外灘通道對下臥大直徑隧道的開挖影響分析

謝 明，姚 堅，孫 巍

（上海市政工程設(shè)計研究總院，上海市200092）

0 引言

在軟土地層中開挖基坑引起的基坑隆起，導(dǎo)致下方已有建構(gòu)筑物的變形，從而對其使用功能和安全性產(chǎn)生影響甚至造成嚴(yán)重危害[1-2]。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，近年來越來越多的基坑工程騎跨于已運(yùn)行地鐵隧道之上，例如已經(jīng)完工的上海東方路下立交工程[3]、上海廣場基坑工程、新世界商廈基坑工程、上海新金橋廣場基坑工程，正在建設(shè)中的上海東西通道三穿地鐵2號線工程，在這些工程中依靠有針對性的設(shè)計，施工中遵循“時空效應(yīng)”原理，輔以適當(dāng)?shù)耐馏w加固，運(yùn)營中的隧道得到了較好的保護(hù)。然而，地鐵隧道的直徑僅為6.2 m左右，而本文中，延安東路隧道的直徑約10 m，為大直徑隧道，上跨外灘通道坑深約10 m，坑底距隧道頂最近處僅5 m，對于10 m直徑的越江公路隧道的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏共識。該工程在借鑒類似上跨地鐵隧道基坑工程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究，分析深基坑開挖對大直徑隧道的影響及隧道本體的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)地進(jìn)行基坑設(shè)計。

1 工程概況

1.1 外灘通道上跨延安東路隧道節(jié)點(diǎn)概述

外灘通道斷面為上下雙層，結(jié)構(gòu)凈寬9.55 m，通道底板厚度為800 mm；與延安路南線隧道相交處通道底板底面標(biāo)高為-7.115 m，與延安路北線隧道相交處通道底板底面標(biāo)高為-7.061 m。北線隧道正上方的基坑開挖平均深度約為10.3 m，通道底板與延安路北線隧道頂最小距離約5.24 m；南線隧道正上方的基坑開挖平均深度為10.1 m，通道底板與延安路南線隧道頂最小距離約6.90 m。外灘通道工程跨越延安路隧道區(qū)域，相互關(guān)系見圖 1、圖 2。

圖1 地下通道與延安路隧道平面關(guān)系

延安路北線隧道結(jié)構(gòu)采用單層裝配式鋼筋混凝土襯砌，襯砌內(nèi)徑為9.9 m，厚度0.55 m，每一米寬的襯砌下部設(shè)兩根下拉桿。整環(huán)共分為8塊，由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和5塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成，封頂塊采用全縱向插入方式。采用通縫拼裝的方式，襯砌環(huán)之間采用32根M36的環(huán)向螺栓相連接。南線隧道結(jié)構(gòu)采用了與北線隧道同樣的襯砌結(jié)構(gòu)型式，但取消了下拉桿的設(shè)置。不過北線拉桿的作用在考慮特殊荷載下起作用，從安全計，計算中不予考慮。

縱縫中防水采用氯丁橡膠密封墊，接縫防水控制指標(biāo)為：在0.8 MPa水壓下，錯位15 mm，縱縫張開8 mm，環(huán)縫張開5 mm。

由于延安路南北線隧道處于同樣的土層中，且在施工通道中，北線隧道的覆土要淺于南線隧道，加之北線隧道施工較南線隧道早好幾年，因此顯而易見，北線隧道結(jié)構(gòu)在施工中的危險性要高于南線隧道結(jié)構(gòu)。在本文分析中，主要針對北線隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)條件

擬建工程沿線場地標(biāo)高-74.64 m范圍內(nèi)土層由第四系全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)沉積地層組成。各土層分布詳見圖3。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

工程沿線陸域淺部土層中的地下水類型為潛水?？碧狡陂g測得潛水穩(wěn)定水位埋深為0.90～2.50 m（絕對標(biāo)高為0.81～2.66 m），平均埋深為1.55 m（平均標(biāo)高為1.76 m）。

工程沿線場地揭示的承壓水分布于⑦（⑦1、⑦2）層和⑨層中，⑦層為上海市第一承壓含水層，根據(jù)實(shí)測資料，⑦層承壓水水位埋深為5.35～10.31 m（絕對標(biāo)高為-2.26～-7.23 m）。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計

1.3.1 施工分區(qū)

為保護(hù)延安路隧道，該段基坑采用劃大為小的原則，將通道基坑分為五個施工區(qū)，如圖4所示，由南向北分別為 4A、4B1、4B2、4B3、4B4，其中延安東路隧道南線、北線分別位于4B1、4B3區(qū)，施工順序按與施工單位協(xié)調(diào)后工程籌劃為4B2→4A→4B4→4B1→4B3，各分區(qū)間采用Φ1000@800鉆孔咬合樁隔斷墻。

1.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案

基坑采用明挖順做施工，采用鉆孔灌注樁＋三軸攪拌樁截水帷幕方案，后結(jié)合現(xiàn)場清障要求，經(jīng)各方討論后確定為Φ1000@800鉆孔咬合樁+Φ650@450三軸攪拌樁帷幕方案，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土圈梁，豎向設(shè)置一道混凝土支撐及二道鋼管撐，混凝土支撐水平間距約6～7 m，鋼管支撐水平間距約3.6 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面見圖5。

受基坑下延安路隧道的限制，南北線隧道上方圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部設(shè)于延安路隧道頂0.8 m，插入比小于0.5。為減少相鄰基坑開挖對延安路隧道的影響，各分區(qū)間隔斷樁樁底位于延安路隧道底以下2.5～3.5 m，底標(biāo)高 -27.00 m，并為滿足隧道上方通道抗浮要求，在隔斷樁內(nèi)部分加長至-40.00 m。

2 基坑施工對延安東隧道影響分析

上部土體卸載對下臥隧道的影響表現(xiàn)在以下三個方面：（1）對隧道管片內(nèi)力產(chǎn)生影響；（2）引發(fā)隧道縱向不均勻沉降；（3）隧道橫斷面變形。

2.1 環(huán)向隧道結(jié)構(gòu)計算

2.1.1 計算模型

按自由變形的彈性勻質(zhì)圓環(huán)計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。在計算中重要考慮的荷載有兩大部分，第一部分為通常隧道結(jié)構(gòu)計算荷載，第二部分為外灘通道施工時的卸荷，最終的結(jié)果是第一和第二部分計算結(jié)果的疊加值。

2.1.2 內(nèi)力計算及結(jié)果介紹

通過對封頂塊的裂縫開裂寬度和襯砌塊接頭螺栓強(qiáng)度進(jìn)行驗算，表明了考慮施工影響后的隧道結(jié)構(gòu)環(huán)向內(nèi)力滿足安全要求（見表1）。

表1 疊加后結(jié)果

2.2 隧道結(jié)構(gòu)縱向影響計算

2.2.1 計算模式

位于軟弱土層中的隧道，當(dāng)隧道上方增加地面荷載或卸載時，會敏感地增加隧道變形和不均勻變形。當(dāng)隧道下部壓縮土層較軟弱時，則隧道增加的變形和不均勻變形更大。隧道局部荷載作用下分析簡圖見圖6。

圖中q為增加的隧道局部荷載值，r為局部荷載作用范圍，k、G代表均勻地層的基床系數(shù)和剪切模量。q=p×D，p為作用在隧道上的荷載，單位是kPa;D為隧道直徑。

2.2.2 計算結(jié)果及分析

延安東路隧道的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)見表2。

表2 延安東路隧道的結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)

在綜合考慮盾構(gòu)推進(jìn)所產(chǎn)生的地層損失對盾構(gòu)隧道所造成不均勻沉降影響后，通過上述模型及參數(shù)的分析，得到隧道一次等效彎曲剛度Eeq=3.79e8kN·m-2,彈性極限彎矩 My=8.17e4kN·m，相應(yīng)的隧道極限曲率半徑ρ=4.64e3m。

通過后述連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值模擬，由于上部基坑開挖在隧道豎截面內(nèi)所產(chǎn)生的附加彎曲變形曲率半徑為107 399 m，經(jīng)過計算分析，隧道縱向螺栓的所產(chǎn)生的附加應(yīng)力不超過螺栓允許應(yīng)力的10.0%。在綜合考慮其它不利因素影響后，可以認(rèn)為基坑開挖卸載后的隧道結(jié)構(gòu)的安全是有保障的。另外，通過對縱向接縫的最大張開量進(jìn)行分析，接縫張開量小于8 mm。

2.3 連續(xù)介質(zhì)三維有限元計算

由于基坑施工邊界的復(fù)雜性，很難通過解析的方法來求解基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，數(shù)值方法則為這種問題的求解提供了有力的工具。報告中對整體結(jié)構(gòu)的分析采用了連續(xù)介質(zhì)有限元法進(jìn)行計算分析，考慮土體、樁基和隧道之間的相互作用，將它們作為一個整體結(jié)構(gòu)考慮[4]。

2.3.1 三維有限元計算模型

抽象出的三維模型總尺寸為110 m×60 m×70 m。模型中，鉆孔咬合樁、混凝土支撐、鋼支撐、隧道襯砌以及通道混凝土結(jié)構(gòu)按各向同性彈性材料考慮。土體按理想彈塑性體對待，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，通過單元的“生死”實(shí)現(xiàn)土體開挖、結(jié)構(gòu)施作等施工過程。模型網(wǎng)格如圖7所示。

2.3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形

（1）豎向位移

圖8給出了延安東路隧道南北線襯砌結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)豎向位移隨施工模擬工況步的變化情況。北線隧道特征點(diǎn)最終豎向位移為15.76 mm，南線隧道特征點(diǎn)最終豎向位移為16.25 mm。

（2）水平位移

水平位移的量值均在毫米級，最大值約為1.89 mm，遠(yuǎn)小于豎向變形值，不會對隧道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。因此，豎向位移值才是控制隧道襯砌變形的主要因素。

（3）縱向變形

圖9、圖10分別給出了豎向位移發(fā)生極值工況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)上表面沿縱向的變形圖，北線最大差異變形為4.19 mm，相對彎曲1/14 320，縱向變形曲線曲率半徑107 399 m；南線最大差異變形為2.85 mm，相對彎曲1/21 052，縱向變形曲線曲率半徑157 894 m。

圖9 北線隧道襯砌沿縱向的豎向位移變形圖

圖10 南線隧道襯砌沿縱向的豎向位移變形圖

2.3.3 保護(hù)性設(shè)計施工措施的數(shù)值分析

在設(shè)計施工方案中，采用的保護(hù)性設(shè)計施工措施主要有：（1）加大封堵墻的插入深度；（2）土體加固；（3）設(shè)置抗拔樁；（4）抽條開挖。通過對以上措施的有限元計算，以計算結(jié)果數(shù)據(jù)來分別說明各措施采用后對延安東路隧道的保護(hù)效果。以下分析均以北線隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生位移極值的特征點(diǎn)的豎向位移作為考察物理量，圖11～圖14給出了比較結(jié)果。

3 延安東路隧道保護(hù)控制指標(biāo)

隧道的實(shí)際安全性態(tài)主要取決于管片接頭的安全性態(tài)，隧道接縫的張開量的大小對隧道的防水及隧道安全運(yùn)營產(chǎn)生重要影響，引發(fā)隧道接縫張開量不斷發(fā)展的主要原因是由于隧道的縱向不均勻沉降，且縱向不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力集中對管片連接螺栓的受力十分不利，因此控制隧道的縱向沉降及隧道的曲率半徑對控制隧道的防水和結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

從工程類比角度分析，眾所周知，對于地鐵區(qū)間隧道，在已建隧道兩側(cè)頂上進(jìn)行加載或卸載建筑施工時，必須滿足如下隧道保護(hù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）任意點(diǎn)的附加位移和沉降小于等于2 cm。

（2）施工引起的隧道的附加曲率半徑大于15 000 m，相對彎曲小于1/2 500。

這一標(biāo)準(zhǔn)已用于西藏南路隧道等工程的隧道保護(hù)，取得了一定的成功經(jīng)驗。

在長江隧道工程項目中，長江隧橋公司提出了隧道結(jié)構(gòu)變形為+1 cm～-1 cm，且工后沉降小于1.5 cm的控制標(biāo)準(zhǔn)。這里雖然考慮了預(yù)先留軌道交通的因素，但將施工與工后沉降疊加可達(dá)2.5 cm。長江隧道直徑為15.0 m，而延安路隧道結(jié)構(gòu)直徑為11.0 m，從力學(xué)角度類比，延安路隧道結(jié)構(gòu)可以承受2.5 cm以下的絕對沉降。

考慮到延安路隧道為公路隧道，因此，其對路線變形的限制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該小于軌道交通。

在本項目中，通過前述的計算分析可知，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降小于3cm時，其接縫張開量小于2mm，加上因施工誤差使接縫張開的3 mm，可滿足環(huán)向接縫防水要求；對于縱向而言，由于線路誤差使接縫張開3 mm，施工階段受力又使得接縫張開3 mm，要使得隧道縱向曲率半徑也滿足縱向接縫防水要求，隧道縱向曲率半徑僅需大于4 680 m；對強(qiáng)度而言，10 000m隧道縱向曲率半徑即可滿足螺栓強(qiáng)度要求。

考慮到施工部門已廣泛了解了地鐵隧道保護(hù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且在考慮適當(dāng)?shù)陌踩珒浜螅纱_定延安東路隧道的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）任意點(diǎn)的隆起小于等于2 cm。

（2）施工引起的隧道的附加曲率半徑大于15 000 m。

4 結(jié)論

（1）通過環(huán)向隧道結(jié)構(gòu)計算和分析，對裂縫開裂寬度和襯砌接頭螺栓強(qiáng)度進(jìn)行驗算，表明了考慮施工影響后的隧道結(jié)構(gòu)環(huán)向內(nèi)力滿足安全要求。

（2）通過縱向隧道結(jié)構(gòu)計算和分析，得到隧道彈性極限彎矩My=8.17e4kN·m，相應(yīng)的隧道極限曲率半徑ρ=4 640 m。

（3）建立連續(xù)介質(zhì)三維有限元計算，計算得到北線隧道特征點(diǎn)最終豎向位移為15.76 mm，南線隧道特征點(diǎn)最終豎向位移為16.25 mm；水平位移很小，不會對隧道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響；縱向差異位移，北線為4.19 mm，相對彎曲1/14 320，縱向變形曲線曲率半徑107 399 m，南線為2.85 mm，相對彎曲1/21 052，縱向變形曲線曲率半徑157 894 m。此外通過計算比較，發(fā)現(xiàn)將長條基坑化整為零，形成小基坑實(shí)施，對控制下臥隧道變形是有利的；采用封堵墻加深、土體加固、抽條開挖、設(shè)抗拔樁等措施可以在很大程度上控制下臥隧道的位移變形，抗拔樁的設(shè)置對豎向位移的控制作用非常明顯。

（4）通過研究，確定延安東路隧道的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為：任意點(diǎn)的隆起小于等于2 cm；施工引起的隧道的附加曲率半徑大于15 000 m；而在基坑開挖施工影響下，計算得到的結(jié)果均滿足該保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

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