地鐵基坑放坡開挖引發(fā)下臥斜交盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)形變的研究

□文/趙 偉 朱茂國 尹 凱

地鐵基坑工程多數(shù)采用圍護樁（墻）+內(nèi)支撐等強支護形式，明挖放坡開挖作為一種重要的、經(jīng)濟便捷的施工方法，通常應用于地段空曠、地質(zhì)條件簡單的地塊[1]，在下方有成型盾構(gòu)隧道環(huán)境下應用較少。通過數(shù)值模擬僅能對基坑開挖過程引起下臥盾構(gòu)隧道形變定性描述，還無法實現(xiàn)準確定量甚至指導信息化施工；而基坑開挖卸載會使得周邊圍巖移位，引發(fā)地鐵區(qū)間位移場和應力場隨之變化，嚴重時甚至威脅地鐵結(jié)構(gòu)與運營安全[2]。

本文通過監(jiān)控量測技術(shù)實測某城市地鐵1號線出入段線明挖放坡10 m試驗段對下臥斜交盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的定量變形分析，繼而優(yōu)化后續(xù)施工工序、優(yōu)化變形控制措施、實現(xiàn)信息化動態(tài)施工，保證下臥地鐵盾構(gòu)區(qū)間安全。

1 工程概況

某城市地鐵1號線出入段線與盾構(gòu)區(qū)間左線斜交投影段長為60 m，基底距隧道頂垂直凈距3.025 m，基坑開挖寬度40 m、深度10.3 m，采用明挖放坡開挖+坑內(nèi)管井降水方式。見圖1?；又苓厽o建（構(gòu)）筑物、地下管線，基坑范圍地層主要為雜填土、素填土、淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、粘土、基巖，孔隙水主要賦存于砂質(zhì)粉土層中，富水性中等，基巖裂隙水（巖溶水）富水性中等豐富，屬弱承壓水。

預定控制隧道變形措施為：

1）基坑開挖過程需通過管井降水把地下水位保持在盾構(gòu)隧道拱腰處；

2）60 m斜交段基坑分段開挖，先開挖基坑中部10 m試驗段且完成該段底板澆筑后再順次開挖兩側(cè)基坑土方；

3）通過高頻次的監(jiān)控量測措施，實現(xiàn)指導信息化動態(tài)施工。

圖1 基坑工程與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系

2 隧道監(jiān)測內(nèi)容及技術(shù)標準

該盾構(gòu)區(qū)間隧道監(jiān)測等級為一級，針對隧道的監(jiān)測內(nèi)容及技術(shù)標準[3]見表1。

3 實測數(shù)據(jù)分析與隧道變形控制

3.1 基坑施工與隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從隧道各項實測數(shù)據(jù)來看，拱頂沉降監(jiān)測為隧道上浮變形最大測項，水平徑向收斂監(jiān)測與隧道差異沉降等無明顯變形，故選取隧道拱頂沉降典型監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析研究，見圖2。

表1 隧道監(jiān)測技術(shù)與控制標準

圖2 斜交段盾構(gòu)隧道拱頂變形發(fā)展曲線

從圖2可知：

1）基坑降水施工至隧道拱腰部位對下臥盾構(gòu)隧道無明顯沉降或隆起變形影響，但削弱了地下水對盾構(gòu)隧道上浮作用力，可減少盾構(gòu)隧道隆起總的變形量；

2）基坑先行開挖段取土對隧道上浮變形作用分為兩個階段，當基坑取土深度在6～7 m時，盾構(gòu)隧道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但取基底上方3 m土層時，因盾構(gòu)隧道上方覆土由6 m減至3 m厚度，隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)急劇隆起變形，“時空效應”[4]非常明顯，其中拱頂測點GDC-6隆起22.12 mm，兩側(cè)約10 m范圍亦隆起5～8 mm；

3）基坑開挖卸載會使得周邊圍巖移位，引發(fā)地鐵區(qū)間位移場和應力場隨之變化，開挖卸載與地層應力釋放對隧道作用力總體為向上，為隧道結(jié)構(gòu)上浮變形主要作用力，當隧道上方覆土約6 m左右時是隧道在當前工況、施工措施下的變形臨界點，一旦打破覆土臨界點，便引發(fā)隧道整體隆起變形，隆起時限短、隆起速率大是平衡打破后的隧道變形最大特點，當開挖至基底以后，隆起變形能夠收斂，即隧道周邊圍巖重新形成力的平衡。

分析基坑先行開挖段隧道變形數(shù)據(jù)后，議定了如下措施來應對東側(cè)、西側(cè)兩段基坑開挖并實施高頻次、高精度的監(jiān)測驗證[5]：

1）考慮施工結(jié)束后地下水恢復原位對隧道的變形影響因素，采取繼續(xù)保持地下水位穩(wěn)定在隧道拱腰部位的措施；

2）現(xiàn)場停止后續(xù)基坑開挖，限時、快速施工先行開挖段底板與主體結(jié)構(gòu)直至封頂，先行開挖段對應隧道底部實施均勻壓重，抑制后續(xù)隆起變形發(fā)展；

3）東側(cè)、西側(cè)兩段開挖前，盾構(gòu)隧道底部進行均勻壓重，壓重范圍暫定25 m、按每延米2.5 t配重；

4）東側(cè)、西側(cè)兩段開挖依然采取分層、分段開挖，尤其挖深距基底3 m后，要遵循“快速開挖、快速封底”的施工措施；

5）東側(cè)、西側(cè)兩段底板完成后，根據(jù)隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)定奪后續(xù)土方開挖與開挖完成段主體結(jié)構(gòu)施工工序安排。

3.2 東西側(cè)基坑開挖對隧道變形影響效果評述

圖2表明,采取了施工抑變形控制效果明顯：以先行開挖段開挖階段隧道最大隆起測點GDC-6為基準，東側(cè)基坑土方開挖時，對應隧道拱頂測點GDC-7隆起量僅約11 mm，占比僅為52.4%；西側(cè)基坑土方開挖時，對應隧道拱頂測點GDC-4隆起量僅約5 mm，占比僅為23.8%，較東側(cè)開挖時下降了28.6%的基準變化量且隧道實施壓重措施對隧道豎向拉伸變化極小；先行開挖段典型測點豎向差異變化量為5.71 mm，在東側(cè)和西側(cè)開挖實施隧道壓重后豎向差異隆起量為5.80～5.87 mm，表明隧道底部配重量對隧道隆起變形的抑制作用明顯，又未對隧道結(jié)構(gòu)整體性產(chǎn)生明顯損傷作用。

4 結(jié)語

監(jiān)控量測方案設(shè)計、實測數(shù)據(jù)趨勢分析和信息即時反饋實現(xiàn)了基坑開挖-變形控制信息實時聯(lián)接，保證了下臥既有盾構(gòu)隧道安全可控，通過總結(jié)基坑開挖、支護、結(jié)構(gòu)施作、管井降水工藝與隧道變形措施，對后續(xù)工程有兩點可以借鑒：

1）重要的地鐵工程施工對監(jiān)測的依賴性較強，對監(jiān)測提出的要求也更高，由于監(jiān)測工作從頭至尾相互關(guān)聯(lián)，這就要求監(jiān)測隊伍從資源投入、監(jiān)測方案設(shè)計、監(jiān)測埋點、監(jiān)測實施、信息反饋、應急搶險、后勤保障等各方面均不能出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，這才是滿足監(jiān)測指導施工、服務(wù)施工的前提；

2）變形發(fā)展具有“時空效應”，既有隧道一旦因基坑卸荷產(chǎn)生過大變形，其既有變形量很難再通過加載等方式回歸原位，所以在既有隧道側(cè)旁、上方施工的高風險卸荷工程，應將“首先從施工技術(shù)措施上來減弱對既有隧道的變形影響”作為第一原則。