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【摘 要】本文以南京火车站北广场地下车库跨地铁浅埋隧道基坑工程为例，通过方案设计、施工过程监测与控制、数值分析模拟等，对深基坑跨地铁浅埋隧道设计与施工技术进行了研究探讨，提出类似工程设计与施工建议。
【关键词】深基坑；浅埋隧道；设计与施工
Nanjing Railway Station North Square subway underground garage across the shallow tunnel excavation and construction techniques designed to explore suggestions
Gong Xi-wei1，Geng Ye-kuan2
（1.Nanjing Urban Construction Project Construction Management Co.， Ltd. Nanjing Jiangsu 210000；
2.Jiangsu East China Engineering Co.， Ltd Nanjing Jiangsu 210000）
【Abstract】In this paper， the Nanjing Railway Station North Square subway underground garage across the shallow tunnel excavation， for example， through design， construction process monitoring and control， numerical simulation of deep foundation Shallow Cross subway tunnel design and construction techniques were study was to investigate， made a similar design and construction proposals.
【Key words】Design and construction；Deep excavation；Shallow tunnel
1. 工程概况
（1）南京火车站北广场及市政配套工程是沪宁城际铁路北站房的配套项目，利用沪宁城际铁路、京沪高速铁路建设的契机，通过项目的建设，实现铁路、地铁、公交、长途汽车等交通方式的无缝对接、立体换乘，该工程对进一步完善城北地区路网结构、增强南京站交通枢纽功能，改善南京火车站北侧片区环境，提升南京市城市品位，打造南京都市圈具有重要意义（见图1、见图2）。
图1 南京火车站北广场地下车库与地铁位置关系平面图
图2 南京火车站北广场地下车库与地铁位置关系剖面图
（2）南京火车站北广场地下车库工程基坑面积约24500m2，位于南京火车站站房北侧，基坑中部下方为运营中的南京地铁一号线区间隧道，基坑沿隧道方向长度为67m，隧道上方基坑开挖深度约7m，基坑底距隧道顶最小距离仅为3.4m，为典型的深基坑跨地铁浅埋隧道施工案例（图1和图2）。
2. 方案设计
2.1 地质条件。
（1）按土层揭露先后顺序，场区内主要地层有：杂填土、素填土、粉质粘土（可塑～硬塑）、残积土（可塑～硬塑）、闪长岩（强风化～微风化）、角砾状灰岩（强风化～中风化）。
（2）场地地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。勘探期间测得初见水位埋深为1.6～2.0m，稳定水位埋深1.4～1.8m；据区域水文地质资料，该地区潜水水位年变幅在1.0～1.5m左右。最高抗浮水位可按埋深0.5m考虑。
2.2 结构主体设计。
南京火车站北广场地下车库设计为地下两层，其中与一号线隧道交叉区域为地下一层。负一层底板顶标高+9.7m，板厚0.8m，负二层底板顶标高+5.4m，板厚1.0m，垫层厚0.2m。工程采用筏板基础，设抗浮锚杆。
2.3 基坑支护设计。
北广场地下车库基坑面积约20000m2，周长约726m，场地自然地面标高+14.0～+30.5m，基坑底标高+4.2m、+8.7m。开挖深度5.5～26.3m。其中，一层地下室区域基坑面积约5000m2，周长325m，南侧开挖深度6.3m，北侧为永久边坡，开挖深度为21.3m。地下一层基坑支护主要设计方案如下：
（1）南侧采用一级自然放坡，坡比为1：1。
（2）北侧高边坡段采用1300@1900（1500@2000）灌注桩+四层预应力锚索进行永久支护，支护桩顶外侧采用一级放坡土钉墙，支护桩内侧与地下车库基坑交界处采用二级自然放坡进行临时支护。
（3）东西侧与两层地下室衔接处采用1000@1500钻孔灌注进行支护。
（4）基坑内地下水采用集水坑+排水沟明排。
图3 封闭结构示意图
3. 施工控制
在基坑开挖施工过程中，采取适当的施工工艺和控制措施，能够有效地控制基坑开挖引起的各种不利影响。本工程主要采取了以下措施：
3.1 施工过程控制措施。
（1）地铁隧道上方支护桩采用人工挖孔成桩工艺，并采取跳桩施工方法，避免支护结构施工期间对隧道地基土的扰动。
（2）土方开挖按“先南侧后北侧、先浅后深”原则控制，即先开挖南半部分区域再开挖北半部分区域，先开挖一层地下室区域再开挖两层地下室区域；在隧道两侧开挖前，应先施工隧道顶部主体结构底板，并与两侧支护桩锚接形成封闭结构（图3），以减小开挖两层地下室期间可能产生的地铁隧道的侧向变形。
（3）开挖过程充分考虑时空效应规律：遵循分区、分块、分层、对称、平衡的原则。 （4）基坑开挖期间，减少基坑暴露时间，严禁超挖，将基坑开挖造成的周围设施的变形控制在允许的范围内，地下室垫层、底板和顶板控制在最短时间内完成。
（5）施工过程中，加强对基坑支护结构及周边环境的监测，根据监测数据反馈情况信息化指导施工，及时调整土方开挖顺序，避免对隧道等周边环境产生较大影响。
3.2 施工应急预案。
现场严格按照通过专家评审的方案实施，实施过程中加强监测，如隧道变形超报警值，立即启动应急预案，主要应急措施如下：
（1）如土方正在开挖，地下室底板未浇筑，则立即进行土方回填，待变形稳定后，制定补强方案，调整施工工序。
（2）如主体结构已施工，则在主体结构上部采用土袋或钢材进行堆载反压，或采取蓄水反压措施。
4. 地铁隧道监测结果
（1）在本项目监测过程中，地铁隧道沉降及水平位移是重点监测对象。负一层地下车库边线对应的地铁南京站至红山站区间隧道左、右线内每10米各布设1个沉降监测点，该范围沿线外延每20米布设1个沉降监测点，区间隧道左、右线各布设13个水平位移监测点。
（2）为有效指导现场施工，项目实施前，编制了详细的基坑工程及地铁隧道监测方案，并对基坑及隧道进行了系统的监测。监测期间，左线隧道最大隆起量为7.5mm，最大水平位移为2.1mm，右线隧道最大隆起量为8.6mm，最大水平位移为2.2mm，满足“地铁隧道位移不超过10mm”的限值要求，验证了地铁隧道设计、施工专项保护措施的合理性。
图4 覆土厚度与隧道直径关系示意图
5. 有限元模型分析验证
本项目结合工程地质条件、周边环境和实测数据，建立了以基坑边线向外平面范围7倍开挖深度（约45m），地面至隧道底部向下4倍开挖深度（约26m ）范围的ANSYS有限元模型，通过与最终监测数据的对比分析，模型计算的位移结果与实测值结果变化趋势总体一致，最大误差在20%以内，该模型可视为合理、可靠。
在此基础上，通过有限元计算，进一步分析了不同工况和不同因素对基坑开挖后地铁隧道变形的影响，以便为类似工程提供指导借鉴：
5.1 覆土厚度的影响。
（1）保持开挖深度不变，随着覆土厚度的增加，隧道的隆起量逐渐减小，坑底的隆起量逐渐增大，但变化幅度均有减小趋势（图4）。
（2）根据计算结果，当隧道上方覆土厚度小于1D（D为隧道直径）时，基坑开挖对隧道隆起量有较大的影响，隧道位移变形超过5.5mm，可视为“强影响区”。而当隧道上方覆土厚度大于1D时，隧道隆起量小于5.0mm，可视为“弱影响区”。
5.2 开挖顺序的影响。
（1）在其他条件不变的前提下，通过对不同开挖顺序条件下的基坑开挖对隧道的影响规律进行了分析。
（2）根据计算结果，顺序开挖引起的隧道隆起量比间隔开挖大1mm左右，说明间隔开挖对下卧隧道的影响相对较小，可应用于实际工程中。
5.3 开挖尺寸的影响。
（1）改变基坑开挖的尺寸大小，分析用不同的尺寸大小开挖相同的基坑对下卧隧道的隆起量影响。
（2）根据计算结果，随着开挖尺寸的减小，下卧隧道竖向位移也逐渐减小，但是速率逐渐下降，分2D（隧道直径）开挖和1.5D开挖时，对隧道的影响差异已在5%以内。因此，分块开挖能有效控制隧道竖向位移，但过小的开挖尺寸并不经济，宜控制在2倍隧道直径。
5.4 地基加固范围影响。
（1）在其他条件不变的前提下，通过对不同水平地基加固范围条件下的基坑开挖对隧道的影响规律进行了分析。
（2）计算结果表明，增加隧道上方地层平面的加固范围，隧道隆起量有减小趋势，但影响较小。而随着加固范围的增加，可以有效的改变基坑开挖范围内坑底的隆起量。分析其原因主要在于，本项目基坑底部与隧道之间主要地层地质条件较好，地基加固对土体强度提高贡献不大。
5.5 地质条件的影响。
（1）在其他条件不变的前提下，对不同地质条件下基坑开挖对隧道的影响规律进行了分析。
（2）计算结果表明，当改变隧道底到地面的土体模量时，坑底和隧道隆起量有显著变化。随着土体模量的增加，坑底和隧道隆起量均有减小。
6. 结论
本文结合南京火车站北广场地下项目，在工程实践基础上，利用实际监测数据和数值分析手段，系统地分析了深基坑跨越条件下的浅埋隧道变形的各种影响因素，并提出相关设计与施工建议，为类似项目提供借鉴。得出结论如下：
（1）设计时，在满足结构使用功能的前提下，隧道上方覆土厚度宜控制在一倍隧道直径以上。
（2）根据地质条件，选择合理的加固方法及参数，可采用预埋注浆管等方式，根据开挖监测情况确定是否需注浆加固。
（3）在地铁上跨基坑开挖过程中，应沿地铁纵向分条带开挖，本工程地质条件下，以2倍隧道直径为条带进行分步隔仓开挖。
（4）在隧道两侧地下室区域开挖前，应先施工隧道顶部主体结构底板，并与两侧支护桩锚接形成刚度较大的门式刚架，以减小两侧基坑开挖引起的地铁隧道侧向变形。
（5）施工过程中，应加强对受影响隧道、基坑支护结构、主体结构等内容监测，根据监测结果及时调整施工工艺、开挖步序，并做好相应应急准备工作。
【关键词】深基坑；浅埋隧道；设计与施工
Nanjing Railway Station North Square subway underground garage across the shallow tunnel excavation and construction techniques designed to explore suggestions
Gong Xi-wei1，Geng Ye-kuan2
（1.Nanjing Urban Construction Project Construction Management Co.， Ltd. Nanjing Jiangsu 210000；
2.Jiangsu East China Engineering Co.， Ltd Nanjing Jiangsu 210000）
【Abstract】In this paper， the Nanjing Railway Station North Square subway underground garage across the shallow tunnel excavation， for example， through design， construction process monitoring and control， numerical simulation of deep foundation Shallow Cross subway tunnel design and construction techniques were study was to investigate， made a similar design and construction proposals.
【Key words】Design and construction；Deep excavation；Shallow tunnel
1. 工程概况
（1）南京火车站北广场及市政配套工程是沪宁城际铁路北站房的配套项目，利用沪宁城际铁路、京沪高速铁路建设的契机，通过项目的建设，实现铁路、地铁、公交、长途汽车等交通方式的无缝对接、立体换乘，该工程对进一步完善城北地区路网结构、增强南京站交通枢纽功能，改善南京火车站北侧片区环境，提升南京市城市品位，打造南京都市圈具有重要意义（见图1、见图2）。
图1 南京火车站北广场地下车库与地铁位置关系平面图
图2 南京火车站北广场地下车库与地铁位置关系剖面图
（2）南京火车站北广场地下车库工程基坑面积约24500m2，位于南京火车站站房北侧，基坑中部下方为运营中的南京地铁一号线区间隧道，基坑沿隧道方向长度为67m，隧道上方基坑开挖深度约7m，基坑底距隧道顶最小距离仅为3.4m，为典型的深基坑跨地铁浅埋隧道施工案例（图1和图2）。
2. 方案设计
2.1 地质条件。
（1）按土层揭露先后顺序，场区内主要地层有：杂填土、素填土、粉质粘土（可塑～硬塑）、残积土（可塑～硬塑）、闪长岩（强风化～微风化）、角砾状灰岩（强风化～中风化）。
（2）场地地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。勘探期间测得初见水位埋深为1.6～2.0m，稳定水位埋深1.4～1.8m；据区域水文地质资料，该地区潜水水位年变幅在1.0～1.5m左右。最高抗浮水位可按埋深0.5m考虑。
2.2 结构主体设计。
南京火车站北广场地下车库设计为地下两层，其中与一号线隧道交叉区域为地下一层。负一层底板顶标高+9.7m，板厚0.8m，负二层底板顶标高+5.4m，板厚1.0m，垫层厚0.2m。工程采用筏板基础，设抗浮锚杆。
2.3 基坑支护设计。
北广场地下车库基坑面积约20000m2，周长约726m，场地自然地面标高+14.0～+30.5m，基坑底标高+4.2m、+8.7m。开挖深度5.5～26.3m。其中，一层地下室区域基坑面积约5000m2，周长325m，南侧开挖深度6.3m，北侧为永久边坡，开挖深度为21.3m。地下一层基坑支护主要设计方案如下：
（1）南侧采用一级自然放坡，坡比为1：1。
（2）北侧高边坡段采用1300@1900（1500@2000）灌注桩+四层预应力锚索进行永久支护，支护桩顶外侧采用一级放坡土钉墙，支护桩内侧与地下车库基坑交界处采用二级自然放坡进行临时支护。
（3）东西侧与两层地下室衔接处采用1000@1500钻孔灌注进行支护。
（4）基坑内地下水采用集水坑+排水沟明排。
图3 封闭结构示意图
3. 施工控制
在基坑开挖施工过程中，采取适当的施工工艺和控制措施，能够有效地控制基坑开挖引起的各种不利影响。本工程主要采取了以下措施：
3.1 施工过程控制措施。
（1）地铁隧道上方支护桩采用人工挖孔成桩工艺，并采取跳桩施工方法，避免支护结构施工期间对隧道地基土的扰动。
（2）土方开挖按“先南侧后北侧、先浅后深”原则控制，即先开挖南半部分区域再开挖北半部分区域，先开挖一层地下室区域再开挖两层地下室区域；在隧道两侧开挖前，应先施工隧道顶部主体结构底板，并与两侧支护桩锚接形成封闭结构（图3），以减小开挖两层地下室期间可能产生的地铁隧道的侧向变形。
（3）开挖过程充分考虑时空效应规律：遵循分区、分块、分层、对称、平衡的原则。 （4）基坑开挖期间，减少基坑暴露时间，严禁超挖，将基坑开挖造成的周围设施的变形控制在允许的范围内，地下室垫层、底板和顶板控制在最短时间内完成。
（5）施工过程中，加强对基坑支护结构及周边环境的监测，根据监测数据反馈情况信息化指导施工，及时调整土方开挖顺序，避免对隧道等周边环境产生较大影响。
3.2 施工应急预案。
现场严格按照通过专家评审的方案实施，实施过程中加强监测，如隧道变形超报警值，立即启动应急预案，主要应急措施如下：
（1）如土方正在开挖，地下室底板未浇筑，则立即进行土方回填，待变形稳定后，制定补强方案，调整施工工序。
（2）如主体结构已施工，则在主体结构上部采用土袋或钢材进行堆载反压，或采取蓄水反压措施。
4. 地铁隧道监测结果
（1）在本项目监测过程中，地铁隧道沉降及水平位移是重点监测对象。负一层地下车库边线对应的地铁南京站至红山站区间隧道左、右线内每10米各布设1个沉降监测点，该范围沿线外延每20米布设1个沉降监测点，区间隧道左、右线各布设13个水平位移监测点。
（2）为有效指导现场施工，项目实施前，编制了详细的基坑工程及地铁隧道监测方案，并对基坑及隧道进行了系统的监测。监测期间，左线隧道最大隆起量为7.5mm，最大水平位移为2.1mm，右线隧道最大隆起量为8.6mm，最大水平位移为2.2mm，满足“地铁隧道位移不超过10mm”的限值要求，验证了地铁隧道设计、施工专项保护措施的合理性。
图4 覆土厚度与隧道直径关系示意图
5. 有限元模型分析验证
本项目结合工程地质条件、周边环境和实测数据，建立了以基坑边线向外平面范围7倍开挖深度（约45m），地面至隧道底部向下4倍开挖深度（约26m ）范围的ANSYS有限元模型，通过与最终监测数据的对比分析，模型计算的位移结果与实测值结果变化趋势总体一致，最大误差在20%以内，该模型可视为合理、可靠。
在此基础上，通过有限元计算，进一步分析了不同工况和不同因素对基坑开挖后地铁隧道变形的影响，以便为类似工程提供指导借鉴：
5.1 覆土厚度的影响。
（1）保持开挖深度不变，随着覆土厚度的增加，隧道的隆起量逐渐减小，坑底的隆起量逐渐增大，但变化幅度均有减小趋势（图4）。
（2）根据计算结果，当隧道上方覆土厚度小于1D（D为隧道直径）时，基坑开挖对隧道隆起量有较大的影响，隧道位移变形超过5.5mm，可视为“强影响区”。而当隧道上方覆土厚度大于1D时，隧道隆起量小于5.0mm，可视为“弱影响区”。
5.2 开挖顺序的影响。
（1）在其他条件不变的前提下，通过对不同开挖顺序条件下的基坑开挖对隧道的影响规律进行了分析。
（2）根据计算结果，顺序开挖引起的隧道隆起量比间隔开挖大1mm左右，说明间隔开挖对下卧隧道的影响相对较小，可应用于实际工程中。
5.3 开挖尺寸的影响。
（1）改变基坑开挖的尺寸大小，分析用不同的尺寸大小开挖相同的基坑对下卧隧道的隆起量影响。
（2）根据计算结果，随着开挖尺寸的减小，下卧隧道竖向位移也逐渐减小，但是速率逐渐下降，分2D（隧道直径）开挖和1.5D开挖时，对隧道的影响差异已在5%以内。因此，分块开挖能有效控制隧道竖向位移，但过小的开挖尺寸并不经济，宜控制在2倍隧道直径。
5.4 地基加固范围影响。
（1）在其他条件不变的前提下，通过对不同水平地基加固范围条件下的基坑开挖对隧道的影响规律进行了分析。
（2）计算结果表明，增加隧道上方地层平面的加固范围，隧道隆起量有减小趋势，但影响较小。而随着加固范围的增加，可以有效的改变基坑开挖范围内坑底的隆起量。分析其原因主要在于，本项目基坑底部与隧道之间主要地层地质条件较好，地基加固对土体强度提高贡献不大。
5.5 地质条件的影响。
（1）在其他条件不变的前提下，对不同地质条件下基坑开挖对隧道的影响规律进行了分析。
（2）计算结果表明，当改变隧道底到地面的土体模量时，坑底和隧道隆起量有显著变化。随着土体模量的增加，坑底和隧道隆起量均有减小。
6. 结论
本文结合南京火车站北广场地下项目，在工程实践基础上，利用实际监测数据和数值分析手段，系统地分析了深基坑跨越条件下的浅埋隧道变形的各种影响因素，并提出相关设计与施工建议，为类似项目提供借鉴。得出结论如下：
（1）设计时，在满足结构使用功能的前提下，隧道上方覆土厚度宜控制在一倍隧道直径以上。
（2）根据地质条件，选择合理的加固方法及参数，可采用预埋注浆管等方式，根据开挖监测情况确定是否需注浆加固。
（3）在地铁上跨基坑开挖过程中，应沿地铁纵向分条带开挖，本工程地质条件下，以2倍隧道直径为条带进行分步隔仓开挖。
（4）在隧道两侧地下室区域开挖前，应先施工隧道顶部主体结构底板，并与两侧支护桩锚接形成刚度较大的门式刚架，以减小两侧基坑开挖引起的地铁隧道侧向变形。
（5）施工过程中，应加强对受影响隧道、基坑支护结构、主体结构等内容监测，根据监测结果及时调整施工工艺、开挖步序，并做好相应应急准备工作。