) 车站的绝对沉降量及水平沉降量≤20 mm( 包括各种加载和卸载的最终位移量) ;
2) 隧道变形曲线的曲率半径 R≥15 000 m、相对弯曲≤1/2 500;
3) 建筑物垂直荷载( 包括基础地下室) 及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20 kPa;
4) 打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2． 5 cm/s;
5) 车站与区间接头变形量: 日变形量 ≤± 0． 8 mm，累计量≤ ± 4 mm。
3． 2 基坑保护等级
由于基坑北侧与西侧紧邻既有轨道交通4 号线东安路站和区间隧道，为确保基坑开挖时地铁车站和区间隧道结构安全，基坑保护等级定为一级［1］，墙顶水平位移量和坑外地面最大沉降量≤0． 001H0，围护墙最大水平位移量≤0． 001 4H0( H0为基坑开挖深度) 。
3． 3 围护结构设计
工程基坑开挖深度为 8． 3 m，周边环境较为复杂，环境保护要求高。综合技术经济因素，围护结构采用Ф800 mm 钻孔灌注桩 + 三轴搅拌桩止水帷幕进行明挖顺作法施工［2 －3］。
基坑北侧由于靠近 4 号线东安路区间，围护结构桩长 19． 0 m，桩端插入⑤1 － 1层灰色黏土中约 3． 1 m，插入比约为 1． 29; 西侧与南侧围护结构桩长 17． 0 m，桩端插入⑤1 － 1层灰色黏土中约 1． 1 m，插入比约为1． 05，东侧利用已有东安路站西风井 600 mm 厚的地下连续墙围护，墙深 16． 0 m。
基坑竖向设置 2 道支撑，其中第 1 道为 800 mm ×600 mm 钢筋混凝土撑，顶圈梁为 900 mm × 800 mm;第 2 道为Ф609 mm 钢支撑，钢围檩为双拼 HM －500 mm × 300 mm 型钢。
考虑到基坑北侧距离既有4 号线东安路区间隧道较近，周边环境比较复杂，在靠近区间隧道的北侧设置了 6 m 宽的高压旋喷桩裙边加固，加固深度为坑底以下 4 m; 基坑南侧距离 7 层民宅较近，设置 4 m 宽高压旋喷桩裙边加固，加固深度为坑底以下 3 m; 新老结构交界处设置 3 m 宽高压旋喷桩裙边加固，加固深度为坑底以下 3 m。
旋喷桩加固体 28 d 龄期无侧限抗压强度 qu≥1． 2 MPa。钻孔灌注桩围护结构间隙采用注浆加固，加固后土体渗透系数 Kh≤1． 0 ×10－ 7cm / s。
4 基坑计算
围护结构内力分析按弹性地基梁计算，沿结构纵向取单位长度计算。围护结构开挖阶段计算时须计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形，后支撑”的原则进行结构分析。钻孔灌注桩围护计算结果如图 2 所示。
钻孔灌注围护桩最大位移为 11． 1 mm( 基坑保护要求为 0． 001 4H0= 11． 6 mm) ，满足一级基坑的环境保护要求。
5 数值分析
为了较准确地预测基坑开挖引起周边环境的附加变形，采用有限元分析软件进行基坑开挖过程的有限元数值模拟，取与工程邻近的既有 4 号线东安路区间和 7 层居民住宅楼进行分析［4］。
通过简化计算剖面，建立平面有限元模型，进行数值模拟计算，对基坑开挖卸荷作用产生的周边环境的附加变形进行预测分析。主要的计算过程如下。
1) 初始应力场的模拟: 根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖前土体初始应力场分布。同时模拟了围护结构施工对初始应力场等影响因素。
2 ) 连续介质的模拟: 有限元数值计算中土体本构模型采用 Plaxis HS 模型，同时采用 Goodman 接触单元考虑了土体和地下结构之间的相互作用，切线方向服从 Mohr － Coulomb( 摩尔—库仑) 破坏准则。由于接触面的强度参数一般要低于与其相连的土体的强度参数，考虑用折减系数 Rinter来描述接触面强度参数与所在土层的摩擦角和黏聚力之间的关系。
3) 基坑开挖过程的模拟: 通过“单元生死”模拟钻孔灌注桩围护施工、各层土体的分层开挖以及各道支撑的施工过程，根据基坑工程施工工况全过程模拟基坑开挖的全过程。
有限元分析的计算模型与计算结果如图 3 ～ 图 5所示。
有限元计算结果表明: 基坑开挖至基底时，基坑外侧既有轨道交通 4 号线东安路区间段结构最大水平位移约为7．6 mm，最大隆起约为 4． 3 mm。7 层居民住宅楼最大水平位移约为6．2 mm，最大沉降约为8．9 mm。
根据上述理论计算结果，并结合已有的工程经验，工程基坑设计方案能保证基坑开挖对周围建筑物的影响在可控制范围之内。
6 结语
上海轨道交通4 号线东安路站西风井改建工程目前已完成基坑开挖和地下结构的施工，根据监测资料，围护结构墙身最大水平位移为7． 29 mm，房屋最大沉降为 5． 86 mm，支撑轴力、地下水位变化、区间隧道的变形量均处于有效控制范围内。从基坑现场施工情况来看，本工程基坑设计方案安全可行，为今后邻近地铁隧道的基坑工程提供一些有益的设计经验。
参考文献:
［1］上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海轨道交通学科( 专项技术) 研究发展中心． DGJ 08 － 109—2004 城市轨道交通设计规范［S］． 上海，2003．
［2］刘国彬，王卫东． 基坑工程手册［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2009．
［3］刘洪波，宁佐利． 地铁车站施工对临近地铁隧道的保护技术［J］． 城市轨道交通研究，2007( 10) : 37 －40．
［4］谢弘帅． 深基坑开挖对临近地铁车站基坑影响的有限元计算分析［J］． 上海地质，2009( 2) : 54 － 58．
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