鄰近工程施工對既有隧道的影響研究

□文 /朱勇士

地鐵正以準時高效、搭乘便捷、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，引領(lǐng)著城市現(xiàn)代化和一體化進程的不斷前行并成為人們出行的首選交通工具。隨著軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的拓展和完善，地鐵線路覆蓋范圍越來越廣，在帶動沿線經(jīng)濟發(fā)展和提高人們出行質(zhì)量的同時，也與沿線周邊地塊發(fā)生正穿、側(cè)穿和鄰近等多種關(guān)系。當(dāng)?shù)罔F線路穿越地塊時，地塊基坑開挖和施工降水將引起周邊土體應(yīng)力變化和地層變形，對地鐵區(qū)間隧道造成一定的影響，嚴重時將危及地鐵的正常運營。因此，鄰近地鐵工程施工時，如何準確分析和提前預(yù)測其對地鐵隧道的影響，需采取何種工程措施有效確保既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)和運營安全，已越來越引起工程建設(shè)人員的重視。

本文以上跨鄭州市軌道交通1號線地鐵區(qū)間隧道的鄭州綜合交通樞紐地下交通工程東廣場項目為例，運用三維數(shù)值模擬仿真分析方法并結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，重點研究了鄰近工程施工對既有地鐵區(qū)間隧道的影響。

1 工程概況

鄭州綜合交通樞紐地下交通工程東廣場項目位于鄭州東站站房東側(cè)，東四環(huán)以東，地下3層，基坑開挖深度約19 m。鄭州軌道交通1號線鄭州東站—博學(xué)路站盾構(gòu)隧道從東廣場中部東西向穿過，將東廣場項目分割為南北兩個地下廣場，依靠上跨地鐵區(qū)間隧道的三條南北向聯(lián)絡(luò)通道實現(xiàn)南北廣場地下空間的互通，見圖1。

圖1 東廣場項目及地鐵區(qū)間隧道總平面

南北廣場均采用地下連續(xù)墻支護體系，蓋挖逆作，地下連續(xù)墻距離隧道結(jié)構(gòu)邊約10.35 m；三條聯(lián)絡(luò)通道采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護體系，通道底距離既有隧道結(jié)構(gòu)頂最小凈距約4.1 m，見圖2。在東廣場項目實施前，鄭州軌道交通1號線已實現(xiàn)通車運營。

在東廣場項目施工前的現(xiàn)場踏勘過程中發(fā)現(xiàn)，區(qū)間隧道正上方存在大量堆土且位于東廣場項目實施范圍內(nèi)。堆土沿隧道縱向長約200 m，最高處約10 m，區(qū)間隧道正上方堆土高度約7 m，見圖3。聯(lián)絡(luò)通道施工時需清除土堆。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道與地鐵隧道橫斷面位置關(guān)系

圖3 隧道上方堆土

2 工程及水文地質(zhì)情況

擬建場地所處地貌單元為黃河沖積泛濫平原，周邊原為耕地，隨著鄰近工程建設(shè)的陸續(xù)進行，場地現(xiàn)堆放大量棄土，高度約7～10 m，地形起伏較大，最大高差12 m。依據(jù)鉆探、靜力觸探及土工試驗成果，根據(jù)土體物理力學(xué)性質(zhì)及工程地質(zhì)特性將本場地土分為12個地質(zhì)單元層，從上到下依次為:雜填土、粉土夾粉砂、粉質(zhì)粘土、粉土夾粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細砂、粉質(zhì)粘土細砂粉質(zhì)粘土、細砂、粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土。場地地層主要物理力學(xué)參數(shù)指標見表1。

表1 地層主要物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

場地勘探深度內(nèi)含水層分為兩層，即上層潛水層和下層承壓水層。潛水主要賦存于16.0～18.0 m以上的粉土、粉質(zhì)粘土中，屬弱透水層；承壓水主要賦存于16.0～18.0 m以下的細砂中。該層富水性好，屬強透水層，具有微承壓性，與上部潛水有一定水力聯(lián)系。潛水層與承壓水層被相對隔水層Q4-2的灰～灰黑色第5層粉質(zhì)粘土層隔開。

3 保護措施

由于地鐵區(qū)間隧道正穿東廣場項目且場地上方存在大量堆土，堆土卸載清移及東廣場項目基坑開挖必然會引起周邊地層應(yīng)力場的重分布，進而導(dǎo)致土體變形，危及地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及運營安全。經(jīng)綜合分析本工程可能存在以下風(fēng)險。

1）區(qū)間隧道兩側(cè)基坑開挖卸載，導(dǎo)致隧道兩側(cè)水平約束降低，從而引起盾構(gòu)管片發(fā)生水平變形，若變形超過限值，管片會出現(xiàn)張開、開裂、滲漏水、道床脫空等現(xiàn)象。

2）區(qū)間隧道上方土體清移卸載和基坑開挖，導(dǎo)致盾構(gòu)管片發(fā)生隆起，若隆起超過限值，管片會出現(xiàn)張開、開裂、滲漏水、道床脫空等現(xiàn)象。

3）沿區(qū)間縱向的不均勻卸載，可能會導(dǎo)致盾構(gòu)管片縱向變形曲線的曲率半徑及相對變曲超過限值。

結(jié)合理論分析和經(jīng)驗預(yù)判，如此近距離的工程施工，在不采取保護措施的情況下，地鐵安全難以有效保障。

3.1 土體加固

1）在南北基坑鄰近區(qū)間隧道一側(cè)的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)外側(cè)進行土體加固，加固不僅有利于控制圍護結(jié)構(gòu)變形，而且對區(qū)間隧道起到隔離保護作用。

2）對地鐵區(qū)間隧道周邊及上部土體進行地基加固，加固可有效減小隧道上方基坑開挖過程中的側(cè)向變形、回彈變形且有利于減小通道施工過程中的振動及施工完成后地層再次固結(jié)沉降的影響。

鄰近南北基坑圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)的地基加固應(yīng)在南北基坑施工前從地表實施。鄰近區(qū)間隧道范圍的地基加固施工前必須查清既有隧道的準確位置，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下組織施工，精確定位，嚴格控制標高、垂直度和注漿壓力，以確保施工過程中既有地鐵隧道安全。

3.2 加固措施

1）條形板帶。由于聯(lián)絡(luò)通道大范圍敞開式開挖對周邊地層擾動較大，考慮將基坑分割為多組長條形小基坑跳挖施工并在每個小坑底部設(shè)置反壓式條形板帶，板帶寬度與鉆孔灌注樁間距一致，基本橫斷面尺寸為 1 700 mm×500 mm、1 800 mm×500 mm、2 000 mm×500 mm（寬×高），采用C50微膨脹鋼筋混凝土現(xiàn)澆并摻早強劑。

2）抗拔樁。沿盾構(gòu)隧道縱向南北兩側(cè)各設(shè)置一排鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁規(guī)格為φ800 mm@1 800 mm，樁長 24～28 m，采用 C30水下鋼筋混凝土，灌注樁頂部預(yù)留伸出鋼筋，以便與條形板相連，使得條形板帶和抗拔樁形成整體。見圖4和圖5?？拱螛毒嚯x區(qū)間隧道的凈距應(yīng)≮1.5 m。此外，抗拔樁施工前必須核清既有隧道的準確位置并在隧道跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下組織施工，精確定位，嚴格控制標高、垂直度，以確保施工過程中既有地鐵隧道安全。

圖4 土體加固剖面

圖5 土體加固橫斷面

3.3 對稱開挖和分層卸載

1）由于本項目基坑開挖規(guī)模大，對區(qū)間隧道影響范圍廣，南北基坑應(yīng)對稱分層分塊開挖及施工，每層開挖深度不超過0.5 m。

2）為減小清土過程中區(qū)間隧道上浮和隆起，隧道上方堆土在清卸過程中分層分步進行，避免一次清卸范圍過大，每層土清卸深度不超過0.5 m。

4 三維數(shù)值模擬分析

4.1 三維模型建立

根據(jù)項目特點，三維數(shù)值模擬主要分析工況包括東廣場南北基坑開挖、隧道上方堆土清移和通道開挖。考慮盡量減少模型邊界效應(yīng)的影響，最終建立長380 m、寬310 m、原始高度60 m的數(shù)值模型，見圖6和圖7。其中區(qū)間隧道埋深約11 m，線路中心線間距16.1 m，區(qū)間隧道地表上覆土層高7 m，兩邊基坑地表上覆土層高12 m。

4.2 施工過程模擬

為較好地分析和動態(tài)模擬施工過程對既有地鐵隧道的影響，采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，整個模擬過程主要包括以下步驟：

1）水泥土攪拌樁加固施工；

2）南北廣場基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工；

3）聯(lián)絡(luò)通道抗拔樁施工；

4）清除區(qū)間隧道上方既有堆土；

5）抽條開挖聯(lián)絡(luò)通道基坑并及時施做反壓板；

6）完成聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)施工。

圖6 三維模型

圖7 地下結(jié)構(gòu)相互關(guān)系

4.3 結(jié)果分析

施工引起的豎向位移見圖8-圖10。

各施工工序?qū)Φ罔F區(qū)間隧道造成的影響見表2。由表2可以看出，施工引發(fā)的地鐵隧道變形主要集中在土體加固和南北廣場基坑的大范圍開挖卸荷作業(yè)，隧道隆起值約8.7 mm，占最大隆起量的68.5%；隧道上方土體在分層清移過程中也會帶來地鐵隧道一定的回彈隆起，隆起值約2.3 mm，占最大隆起量的16.5%；由于采取了抽條跳挖施工，聯(lián)絡(luò)通道開挖對地鐵隧道的影響整體較小，隧道隆起值約1.9 mm，占最大隆起量的14.9%。整個施工過程中，地鐵隧道的最大徑向收斂約3.8 mm，出現(xiàn)在南北側(cè)基坑開挖至底部。

東廣場項目南北廣場已施工完成，目前正進行聯(lián)絡(luò)通道抗拔樁及條形板帶施工作業(yè)，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，南北廣場施工過程引起的地鐵隧道隆起值約9.1 mm，隧道上方堆土清移引起的地鐵隧道隆起值約11.2 mm，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。地鐵隧道洞內(nèi)調(diào)查結(jié)果顯示，施工過程中盾構(gòu)管片無開裂、掉塊、滲漏水及接觸網(wǎng)脫落、道床脫空等現(xiàn)象。

圖8 南北基坑施工完成隧道結(jié)構(gòu)位移

圖9 隧道上方堆土清移后隧道結(jié)構(gòu)位移

圖10 通道基坑施工完成隧道結(jié)構(gòu)位移

表2 各施工步序?qū)?yīng)隧道結(jié)構(gòu)變形量統(tǒng)計分析

5 結(jié)論及建議

東廣場項目施工過程伴隨著既有地鐵區(qū)間隧道隆起變形，在采取一定的工程保護措施后，項目施工引起的隆起變形、位移曲率半徑及徑向收斂均滿足CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》相關(guān)控制指標要求且隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)無明顯改變，施工過程對地鐵區(qū)間隧道的影響整體上安全可控。

1）東廣場項目南北基坑距離地鐵區(qū)間隧道較近，隧道位于基坑開挖核心影響區(qū)域，其影響主要表現(xiàn)在：深基坑開挖卸荷將打破土體初始應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致基坑周邊地層應(yīng)力場和位移場發(fā)生變化，進而將這種變化傳遞給地鐵區(qū)間隧道，引起區(qū)間隧道的抬升和隆起。采取土體加固措施后，數(shù)值模擬結(jié)果顯示南北廣場基坑施工過程中地鐵區(qū)間隧道最大隆起量約8.7 mm，施工過程對地鐵區(qū)間隧道的影響安全可控。

2）東廣場項目橫向聯(lián)絡(luò)通道上跨地鐵區(qū)間隧道，其豎向凈距約4.1 m且聯(lián)絡(luò)通道上方有約7 m高堆土，堆土清移和聯(lián)絡(luò)通道基坑開挖對地鐵區(qū)間隧道的影響應(yīng)引起格外重視。在采取地層加固、通道底增設(shè)抗拔樁及條形反壓板帶、抽條法跳挖施工等措施后，數(shù)值模擬結(jié)果顯示施工過程引起的隧道最大累計隆起量約12.7 mm，不影響地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)和運營安全。

3）本次數(shù)值模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場施工監(jiān)測反饋信息基本一致，模擬過程能夠真實反應(yīng)本工程施工對既有地鐵區(qū)間隧道的影響，數(shù)值模擬成果可有效指導(dǎo)設(shè)計和施工。

4）由于本項目聯(lián)絡(luò)通道基坑尚未開挖完成，在后續(xù)施工過程中每塊條形小基坑開挖結(jié)束后應(yīng)及時施作條形板帶、封閉坑底并備足沙袋、條石等進行回填反壓，控制地鐵隧道回彈上浮和隆起。

5）應(yīng)加強對地鐵區(qū)間隧道的監(jiān)測并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)分析，做到信息化施工，密切關(guān)注盾構(gòu)管片的變形及內(nèi)力變化并制定應(yīng)急預(yù)案，必要時可考慮隧道洞內(nèi)鋼環(huán)加固、地面跟蹤注漿等措施。