砂卵石地層地鐵隧道上方基坑開挖卸載影響與對(duì)策分析

戴志仁, 王天明, 杜 宇, 汪 珂, 向 陽

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710043)

砂卵石地層地鐵隧道上方基坑開挖卸載影響與對(duì)策分析

戴志仁1, 2, 王天明1, 2, 杜 宇1, 汪 珂1, 向 陽1

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710043)

在富水砂卵石地層條件下，地鐵盾構(gòu)隧道上方基坑大范圍開挖卸載會(huì)對(duì)下臥盾構(gòu)隧道產(chǎn)生不利影響。為確保地鐵運(yùn)營安全，對(duì)下臥盾構(gòu)隧道隆起與變形趨勢(shì)進(jìn)行研究，從減小基坑開挖卸載的影響程度與增大隧道縱向剛度2方面著手，通過在盾構(gòu)隧道內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索、軌道道床內(nèi)設(shè)置暗梁結(jié)構(gòu)并與管片疊合處理以及臨時(shí)槽鋼縱向固定等措施的綜合應(yīng)用，減小縱向不均勻變形趨勢(shì)，同時(shí)采用管幕法超前支護(hù)形成壓頂梁，并對(duì)上方基坑開挖采用“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的基本原則，將盾構(gòu)隧道的變形控制在毫米級(jí)范圍，滿足了地鐵正常運(yùn)營要求。

砂卵石地層； 基坑開挖； 卸荷； 地鐵隧道； 隧道管片； 預(yù)應(yīng)力錨索； 疊合構(gòu)件

0 引言

近年來，隨著國家新一輪基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃在各地的逐步落實(shí)，城市軌道交通建設(shè)又迎來了新一輪建設(shè)高潮，同時(shí)城市軌道交通周邊環(huán)境的保護(hù)問題更需要引起重視[1]。為確保地鐵運(yùn)營安全，地鐵隧道周邊50 m范圍內(nèi)屬于建設(shè)控制地帶，鄰近3 m范圍內(nèi)不能進(jìn)行任何工程建設(shè)[2]；但由于地鐵運(yùn)營可顯著帶動(dòng)周邊地塊價(jià)值的上升，地鐵隧道正上方或鄰近工程的建設(shè)屢見不鮮[3]，對(duì)地鐵的正常運(yùn)營形成安全隱患。劉淼[4]對(duì)西安地鐵出入段線上跨盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行研究，明確了基坑開挖與回填對(duì)下臥盾構(gòu)隧道的卸載與加載效應(yīng)影響較大；李平等[5]提出了可利用坑底地層加固與抗浮板樁相結(jié)合的措施，抑制下方隧道的隆起位移；李瑛等[6]對(duì)基坑下臥地鐵隧道的變形進(jìn)行了研究，提出了坑底地層加固與分層分塊開挖的控制措施；于加新[7]提出了軟土地層基坑開挖引起坑底的回彈變形量的估算方法；俞縉等[8]肯定了基坑底部地層加固處理對(duì)抑制下方隧道隆起的控制效果；王俊等[9]指出用作隧道上方高層建筑荷載轉(zhuǎn)換構(gòu)件的支撐樁傳遞的水平向荷載對(duì)隧道襯砌而言屬于有利荷載。

縱觀國內(nèi)外文獻(xiàn)資料與工程案例，地鐵與其他市政工程或地塊開發(fā)建設(shè)的協(xié)調(diào)問題，一般應(yīng)在規(guī)劃階段予以解決。本文基于富水砂卵石地層條件下，成都地鐵某盾構(gòu)隧道，面臨上方市政框架隧道施工，市政框架隧道基坑開挖期間，下臥盾構(gòu)隧道覆土將由14 m減少至2.1 m，卸載比超過80%，隧道完全位于基坑底部卸載影響范圍內(nèi),將從減小基坑開挖卸載影響程度、提高隧道抵抗縱向不均勻變形能力2方面著手，將基坑開挖期間下臥盾構(gòu)隧道的變形控制在毫米級(jí)范圍。

1 工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

成都地鐵某區(qū)間隧道主要分布在富水砂卵石地層，在里程DK17+360～+400內(nèi)穿越寶成鐵路(咽喉區(qū))。隧道拱頂埋深10.8～17.8 m，鐵路咽喉區(qū)涉及6股道，碎石道床。地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。地下常水位約為-6 m。在管棚施工期間，需將水位降至-20 m(群井降水要求)。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

地鐵建成通車后，對(duì)鐵路咽喉區(qū)進(jìn)行改造，同時(shí)市政框架隧道也將同步實(shí)施。市政基坑平面尺寸為53 m×59 m，盾構(gòu)隧道與基坑底部最小豎向凈距為2.1 m(基坑開挖深度為11.9 m)，具體如圖1—3所示。

圖1 區(qū)間縱斷面示意圖(單位： m)

圖2 基坑與隧道平面關(guān)系圖(單位： m)

圖3 地鐵隧道與市政框架隧道斷面關(guān)系圖

1.2安全控制標(biāo)準(zhǔn)

為確保地鐵正常運(yùn)營與公眾安全，基于既有工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)規(guī)范[10-11]，同時(shí)考慮到富水砂卵石工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺，從嚴(yán)制定了已運(yùn)營盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，具體如表2所示。

表2 已運(yùn)營地鐵安全控制標(biāo)準(zhǔn)

2 基坑開挖卸載影響分析

本工程基坑開挖深度約為12 m，由于隧道與坑底距離較近，坑底的變形在一定程度上可以體現(xiàn)盾構(gòu)隧道的變形情況，現(xiàn)有條件無法保證地鐵隧道運(yùn)營期的安全。

卸荷模量Euf與土體應(yīng)力路徑密切相關(guān)，具體可用式(1)和式(2)表示。

(1)

(2)

對(duì)于本工程而言，當(dāng)基坑開挖深度為12 m時(shí)，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)和式(2)，相應(yīng)的卸荷模量約為35.2 MPa，與卵石土的變形模量(中密卵石土可按30 MPa考慮)基本相當(dāng)，這可能是基坑開挖后坑底地層存在回彈隆起趨勢(shì)的主要原因。

既有研究表明，基坑開挖必將導(dǎo)致坑底土體卸載，在軟塑性黏土地層條件下，坑底土體回彈量可達(dá)到基坑開挖深度的0.5%H～1.0%H。成都地區(qū)富水卵石土地層，由于土體壓縮模量與卸載模量相差不大，同時(shí)卸載模量較大，坑底土體隆起變形相對(duì)較小。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，坑底隆起變形不超過開挖深度的2.0‰。即在常規(guī)設(shè)計(jì)方案(即未采取特殊保護(hù)措施的基坑設(shè)計(jì)方案)與施工技術(shù)水平條件下，本工程基坑底部隆起變形最大值約為24 mm(數(shù)值計(jì)算相關(guān)分析詳見第5部分)，對(duì)應(yīng)的隧道豎向位移最大值已經(jīng)超出表2的控制要求(14 mm>10 mm)。常規(guī)方案下坑底與隧道豎向位移等值線圖如圖4所示。

圖4 常規(guī)方案下坑底與隧道豎向位移等值線圖(單位： m)Fig. 4 Contour map of longitudinal displacements of foundation pit bottom and tunnel(unit: m)

3 盾構(gòu)隧道縱向剛度加強(qiáng)措施及其效果評(píng)價(jià)

由于管片環(huán)縱向接縫的存在，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道的縱向剛度相對(duì)較小，容易出現(xiàn)縱向不均勻變形。在采取管片加強(qiáng)配筋、提高接縫螺栓等級(jí)的情況下，如何進(jìn)一步提高隧道縱向剛度，提高縱向不均勻荷載的承載能力，是本工程必須要解決的核心問題。

3.1超前管幕及其壓頂梁實(shí)施效果

區(qū)間隧道下穿鐵路咽喉區(qū)，采用管幕法超前支護(hù)，確保盾構(gòu)掘進(jìn)引起的擾動(dòng)與地層損失在可控范圍內(nèi)。地鐵隧道上方管幕布置斷面如圖5所示。

圖5 地鐵隧道上方管幕布置斷面圖(單位： cm)Fig. 5 Cross-section showing layout of pipe curtain above metro tunnel (unit: cm)

由圖5可知： 管幕縱向長度為51.5 m，直徑為800 mm，間距為850 mm，上下設(shè)置2道，下穿框架隧道底板以下與隧道拱頂左右180°范圍內(nèi)設(shè)置，管幕間設(shè)置鎖扣，總計(jì)67根，在橋墩基坑內(nèi)由南向北打設(shè)。管幕打設(shè)完畢后，在內(nèi)灌注微膨脹水泥砂漿，加強(qiáng)縱向剛度。

在基坑開挖期間，實(shí)施分塊、分層、分區(qū)域開挖，已實(shí)施管幕可在一定程度上起到壓頂梁的作用，從而限制基坑下方隧道的隆起變形趨勢(shì)。

3.2抗拔錨索設(shè)置及其效果評(píng)估

基于成都地鐵盾構(gòu)管片限界條件，在建筑限界與隧道內(nèi)徑之間僅預(yù)留了100 mm的富余。為確保地鐵運(yùn)營安全，所有的附加措施不能突破此預(yù)留空間。

針對(duì)性地提出預(yù)應(yīng)力錨索處理措施，即每環(huán)管片設(shè)置7個(gè)張拉點(diǎn)(相應(yīng)位置管片需要預(yù)留孔洞條件)，100 m范圍內(nèi)共計(jì)933個(gè)張拉點(diǎn)，每根錨索長約10 m，固定端長約8 m。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置斷面如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置斷面圖

預(yù)應(yīng)力錨索屬于柔性結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上抑制隧道的隆起變形，但無法從根本上消除隧道的隆起趨勢(shì)，通過計(jì)算分析，每個(gè)位置處設(shè)置3根直徑15.2 mm鋼絞線。預(yù)應(yīng)力錨索如圖7所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索詳圖

3.3道床內(nèi)縱向暗梁與疊合式構(gòu)件

道床結(jié)構(gòu)一般是在隧道洞通后澆筑的，雖與拱底處隧道結(jié)構(gòu)緊密接觸，但兩者之間并不存在剪力與彎矩的傳遞，可按常規(guī)復(fù)合式構(gòu)件考慮，故道床結(jié)構(gòu)型式對(duì)隧道的縱向整體剛度影響不大。

道床基礎(chǔ)主要承受來自列車運(yùn)營產(chǎn)生的豎向荷載，橫向受力為主，縱向受力為輔，故縱向可按構(gòu)造配筋考慮。通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)配筋，形成縱向暗梁結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)縱向剛度。對(duì)道床基礎(chǔ)與拱底處隧道接觸部位進(jìn)行界面處理，先將隧道內(nèi)表面進(jìn)行鑿毛處理，隨后涂刷環(huán)氧樹脂，最后澆筑道床基礎(chǔ)，將道床基礎(chǔ)與隧道粘合為一個(gè)整體構(gòu)件，形成具有整體承載效應(yīng)的疊合式構(gòu)件。特殊減振道床整體情況如圖8所示。道床內(nèi)暗梁設(shè)置示意如圖9所示。

圖8 特殊減振道床整體情況

圖9 道床內(nèi)暗梁設(shè)置示意圖

道床基礎(chǔ)采用C40混凝土，縱向采用28根φ20 mm的HRB400E級(jí)螺紋鋼，最大程度提高其縱向剛度。

3.4隧道縱向槽鋼拉結(jié)方案

在隧道運(yùn)營期間，為進(jìn)一步加強(qiáng)縱向剛度抵抗不均勻荷載的能力，在隧道內(nèi)部設(shè)置縱向槽鋼(主要在“10點(diǎn)鐘”與“2點(diǎn)鐘”方向)，每段槽鋼長約9 m，采用I22b槽鋼(截面高度為79 mm，滿足限界要求)。隧道內(nèi)槽鋼拉結(jié)實(shí)景如圖10所示。

圖10 隧道內(nèi)槽鋼拉結(jié)實(shí)景圖

槽鋼主要通過管片螺栓孔進(jìn)行固定，具體位置可能會(huì)根據(jù)螺栓孔進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于管片采用預(yù)埋滑槽的隧道而言，可實(shí)現(xiàn)任意角度槽鋼的縱向拉結(jié)。

4 基坑開挖卸載控制措施研究

在地層條件、基坑深度一定的情況下，基坑支護(hù)與開挖方式對(duì)坑底地層的卸載與隆起趨勢(shì)起到控制性作用。1)必須結(jié)合建設(shè)工期、基坑深度、地層條件，基于分層、分塊、分區(qū)域的理念，嚴(yán)格按照“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的原則開挖，同時(shí)采用“樁+內(nèi)支撐”支護(hù)方式; 2)隧道正上方6 m范圍內(nèi)土體開挖設(shè)置試驗(yàn)段，視監(jiān)測(cè)情況確定相應(yīng)處理方案; 3)在基坑施工期間，地下水位需控制在隧道結(jié)構(gòu)底板以下1 m。隧道上方基坑分區(qū)域開挖示意如圖11所示。

圖11 隧道上方基坑分區(qū)域開挖示意圖Fig. 11 Sketch of longitudinal segmentation excavation of foundation pit

市政通道基坑分為南北2部分實(shí)施，南段基坑在地鐵隧道施工前完成，北段基坑由西向東分為4部分(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)開挖。

步驟1： 北段第Ⅰ部分基坑開挖。圍護(hù)樁施工、施工降水、基坑分層開挖(2 m/層)，施作主體結(jié)構(gòu)。

步驟2： 北段第Ⅱ部分基坑開挖可參考第Ⅰ部分。

步驟3： 北段第Ⅲ部分基坑開挖。分層開挖至基坑底部以上6 m，坑底以上6 m范圍內(nèi)土體采用豎向分層、縱向分段方式開挖(設(shè)置6 m長試驗(yàn)段)。隧道上方6 m覆土基坑開挖試驗(yàn)段示意如圖12所示。

圖12 隧道上方6 m覆土基坑開挖試驗(yàn)段示意圖(單位： mm)Fig. 12 Sketch of excavation test of foundation pit 6 m above tunnel (unit: mm)

步驟4： 北段第Ⅳ部分基坑開挖可參考第Ⅲ部分。

5 數(shù)值模擬分析

為確保地鐵運(yùn)營安全，采用MIDAS/GTS進(jìn)行模擬分析，模型尺寸為320 m×110 m×56 m(長×寬×高)，共由60萬4 154個(gè)單元、57萬1 573個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，采用位移邊界條件，數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)如下。

1)本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫侖，地層采用實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)隧道與市政框架隧道結(jié)構(gòu)采用梁板單元模擬，管棚與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用植入式錨桿單元模擬。

2)隧道上半斷面注漿加固通過地層力學(xué)參數(shù)的改變來體現(xiàn)，按水泥土參數(shù)考慮。

3)道床線荷載按17.5 kN考慮。

4)盾構(gòu)管片采用C50鋼筋混凝土，預(yù)應(yīng)力錨索采用3φ15.2 mm鋼絞線，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm@2 000 mm，C35灌注樁(圍護(hù)樁嵌入比為0.3)，內(nèi)支撐采用φ169 mm鋼管撐。

三維計(jì)算模型和最不利斷面處計(jì)算模型如圖13所示。

5.1豎向位移等值線圖

基坑開挖完成后的豎向位移等值線圖如圖14所示?；娱_挖中下臥盾構(gòu)隧道豎向位移變化如表3所示。

由圖14和表3可知： 通過綜合運(yùn)用多種措施，最終將隧道正上方基坑開挖卸載的影響控制在毫米級(jí)(隧道拱頂最大隆起值為9.6 mm，拱底最大隆起值為7.5 mm)，達(dá)到了規(guī)范的控制要求，滿足了地鐵安全運(yùn)營的要求。

同時(shí)，通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，沿隧道縱向，任意10 m范圍內(nèi)差異變形不大于4 mm，滿足了縱向變形曲率≤1/2 500的要求。

(a) 三維計(jì)算模型

(b) 最不利斷面處計(jì)算模型

圖14 東側(cè)輔道基坑開挖完成時(shí)豎向位移等值線(單位： m)Fig. 14 Contour map of vertical displacement of tunnel after east foundation pit excavation (unit: m)

表3基坑開挖中下臥盾構(gòu)隧道豎向位移變化
Table 3 Vertical displacements of tunnel during excavation of upper foundation pit

mm

5.2錨索應(yīng)力分析

東側(cè)輔道基坑開挖完成后(最不利工況)，預(yù)應(yīng)力錨索的軸力如圖15所示。

圖15 錨索軸力分析(單位： kN)Fig. 15 Axial force analysis of prestressed anchor rope (unit: kN)

由圖15可知: 基坑開挖完成后，預(yù)應(yīng)力錨索軸力最大值將近100 kN，小于錨索承載能力。

5.3管片內(nèi)力與配筋分析

東側(cè)輔道基坑開挖完成后(最不利工況)，盾構(gòu)隧道管片內(nèi)力與配筋情況如圖16、圖17和表4所示。

圖16 管片彎矩圖(單位： kN·m)Fig. 16 Bending moment diagram of tunnel segment (unit: kN·m)

圖17 管片軸力圖(單位： kN)

管片部位內(nèi)力彎矩/(kN·m)軸力/kN配筋/mm2計(jì)算實(shí)際拱頂30．5249．1600拱腰47．6114．3600拱底82．6383．99101625(8@16mm)

由圖16、圖17和表4可知： 基坑開挖完成后，盾構(gòu)隧道管片最大內(nèi)力值出現(xiàn)在隧道拱底附近，相應(yīng)最大彎矩值為82.6 kN·m，最大軸力值為383.9 kN，每延米配筋為8@16 mm，即1 625 mm2即可滿足要求。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，基坑開挖卸載會(huì)導(dǎo)致下臥盾構(gòu)隧道內(nèi)力出現(xiàn)一定的偏轉(zhuǎn)(向基坑方向)，尤其是右線隧道彎矩值(見圖16)，這會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)位置處管片縱縫接觸方式發(fā)生變化： 拱頂處接縫內(nèi)側(cè)張開量會(huì)減小甚至閉合，加劇管片的裂縫與破碎風(fēng)險(xiǎn)；接縫外側(cè)張開量會(huì)增大，不利于接縫防水，在實(shí)際工程中應(yīng)引起重視。

6 結(jié)論與建議

本文基于成都地鐵某區(qū)間隧道工程建成通車后，上方基坑施工導(dǎo)致大范圍卸載，對(duì)下方已運(yùn)營地鐵隧道造成安全隱患，主要結(jié)論如下。

1)針對(duì)基坑開挖對(duì)下臥盾構(gòu)隧道的影響，可從減小基坑開挖卸載的影響(豎向分層、縱向分段、先支后挖，坑底以上6 m范圍內(nèi)土體單次開挖范圍大于2 m)、提高隧道抵抗縱向不均勻變形能力2個(gè)方面綜合考慮。

2)管幕法壓頂梁、抗拔錨索、道床內(nèi)縱向暗梁并與管片疊合處理措施，能在一定程度上增大盾構(gòu)隧道的縱向剛度，進(jìn)而減小基坑開挖卸載引起的隧道隆起變形。

3)基坑開挖卸載會(huì)引起下臥盾構(gòu)隧道內(nèi)力出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致相應(yīng)位置處管片縱縫接觸方式的變化，對(duì)管片裂縫控制與防水不利，故實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)處理，以免影響行車安全。

4)市政工程應(yīng)盡量在規(guī)劃階段統(tǒng)籌考慮，先期工程需為后期工程預(yù)留必要實(shí)施條件，本文研究結(jié)論可為類似工況下盾構(gòu)隧道預(yù)留后期工程實(shí)施條件提供參考，后續(xù)研究可進(jìn)一步從盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，以期提高盾構(gòu)隧道縱向整體剛度。

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InfluencesofUnloadingofFoundationPitExcavationonLowerMetroTunnelinSandy-gravelStrataandItsCountermeasures

DAI Zhiren1, 2, WANG Tianming1, 2, DU Yu1, WANG Ke1, XIANG Yang1

(1.ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi′an710043,Shaanxi,China; 2.KeyLaboratoryofShaanxiRailwayandUndergroundTrafficEngineering,Xi′an710043,Shaanxi,China)

The unloading of foundation pit excavation would affect the lower metro shield tunnel in water-rich and sandy-gravel strata. As a result, the deformation rules of the shield tunnel are studied in terms of reducing the influencing degree of unloading of foundation pit excavation on lower metro tunnel and increasing longitudinal stiffness of tunnel. The uneven longitudinal deformation of the tunnel is reduced by setting prestressed anchor rope in tunnel, setting hidden beam in the road bed and composited with segment and longitudinal fixing the U-steel. Meanwhile, the top beam is formed by advanced support of pipe curtain. The basic principle of vertical stratification, longitudinal segmentation and excavation after support is adopted for foundation pit excavation. The results show that the deformation of the tunnel has been effectively controlled and the normal operation of the metro has been guaranteed.

sandy-gravel strata; foundation pit excavation; unloading; metro tunnel; tunnel segment; prestressed anchor rope; composite structure

2017-06-20;

2017-08-28

陜西省2016年度科學(xué)研究與發(fā)展計(jì)劃(2016KCT-07)

戴志仁(1981—)，男，江蘇溧陽人，2010年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，隧道及地下建筑工程專業(yè)，博士，高級(jí)工程師，主要從事城市軌道交通工程設(shè)計(jì)與研究方面的工作。E-mail： dzrzss@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.008

U 45

A

1672-741X(2017)10-1255-07