4.3.3 地铁保护案例
1.案例一
1）工程概况
深圳宝安国际机场旅客卫星厅及配套工程中，旅客卫星厅总建筑面积为2.389×105 m2，建筑高度27.65 m，是地下1层至地上4层的机场卫星厅公共交通建筑。
中央指廊卫星厅站，位于已运营地铁11号线上方，需设置结构转换板予以托换上部荷载，基坑底距隧道顶板最小距离仅200 mm，要求基坑开挖深度为7.1～7.8 m，同时开挖过程中还需切除原隧道施工遗留的地下连续墙。转换板与地铁位置关系如图4.20所示。
施工过程中面临以下难点：①基坑开挖深度大，且地铁隧道卸荷后存在上浮风险；②既有隧道地下连续墙被拆除，易对地铁造成过大扰动；③转换板分块多，施工周期长，时空效应累计易使地铁上浮超限。
2）紧邻地铁深基坑施工技术
图4.20 转换板与地铁位置关系
为减少土方开挖作业时由于卸压隧道上盖的上浮风险，采用降水后分条开挖+压载板的方案，为加快工期，同时开挖南北两段。结合城铁线自动化监测系统，利用预留核心覆土的分步分段施工技术，将地铁隧道上浮、回弹变形量控制在地铁运营标准要求的安全范围内。地铁隧道上盖转换板和桩基模型如图4.21所示。
图4.21 地铁隧道上盖转换板和桩基模型
（1）两侧开挖工况下深基坑计算分析模拟。
为确保南北两侧同时施工不对地铁隧道造成过大扰动，采用三维土工有限元软件对降水、基坑开挖、支护、反压板施工过程进行三维有限元仿真模拟，用于计算基坑开挖土体应力释放造成的基坑周边变形。根据施工状况、设计方案与勘察报告等资料，利用数值分析方法，研究双向分段分块放坡开挖对隧道的影响。
基坑放坡分步开挖隧道正上方区域，两端向中心开挖，同步施工盖板进行反压，共分13个计算步骤完成。
（2）11号线上方核心留土分段开挖。
转换板25段分成13组施工，基坑土体在①号板试验段施工后，两端同时开挖，最后开挖第
段，分段开挖至-4.300 m时，放坡坡度为1∶1.5，分段宽约6.0 m为一幅，底板按②～
与⑤～
的顺序分段施工（见图4.22）。逐次分段开挖期间，为确保地铁隧道安全，土方开挖至设计坑底0.5 m时，人工开挖至设计坑底标高，严禁采用机械开挖，每段转换板施工完成后方可开挖相邻下段土方。
图4.22 分段开挖示意
大面积施工前，以初始段为试验段进一步进行研究，以确定合理的抽条开挖分段长度。工程桩施工过程中，密切关注隧道变形情况，一旦超过警戒值立即停止施工，上报相关单位后商议解决。
（3）基坑支护紧随开挖跟进施工。
11号线地铁保护区施工支护均采用放坡+挂网喷混凝土形式，对地铁隧道影响较小。
3）航站楼与地铁公用桩基础施工
旅客卫星厅上跨11号线隧道的结构底部设置转换板（兼作结构底板），通过隧道两侧新增桩基础将结构竖向力传至地下持力层，转换板长度约80 m，平均宽度约30 m。
旅客卫星厅桩基平面图如图4.23所示。
桩基距地铁隧道原围护结构地连墙净距不小于1.0 m，平均桩长50.0 m，采用大板一跨跨越，板厚2.0 m，计算跨度24.56 m。
图4.23 旅客卫星厅桩基平面图
4）紧邻地铁地下连续墙拆除技术
旅客卫星厅下穿地铁11号线隧道，需拆除旅客捷运系统下方地下连续墙。该段地下连续墙厚1 m，单侧长144 m，顶部标高为4.700 m，需拆除至卫星厅结构转换底板垫层以下标高（即-4.300 m），地下连续墙拆除高度为9 m。该卫星厅转换板区域采用分区开挖土方、分区浇筑转换底板的方法，拆除时配合土方开挖分层、分区进行。
（1）切割分块原则。
为方便吊装，参照每面墙体大小计算混凝土块重，并对地下连续墙进行定位放线，可同时对墙面进行多块分割。切割大小根据吊装时起重机的站位与切割分块的距离而定，在满足分块吊运的前提下，需综合考虑起重机台班费用及切割量。地下连续墙切割分块如表4.6所示。
表4.6 地下连续墙切割分块
续表
（2）静力切割拆除法。
采用金刚石链锯系统进行切割，将滑轮支架和链锯驱动系统紧固于地下连续墙和混凝土中板上，采用钻孔机钻出穿链条所用的孔洞，便于金刚石链锯与切割机进行安装，以连接电力、压缩空气和水。电源应配备接地导线，并进行检查。水源压力应在4～6 k Pa。切割工作由切割操作人员连续进行，切割过程中需与吊装人员紧密配合。
（3）吊装地下连续墙拆除件。
分段切割后的混凝土块应吊装至基坑外，根据分块示意图，取最不利条件进行计算，第3～6层配合土方开挖时，切割地下连续墙的最大分块体积为2.25 m3，因钢筋混凝土重约2.5 t，当起重机满足作业半径18 m时，可吊起5.6 t重物。地下连续墙切割吊装如图4.24所示。
图4.24 地下连续墙切割吊装
STC500S起重机性能满足施工要求，起吊作业幅度为18 m时，起重臂长23.38 m，最大起重量为6 t，大于5.6 t。起重机站位处采用砖渣进行回填压实。
5）地铁抗浮专项保证措施
本工程中保证地铁浮动可控是重中之重，施工前组织人员进入隧道内部布置监测点，后续每日监测分析隧道变形。施工过程中为防止地铁隧道上浮，应严格控制地下水位，做好基坑抽排水工作，同时对满足强度要求的已施工转换板使用切割混凝土块、水桶进行反压。
（1）正式动工前隧道内布置监测点。
为确保第一时间得到地铁隧道变形情况，项目联合监测单位与地铁部门进行沟通，在施工影响范围内的隧道中布置自动化监测系统，每日定时上报隧道位移数据。自动化监测系统应能保证长期在线连续运行，软件系统具有实时监测数据报警功能，监测数据及报警信息应能进行无线传输，并在服务器内至少存储30 d，以便有关方随时掌握工程安全动态情况。
①自动化监测仪器采用测量机器人，使用定制的钢支撑架安装在地铁隧道管壁上，通过电缆线接通220 V电源，实现不间断供电。
②监测断面应遵循左右线对称原则进行布置，在受施工影响的既有隧道内按设计要求设置变形监测断面，监测点数按工程结构、地层状况和周边环境确定（图4.25）。实际布设时，监测点的布设个数及位置根据现场通视情况进行调整。监测点采用L形棱镜，使用膨胀螺栓固定在道床、隧道壁和隧道拱顶，具体布设方式与基准点相同。
图4.25 自动化监测点断面布置
③根据设计要求，主要影响区沿隧道纵向每5 m布置1点，次要影响区沿隧道纵向每10 m布置1点。实际操作过程中，由于不能在开始将所有监测仪器及棱镜安装到位，前期可结合施工情况逐步布设监测设备，并且逐步移动监测区域外的基准点，并同时多次观测获取固定值。
（2）地铁上方基坑降排水施工。
本区域基坑正下方为地铁隧道，地下水位是地铁上浮的重要影响因素，故采取多种排水措施保证基坑顺利降排水。
①围绕基坑坡顶采用双排双轴φ600@450 mm搅拌桩，利用既有11号线围护墙结构形成闭合止水帷幕。施工前复核桩位放线定位，以地下连续墙外露部分为界，区分隧道上方与非隧道上方，严格控制搅拌桩长度，以免损伤隧道结构。
②基坑内施工3排共19根降水井用于抽排水，中间排降水井紧贴已完工灌注桩进行施工，确保不损伤隧道结构。降水井中抽出的水存储到大水桶中，用于转换板反压。
③开挖前全面硬化周边场地，为地下连续墙切割提供站位，同时防止雨水通过裸土渗入，减少降排水压力。
④在已施工完毕的转换板上，待板面强度满足要求后，将切割的地下连续墙混凝土块或大水桶放置在板面上，进行加荷反压。
6）实施效果
本工程采用紧邻已运营地铁上盖转换结构微扰动施工技术，在高施工风险、工期紧的条件下，快速、优质、安全地完成施工任务，南北两侧同时施工，共节约工期120 d。最终地铁隧道最大累计变形为3.0 mm，整个转换板自土方开挖到最后一块板浇筑完成，地铁隧道累计变化值仅0.6 mm，成功保护地铁。
2.案例二
1）工程概况
拟建工程位于广州市黄埔区科学大道以北，开泰大道以西，地铁21号线科学城站旁。项目用地面积约41787 m2，建筑面积125361 m2，容积率3.0，被地铁线路分隔为南、北两个地块，北侧地块位于地铁线路北侧，用地面积约10010.31 m2，呈狭长形，近东西走向。项目拟建南基坑长约185 m，宽20～34 m，开挖面积约5000 m2，拟建坑底标高27～29.5 m。项目拟建北基坑长约300 m，宽30～115 m，开挖面积约15000 m2，拟建坑底标高10.65～27.0 m（局部坑中坑底标高8.65 m）。
场地地理位置紧邻牛角岭公园，高差大，约15 m，南北和东西地势均呈坡状，场地北侧为牛角岭公园，红线已贴近，东西中部位置为地铁21号线科学城地铁站和区间隧道，南侧为A1、B1地铁车站出入口和科学大道市政道路，东侧为C1地铁出入口和开泰大道市政道路，设计将地块分为南、北两个基坑，基坑支护结构离地铁车站和隧道结构净距为10 m，场地狭小，利用率低。
拟建办公/酒店、376高层办公楼、329高层办公楼，办公/酒店为28F建筑，高度130 m，376高层办公、329高层办公为27F建筑，高度100 m，建筑为剪力墙结构，拟采用桩基础，基坑周长约711.25 m，底板标高约17.50 m，为2～3F地下室，基坑开挖深度10～23 m。
南侧地位于铁线路南侧，用地面积3293.40 m2，呈狭长形，近东西走向，长约176 m，宽15～20 m，拟建5栋企业总部办公楼，为5F建筑，高度23.5 m，建筑框架结构，拟采用桩基础，基坑周长约370.79 m，底板标高25.50 m，为1F地下室，基坑开挖深度5～9 m，环境等级、安全等级为一级。
本项目工程项目位于地铁21号线科学城站南北两侧，均设有地下室。项目地块北侧紧靠山坡，南侧及东侧地势较低。本工程施工场地较为狭窄，呈狭长形状，东侧和南北高差大、起伏大，约15 m，地块分为南北基坑，基坑深度不一，最深基坑在东侧130 m办公楼区域项目。根据开挖深度，将场地划分为一区～五区。
一区开挖深度为11～27 m，坑底标高为10.65～14.5 m。
二区开挖深度为11～27 m，坑底标高27.0 m。
三区邻近山坡，开挖深度约11～14 m，坑底标高27～28 m。
四区整平后标高为31.0 m。
五区靠近隧道一侧开挖深度约为4 m，坑底标高为27.0～29.5 m。
场地区域划分图如图4.26所示。
2）工程特点
（1）该商业办公楼的建筑性质，决定了该建筑的使用功能。由于该建筑有多种功能，结构施工中安装的预留、预埋穿墙管道工作较多，为保证穿墙管道、预留洞口及埋件位置的准确性，穿墙管道防水效果良好，土建施工中应采取一定的防护和技术措施，配合安装做好此项重要工作。
（2）本工程施工场地较为狭窄，呈狭长形状，东侧和南北高差大，起伏大，约15 m，地块分为南北基坑，基坑深度不一，最深基坑在东侧130 m办公楼区域，地下6层，基坑中间纵穿已运营地铁21号线和车站，场地布局非常困难，需靠北侧牛角岭公园借地在坑顶修建施工便道和加工场地。
图4.26 场地区域划分图
（3）该工程混凝土施工量大，包括现浇板、防水混凝土以及地下室筏基混凝土施工等。
（4）该工程属超高层建筑，施工中根据规范要求设置沉降观测点，施工过程中随时观测沉降量的变化。
（5）工程位于地铁21号线科学城站位置，邻近已运营地铁车站仅9 m，项目建筑位于南、北两侧，地铁从中间穿过，施工安全风险高。
（6）地铁站及地铁线路位于地块红线内，现状是地铁A、B、C出入口3个，场地内存在相应的配套设备房及配套的绿化、管线等。
（7）项目紧邻运营地铁线，对本项目基坑支护结构变形控制要求高，是本工程的重点、难点。
（8）项目东、南两侧为黄埔区主要干道和地铁A、B、C出入口，地铁人流量大，对安全文明、环保、噪声污染施工要求高。
3）项目施工对既有地铁车站主体及区间隧道结构影响
（1）拟建工程与既有地铁位置关系。
科学城站项目地块北侧紧靠山坡，南侧及东侧地势较低。本工程施工场地较为狭窄，呈狭长形状，东侧和南北高差大、起伏大，约15 m，地块分为南北基坑，基坑开挖深度为11～27 m，最深基坑在东侧130 m办公/酒店区域项目，坑底标高为10.65 m。拟建工程采用钻孔灌注桩基础，钻孔灌注桩直径有0.8 m、1.0 m、1.2 m和1.8 m四种，基础桩共751根，其中围护桩387根、基础桩364根，支护桩长24～38 m，基础桩22～36 m，基础桩桩底持力层为中风化花岗岩。
科学城站开发项目与地铁21号线科学城站车站主体在平面上存在交叉重叠关系。工程邻近已运营地铁车站最小水平距离仅9 m，车站结构离工程桩最小距离为3 m，项目建筑位于南、北两侧，地铁从中间穿过。
在剖面1—1上，工程桩与地铁隧道最近水平距离为3 m，地下车库底板与地铁隧道顶板最小距离为12 m。
在剖面2—2上，工程桩与车站外边缘最小距离为3 m，车站顶部覆土厚度为2.0 m。
在剖面3—3上，工程桩与车站外边缘最小距离为3 m，与基坑边缘距离为10 m。
在剖面5—5上，工程桩与车站外边缘最小距离为3 m，与基坑边缘距离为10 m。
在剖面6—6上，工程桩与车站外边缘最小距离为3 m。
在剖面B3—B3上，基坑边缘与车站外边缘最小水平距离为9.5 m。
在剖面C1—C1上，基坑边缘与车站外边缘最小水平距离为9 m。
拟建工程与既有地铁平面关系见图4.27。
图4.27 拟建工程与既有地铁平面关系
（2）外部作业影响等级。
在城市轨道交通既有结构周边进行外部作业时，应制定安全可靠的外部作业设计方案和城市轨道交通保护方案，外部作业不得影响城市轨道交通的正常运营，不得影响既有结构的正常使用、承载能力、耐久性和其他特殊功能。
根据《城市轨道交通既有结构保护技术规范》中对城市轨道交通沿线保护区的规定，隧道结构外边线外侧50 m内应设置控制保护区。
根据拟建工程与地铁隧道的几何关系，结合拟建工程施工工法，根据《城市轨道交通既有结构保护技术规范》中对外部作业影响等级划分和外部作业的工程影响分区的规定，本项目与城市轨道交通既有结构的接近程度为非常接近（Ⅰ）；外部作业的工程影响分区为强烈影响区（A），综合确定本项目外部作业影响等级为特级。
（3）施工风险分析。
拟建工程与21号地铁车站的时间关系：地铁车属于既有工程，拟建工程暂未开工。
拟建工程对地铁结构的影响较大的主要为基坑开挖、地下室施工、拆除支撑、上部结构施工4个阶段。
基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体的回弹，并且基坑围护结构在土体压力作用下迫使基坑开挖面以下结构向基坑内位移，挤压坑内土体，加大了坑底土体的水平向应力，也使得坑底土体向上隆起，进而引起下卧车站结构及区间隧道上浮。在基坑完工后上部结构开始施工，其带来的附加荷载将可能使地铁结构发生沉降。基坑开挖时，可通过及时架撑、严禁超挖等措施，可以减少基坑变形。
4）分析结论与对策
（1）结论。
采用三维有限元整体模型分析了拟建科学城KXC-I3-2地块开发项目施工期间对地铁21号线科学城站主体结构的影响，模拟分析科学城开发项目基坑开挖及主体结构施工各工况下地铁结构的变形与内力，由以上分析结果综合判断认为：拟建科学城站开发项目工程施工期间对地铁21号线科学城站车站主体及区间隧道结构形成一定不利影响，在严格按照设计要求进行施工期间，不危及地铁的结构安全，不影响地铁后期的开通和运营。具体的结论如下。
①根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中对外部作业影响等级划分和外部作业的工程影响分区的规定，本项目与城市轨道交通既有结构的接近程度为非常接近（Ⅰ）；外部作业的工程影响分区为强烈影响区（A），外部作业影响等级为特级，施工风险较高。
②既科学城站开发项目与地铁21号线科学城站车站主体在平面上存在交叉重叠关系。拟建工程工程桩与地铁隧道最小水平净距为3 m，基坑外边缘距离地铁结构最小水平净距离为9 m，地下车库底板与地铁隧道顶板最小距离为12 m。
③本场地内揭露有孤石，对工程建设有一定影响。北侧基坑见孤石率50.91%、北侧边坡见孤石率80%，南侧基坑见孤石率10.71%，孤石厚度0.30～5.90 m，发育程度一般。
④根据拟建工程勘察成果，拟建工程基坑开挖深度范围内土层为素填土、淤泥质土、粉质黏土层、砂质黏土层、全风化花岗岩、强风化花岗岩。21号线区间隧道洞身位于全～强风化混合花岗岩层内，车站主体结构位于顶部位于粉质黏土层，底部位于强风化花岗岩中。
⑤拟建工程施工对地铁21号线结构的影响主要为基坑开挖卸载引起的水平位移和竖向隆起以及上部结构施工引起的沉降。地铁21号线区间隧道结构水平位移极值为3.634 mm；竖向位移极值为7.648 mm；区间隧道结构弯矩初始值为174.083 k N·m，区间隧道结构弯矩极值为160.219 k N·m，弯矩增量为-13.864 k N·m，增幅为-7.96%。科学城车站主体结构水平位移极值为1.287 mm；竖向位移极值为1.345 mm；车站主体结构弯矩初始值为-6069.61 k N·m，车站主体结构弯矩极值为-6155.28 k N·m，弯矩增量为-85.67 k N·m，增幅为1.41%。3a出入口结结构水平位移极值为1.706 mm；竖向位移极值为-3.476 mm；3a出入口结构弯矩初始值为-5019.69 k N·m，3a出入口结构弯矩极值为-5263.14 k N·m，弯矩增量为-243.45 k N·m，增幅为4.85%。风亭及1a出入口结构水平位移极值为2.310 mm，竖向位移极值为2.499 mm；风亭及1a出入口结构弯矩初始值为-583.489 k N·m，出入口结构弯矩极值为-614.289 k N·m，弯矩增量为-30.8 k N·m，增幅为5.28%。
⑥拟建项目北侧基坑边坡的稳定性验算能满足规范要求。MIDAS Gen有限元分析软件计算分析的B1—B1剖面的排桩支护边坡在基坑开挖后水平位移极值为0.457 mm，竖向位移极值为2.702 mm，采用强度折减法计算边坡的整体稳定性安全系数为2.052；C1—C1剖面的排桩支护边坡在基坑开挖后水平位移极值为-10.146 mm，竖向位移极值为26.103 mm，采用强度折减法计算边坡的整体稳定性安全系数为4.219；C2—C2剖面的排桩支护边坡在基坑开挖后水平位移极值为1.306 mm，竖向位移极值为7.051 mm，采用强度折减法计算边坡的整体稳定性安全系数为1.915。通过理正岩土软件计算分析的B1—B1剖面的排桩支护边坡整体稳定性系数为1.903，大于1.35，抗倾覆稳定性系数为1.904，大于1.250，抗倾覆（踢脚破坏）稳定性验算为1.853，大于1.250；C1—C1剖面的排桩支护边坡整体稳定性系数为4.141，大于1.35，抗倾覆稳定性系数为2.472，大于1.250，抗倾覆（踢脚破坏）稳定性验算为3.580，大于1.250；C2—C2剖面的排桩支护边坡整体稳定性系数为1.837，大于1.35，抗倾覆（踢脚破坏）稳定性验算为1.392，大于1.250。
⑦拟建项目基坑水位变化过程对地铁结构影响较大的区域为Ⅲa号通道。在基坑5中，当降水至基坑底以下1 m时，若基坑止水正常：Ⅲa号通道结构北侧水位下降-1.0 m，结构沉降-6.427 mm；Ⅲa号通道结构南侧水位下降-1.0，沉降-7.157 mm。若基坑止水完全失效：Ⅲa号通道结构北侧水位下降-11.0 m，结构沉降-18.011 mm；Ⅲa号通道结构南侧水位下降-9.3 m，结构沉降-20.894 mm。
（2）对策。
由于拟建工程的施工对地铁结构影响有一定影响，建议设计、施工和监测方案决定采取以下措施，减少本工程对地铁结构可能产生的影响。
①完成围护结构施工后，应在基坑开挖前开展抽水试验，核查渗漏点，分析渗漏原因，及时采取有效的封堵措施，方可进行基坑开挖作业。
②基坑开挖范围内存在软土和砂层等不良地层，因基坑存在不同形式的支护结构，为防止不同区段支护结构的位移差引起的支护结构渗漏水和连续墙槽段间的渗漏水，建议在基坑与地铁结构之间的区域布置回灌井，保持地铁区域地下水位的稳定。
③根据三维有限元计算结果，基坑1号区域止水结构失效对邻近地铁附属结构安全有重大影响，建议进一步优化基坑1号区域支护结构及止水结构体系，增加围护结构嵌固深度。
④由于本场地内存在孤石，孤石大小不一，强度高，且部分孤石已露出原地面，采用挖机无法挖掘，为确保周边地铁运营安全，建议在基坑开挖过程中遇到孤石采用全回旋钻孔进行处理；在地下连续墙施工过程中需做好孤石补勘工作，探明孤石的大小以及数量。
⑤在项目施工期间，应加强相关隔振措施，保证邻近建筑不受振动影响。
⑥在基坑工程施工期间，建议加强地下水位的监控量测工作，增加坑外地下水观测井，记录好初始水位值及各工况条件下的水位变化情况，重点监测地下潜水和岩溶水的水位变化，及时发现问题。严格控制地铁出入口防洪水位与地铁周边水位控制，与地铁口红线范围内的接驳位置，需进行专项设计。结合类似的基坑开挖降水对邻近建构筑物的安全保护工程经验，建议地铁区域地下水位降低幅度控制值设定为1.0 m。
⑦根据国内类似地铁结构安全保护经验和省内地铁结构保护规范的要求，结合本工程项目特点和计算分析结果，考虑了项目施工期间的支护结构变形和地下水位下降引起的地铁结构变形的叠加效应，在项目施工期间，区间隧道、车站主体及其附属结构位移控制值建议设定为10 mm。
⑧根据三维有限元计算结果，开挖土体卸载比较大，将引起邻近地铁结构变形较大，应确保在开挖过程中实时做好监测。
⑨地铁结构邻近的地下室外墙间的回填土，建议采用易压实填料进行回填，以避免墙间回填土料的压实度无法满足地铁保护的要求。采用易压实填土进行回填时严禁使用重型机械进行冲击碾压。
⑩土方开挖时应注意以下事项：严禁采用爆破法开挖；挖土过程中严禁施工机械碰撞、冲抓、碾压支护结构；土方开挖应做到先撑后挖，待围护结构或楼板强度达到设计值80%后方可开挖；土方开挖应遵循“对称开挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，开挖过程中一定要保证支护结构对称受力；开挖至坑底后，立即施工素混凝土垫层，以防止地下水继续流失。
换撑时一定要待结构楼板及换撑板带强度达到设计值的80%后方可拆除支撑，且应严格按照设计要求的步骤换撑，支撑拆除时应避免支撑应力的瞬间释放，建议对南侧支护桩与地下室外墙间隔采用素混凝土进行回填。
信息化施工是确保工程施工安全的重要手段，在科学城开发项目施工之前，应根据监测方案开展监测工作。在施工前获邻近结构监测初始值，以便监测后续结构变形量；施工过程加强对结构变形、地表沉降以监控量测工作；应重点监测差异变形量。
对施工过程进行全面的监控量测，随时反馈信息，指导施工生产，在既有结构变形总量和变形速率超过规定值时，应立即停止施工，启动抢险预案。