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临近地铁深基坑工程超深TRD工法实践与研究

南京新媒体大厦深基坑工程、超深61mTRD

摘要

摘要:基于临近南京地铁2号线隧道的新媒体大厦深基坑工程，在TRD设计与施工优化的基础上，采用有限差分模型对TRD止水条件下基坑开挖时隧道的位移进行分析，并与止水失效工况进行对比。结果表明，TRD止水效果良好的情况下，基坑开挖时隧道最大水平位移和最大竖向位移均小于隧道水平变形控制值和预警值，而止水失效时二者变形远超控制值和预警值。最后通过渗流检测及地铁实际监测数据证明本工程TRD止水效果极佳，基坑施工过程中对地铁隧道扰动微小。

关键词:深基坑;地铁隧道;TRD;止水性能;有限元分析

引言

随着城市经济发展，城市地下隧道空间由单线形向网络化方向发展，临近地铁隧道区间深基坑工程对地铁隧道的保护尤为重要。TRD(Trench cutting Re-mixing Deep wall，简称“TRD”)工法即渠式切割深层搅拌水泥土地下连续墙施工工法，是一种新型围护结构止水帷幕施工方法。水泥土搅拌桩(墙)围护结构可满足深基坑工程截水需要，截断或部分截断承压水层与深基坑的水力联系，控制由于基坑降水而引起的地面过度沉降，确保深基坑和周边环境安全。沿海沿江地区地下水丰富，为防止基坑开挖时坑外水土流失导致周边土体变形，超深TRD工法成为超深止水帷幕发展新方向。超深TRD工法成墙深度可达60m，该工法具有工程造价低、适应地层广、墙体连续无接头等优点，已在上海、天津、武汉、南昌等多个深大基坑工程中成功应用。本文基于临近南京地铁2号线(雨润大街—元通站)隧道的南京新媒体大厦深基坑工程，采取优化基坑结构设计、工程施工等一系列措施增强基坑止水性能，保护地铁运营安全，并通过实例验证优化措施的可行性。

工程概况

1.1工程简介

南京新媒体大厦项目位于南京市建邺区雨润大街与江东中路交汇处东南隅，北侧为雨润大街，临近运营中南京地铁2号线雨润大街站—元通站区间隧道，西侧为南京建邺区主干道江东中路，本项目建筑物主要由塔楼、裙楼及地下室组成，整个场地内设3层地下室。基坑面积约18500m2，周长约为550m。基坑底标高为A楼-18.650m，B楼-17.650m，C楼及其他区域-16.550m。

1.2工程地质

拟建场地位于长江漫滩之上，根据勘探揭示的地层结构，勘探深度范围内的地下水可分为浅层潜水和弱承压水。潜水含水层由1层人工填土、2-1和2-2层新近沉积的黏性土构成。弱承压含水层组由中下部的2-3层、2-4层、2-5层砂土层和4层含卵砾石中粗砂构成。根据承压水水位观测成果，承压水水头埋深在现地面下7.1~7.4m，高程1.610~1.620m，平均高程1.615m，水头较稳定，具体如表1所示。

1.3基坑与地铁的位置关系

基坑与地铁结构平面位置关系:项目基坑位于地铁2号线雨润大街站—元通站区间南侧。项目基坑围护结构外边线距地铁2号线区间最近距离约为44.0m，对应2号线左线里程为K3+504—K3+637，长133m，右线里程为K3+496—K3+624，长128m。具体如图1所示。

1.4地铁隧道现状

由于前期周边项目施工对地铁隧道造成一定影响。2017年5月30日南京地铁2号线雨润大街—元通区间进行了第3次水平直径收敛普查，如图2所示。

根据GB 50446—2017《盾构法隧道施工与验收规范》、CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，综合确定本段区间隧道结构监测数据控制值如表2所示。如项目基坑施工不能满足地铁隧道安全控制标准，将对地铁运营造成重大安全隐患。

优化基坑设计及TRD施工

2.1 优化基坑止水设计

为减少基坑开挖对地铁隧道的影响，在原有地下连续墙的基础上，基坑东侧与北侧增加1排TRD工法水泥土搅拌墙，形成双止水帷幕，如图3所示，即围护结构采用1000mm厚地下连续墙+TRD+内支撑体系。本工程TRD深度61m，入岩1m，采用等厚度700mm水泥土搅拌墙，内支撑采用3层钢筋混凝土，对撑、角撑、边桁架体系支撑，如图4所示。

2.2 TRD施工优化

TRD工法水泥土搅拌墙深度超过60m，属超深止水，因工程地处南京河西地区，下部土层有约35m厚的粉砂层，加上TRD施工需要截断下部承压水而进入基岩，因此在施工过程中尽量控制地层变形是关键。

根据上述情况，本项目对传统TRD工艺进行优化，拟采用前方成槽机先行、TRD后续跟进施工工艺，此法可大大提高施工效率，同时保护地铁运营安全。TRD施工采取“跳打”模式，预留槽间土作为支撑土柱，如图5所示，即272mTRD墙体分为54段，每段5m，由1个2.8m成槽机成槽区和1个2.2mTRD自掘进区组成，成槽机开挖至设计标高后，向前平移2.2m进行下一槽体施工，这样在成槽过程中每隔2.8m就有一个2.2m×0.7m的土柱作为槽间土体支撑，一定程度上能减小周边土体变形。

基坑开挖对地铁隧道影响的有限元分析

3.1 止水效果良好的影响分析

3.1.1三维有限元模型

为研究基坑开挖对南京地铁2号线雨润大街站—元通站区间盾构隧道的影响，使用三维有限差分计算软件FALC3D进行模拟仿真。本次模拟使用软件分析基坑开挖在TRD止水良好的情况下对临近地铁结构的影响。

在饱和软土地区，考虑到基坑开挖模拟的计算精度和效率，模拟范围水平向外延基坑开挖深度4倍距离，竖直方向延伸基坑开挖深度3倍距离，主体模型尺寸为277.5m×252.0m×64.0m，模型单元数117312个，节点数126023个，分析采用修正剑桥模型(MCC模型)，三维模型采用水土合算的全应力法分析。土体采用实体单元模拟;地下连续墙采用实体单元，地铁隧道盾构管片使用壳单元模拟，基坑内钢筋混凝土支撑使用梁单元模拟，立柱(格构柱)采用桩单元模拟。

1)边界条件模型四周边界约束垂直截面方向水平位移，底部全约束，顶端自由。

2)初始条件模拟的初始条件为基坑围护结构施工完毕，包含地下连续墙、钻孔灌注桩，北侧与东侧的止水帷幕、内部立柱(桩)，初始地应力平衡计算之后位移清零，作为基坑开挖模拟的初始条件。

3.1.2计算结果与分析

本次分析将基坑开挖简化为4步开挖，以3道支撑为分界点，第1层开挖深度2.0m，设置第1道支撑;2层开挖深度7.5m，设置第2道支撑;3层开挖深度12.0m，设置第3道支撑，4层开挖深度16.0。基坑各层开挖完成后邻近基坑地铁隧道结构位移特征值如下:隧道沉降z为1.047 5mm;水平位移x为1.731 6mm;水平位移y为1.853 4mm。

由以上计算结果可知，在TRD止水效果良好的情况下，基坑开挖时隧道最大水平位移为1.85mm，最大竖向位移为1.05mm。二者均小于隧道水平变形控制值和预警值，基坑正常施工对隧道结构变形影响较小。

3.2 止水失效的影响分析

基坑设计了地下连续墙、TRD水泥土搅拌墙、双高压旋喷桩等多种截水措施，假设对防水措施部分失效，模拟分析对地铁盾构隧道的影响。

3.2.1计算模型

数值模型为FLAC3D建立的“二维”模型，模型尺寸为220m×64m×1m;土体本构采用修正剑桥模型(MCC模型);盾构隧道使用shell单元。在建模与计算分析过程中做如下假定。

1)假定条件模拟的初始状态为基坑开挖见底，不考虑基坑侧壁的变形，本模型仅考虑降水影响，综合影响可近似为基坑开挖与降水影响的叠加;本次模拟不给出瞬态流固耦合沉降过程，只给出水位稳定之后对应的计算结果。模型底部全固定，y方向位移全固定，左右两侧及地下连续墙固定x方向位移，竖向自由。

2)边界条件底部为非渗透边界，地下连续墙设置为非渗透材料:1右侧边界固定初始水压，左侧边界为非渗透边界，基坑边界上半部分给定水压;2右侧边界水压自由变化，左侧边界为非渗透边界，基坑边界整体给定水压。

3)固相初始条件在静水压力条件下计算初始地应力，形成初始应力场作为地层变形计算的初始条件。

4)液相初始条件初始潜水水位为地下2m，潜水面以下为静水压力;潜水面为自由水面，水面以上(有效)饱和度为0，水面以下饱和度为1。

3.2.2计算结果与分析

考虑基坑止水帷幕止水效果不理想，地层深处微承压水水头下降，基坑外部与基坑内部产生完全的水力联系，在这种状况下，通过模拟计算可知，当基坑底层止水帷幕效果欠佳时，基坑内外产生水力联系，将会强烈影响地下水水压分布，进而导致地层变形，带动隧道产生沉降和水平移动，隧道产生较大的位移，具体如表3所示，远超地铁隧道变形控制值，将对地铁运营安全造成严重影响。

超深TRD工法的实际检验

4.1 渗流检测

本文TRD 止水帷幕声呐渗流检测，是在地下超过60m深切入基岩的地下隐蔽工程中，人工抽水试验条件下，通过布置在基坑北侧TRD 止水帷幕外侧1~2m处的孔深60m的15个检测孔而进行的声呐渗流检测。通过测孔数据得出渗流场的流速、流向、流量与渗透系数在止水帷幕上的三维坐标分布，测量现场三维空间地下水渗流全部声呐原位测量数据(每组数据均由60万个物理测量数据组成)生成的渗流场(含流速、流向、流量)三维多媒体可视成像画面，判别地下止水帷幕结构的止水效果与地下水渗流场的对应关系。定量、定位检测基坑止水密闭性，为基坑的顺利开挖，提供技术支持。本项目2013年按地铁要求在未施工TRD的情况下进行过渗流检测，后期工程因特殊原因停工，直至2017年正式复工，2017年TRD完成施工后再次委托原检测单位进行复测，具体检测数据如图6所示。

通过对比可见，本次测量数据远小于2013年的测量数据量级，TRD 止水帷幕效果较好。本次测量孔位范围内渗透流速均属于微小渗流，未发现明显渗流异常点。

4.2基坑开挖过程中地铁隧道监测结果

本工程基坑开挖过程中委托专业监测单位对地铁隧道进行实时监测，根据监测数据，本工程基坑施工过程中，地铁隧道区间最大变形1.4mm(包括仪器测量误差)，如表4所示，地铁隧道变形属于可控范围，TRD工法在工程实践中得到正确验证。

结语

1)通过有限元软件模拟计算，基坑开挖过程中，基坑的止水密闭性能对地铁隧道影响较大。在基坑密闭止水效果良好的情况下，基坑开挖时隧道最大水平位移为1.85mm，最大竖向位移为1.05mm，二者均小于隧道变形控制值和预警值，基坑开挖对隧道的影响较小;反之将对地铁运营安全造成重大影响。同时有限元分析与实际地铁隧道监测数据较吻合，证明有限元模拟计算的正确性。

2)通过渗流检测对比证明，TRD工法水泥土搅拌墙起到增强阻断外部潜水和承压水的作用，以防止基坑开挖时坑外水土流失导致周边土体变形，本工程TRD止水效果较优。

3)本工程基坑深度深，周围地形复杂，并临近地铁，对地铁保护要求高，在基坑地下连续墙外侧增加1道TRD 止水帷幕，增强基坑止水性能，本基坑工程的成功施工，对今后类似工程具有指导意义。