既有地鐵隧道上方明挖基坑施工方案分析

劉長(zhǎng)寶 鄒金杰 彭加強(qiáng)

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，310014，杭州∥第一作者，高級(jí)工程師）

擁有城市軌道交通線路的城市，其中心區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免地涉及對(duì)既有地鐵隧道的保護(hù)問(wèn)題。在軟土地層中，開(kāi)挖基坑引起的坑底隆起會(huì)同步帶動(dòng)下方地鐵隧道隆起［1-3］，從而對(duì)地鐵隧道使用功能和安全性產(chǎn)生影響，稍有不慎將會(huì)嚴(yán)重威脅地鐵的安全。

根據(jù)地鐵盾構(gòu)隧道相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，保證地鐵安全的盾構(gòu)隧道變形控制值為：豎向最大沉降及水平位移絕對(duì)值≤20 mm，隧道變形相對(duì)曲率≤1/2 500，隧道變形曲率半徑≥15 000 m，這就給工程建設(shè)提出更高的技術(shù)要求。因此，有必要進(jìn)一步研究明挖基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道的影響，合理選擇控制地鐵隧道變形的設(shè)計(jì)方案，提出有效措施，確保地鐵隧道可以正常使用。

本文以杭州市延安路至仁和路過(guò)街通道基坑開(kāi)挖具體工程為研究對(duì)象，采用構(gòu)建三維有限元模型的方法，探討基坑開(kāi)挖中采用的地基加固等技術(shù)方案對(duì)既有隧道的影響，提出門式框架加固、分期開(kāi)挖及控制降水等保護(hù)措施。

1 工程概況

延安路至仁和路過(guò)街地道位于杭州市最繁華的商業(yè)街延安路與仁和路交叉口，是延安路綜合整治工程的一部分，周邊房屋密集。如圖1所示，該過(guò)街地道主通道呈“一”字型布置，橫跨杭州地鐵1號(hào)線，與地鐵隧道近似垂直相交，采用明挖法施工。地道基坑開(kāi)挖深度約8.4 m，基坑長(zhǎng)38.2 m，寬11.4 m，坑底部至隧道拱頂覆土厚度僅為3.9 m?；訃o(hù)采用鉆孔樁加止水帷幕，第一道撐采用混凝土支撐，第二道撐采用鋼管支撐。

工程場(chǎng)地開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的土體自上而下分別為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?？拥孜挥谟倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土層，土體性質(zhì)差，含水量高，滲透性差，流變特性比較明顯。

2 主要技術(shù)措施

本工程地鐵隧道拱頂至基坑底覆土厚度僅為3.9 m，小于1倍盾構(gòu)隧道直徑（D=6.2 m），且施工期與地鐵隧道內(nèi)道床等二次結(jié)構(gòu)的施工期相沖突，不具備在地鐵隧道內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行加固的條件。因此，需考慮采取相應(yīng)的措施，減少基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵隧道的影響。

圖1 杭州市延安路至仁和路過(guò)街地道坑底加固范圍

2.1 設(shè)計(jì)措施

由于過(guò)街地道上跨地鐵隧道，為盡量減少基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵隧道的擾動(dòng)，在滿足埋設(shè)管線的基礎(chǔ)上盡可能減小過(guò)街地道頂板覆土厚度，以增大地道底板與隧道拱頂間的豎向距離?；訃o(hù)采用“鉆孔樁+止水帷幕+混凝土支撐”方案，增大圍護(hù)體系整體剛度，減少基坑側(cè)向變形。

2.2 加固措施

為降低基坑開(kāi)挖引起的土體回彈，減小隧道的隆起變形，對(duì)坑底與隧道拱頂之間土體，以及隧道兩側(cè)土體進(jìn)行加固并設(shè)置抗拔樁，結(jié)合過(guò)街地道底板形成門式框架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。加固范圍包括：

①地鐵隧道頂部土體：地道底板與距地鐵隧道頂部0.5 m之間的土體；

圖2 坑底加固剖面圖

②位于基坑兩端地鐵隧道的側(cè)向土體：兩端地鐵隧道主體至外側(cè)1.6 m間土體，加固深度距地鐵隧道拱底1.0 m；

③位于基坑中部?jī)傻罔F隧道間的側(cè)向土體：中部?jī)傻罔F隧道至內(nèi)側(cè)1.6 m間土體，加固深度距地鐵隧道拱底1.0 m。

2.3 降水措施

本項(xiàng)目位于城市繁華建成區(qū)，地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，滲透性差，流變特性明顯，開(kāi)挖困難?？油獯蠓秶邓L(fēng)險(xiǎn)高且實(shí)施難度大，所以本工程帷幕內(nèi)坑內(nèi)降水主要作為施工輔助措施，為方便坑內(nèi)土體開(kāi)挖及運(yùn)輸，在仿真分析中僅按重度變化進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

2.4 施工措施

根據(jù)本工程地鐵隧道覆土淺，以及對(duì)施工擾動(dòng)和注漿壓力敏感等特點(diǎn)，土體加固采用注漿壓力小、施工振動(dòng)輕、施工質(zhì)量保證度高的三軸攪拌樁施工工法。結(jié)合地面交通疏解要求，本工程主通道設(shè)置分割墻，將通道分為兩個(gè)基坑，分期實(shí)施。

2.5 監(jiān)測(cè)措施

本工程施工過(guò)程中對(duì)地鐵隧道及明挖基坑進(jìn)行全過(guò)程晝夜監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括隧道收斂變形、隧道管壁應(yīng)力監(jiān)測(cè)、地表沉降、土體深層位移等方面。監(jiān)測(cè)過(guò)程嚴(yán)格按規(guī)范及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。一旦出現(xiàn)預(yù)警，立即停止開(kāi)挖，采取應(yīng)急措施，保證施工安全。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型參數(shù)及計(jì)算工況

采用大型有限元軟件ABAQUS建立三維數(shù)值模型，基坑開(kāi)挖的淤泥質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層均采用修正劍橋模型（Clay Plasticity）進(jìn)行模擬。根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告確定本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)，通過(guò)分層孔隙比-土體壓力值曲線（e-p曲線）變換得到正常固結(jié)線（NCL）的斜率λ?；貜椙€的斜率κ根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取λ值的1/5，攪拌樁水泥土加固區(qū)域的土體采用線彈性模型模擬。模型參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選?。孩偎嗤恋哪Ａ?E=120 MPa，泊松比 v=0.25；②混凝土 E=3×105MPa，v=0.2；③鋼材 E=2×105MPa，v=0.3。其他模型參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

3.2 三維分析計(jì)算

根據(jù)圍護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)方案要求，計(jì)算工況如表2所示。

表1 土層材料模型參數(shù)

表2 工程圍護(hù)設(shè)計(jì)三維分析計(jì)算工況表

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

各工況計(jì)算結(jié)果最大值詳見(jiàn)表3。由表3可知：一期、二期基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)均為最不利工況：基坑最大隆起值為13.98 mm；加固區(qū)坑底隆起最大值為1.897 mm；隧道最大水平位移為1.725 mm，最大豎向位移為6.191 mm。由此可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖到底部時(shí)隧道變形最大?？刹扇√岣邏|層混凝土標(biāo)號(hào)、墊層內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)等措施對(duì)坑底進(jìn)行快速封閉，并通過(guò)備好鋼錠及砂袋進(jìn)行壓重等措施來(lái)控制隧道變形。

表3 明挖基坑及地鐵隧道變形最大值統(tǒng)計(jì)表 mm

圖3 基坑底部隆起值隨施工工序變化圖

圖4 土體豎向位移分布云圖（工序5）

圖5 土體xz斷面豎向位移分布云圖（工序5）

3.3.1 基坑底部隆起變化

基坑底部最大隆起值變化關(guān)系及位移云圖見(jiàn)圖3～6。從圖3可以看出：非加固區(qū)基坑底部隆起最大值在施工工序1時(shí)最大，為13.98 mm；隨著施工工序的增加，基坑底部最大隆起值不斷減??；加固區(qū)基坑底部隆起呈波動(dòng)變化，各工序間相差不大，最大隆起值均較小?？梢?jiàn)，對(duì)基坑進(jìn)行加固處理可有效減小基坑底部的最大隆起值。

圖4～6為工序5時(shí)的土體位移分布云圖。從圖中可以看出：非加固區(qū)位置，基坑底部隆起值較大位置在靠近兩端位置處，但基坑底部左右兩側(cè)隆起并不是對(duì)稱的，靠近左側(cè)隧道基坑底部隆起較右側(cè)大；在加固區(qū)位置，基坑底部在框架中部隆起較大，且呈對(duì)稱分布。

3.3.2 地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移變化

地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平及豎向位移變化關(guān)系及位移云圖如圖7～9所示。

圖6 加固區(qū)土體豎向位移分布云圖（工序5）

圖7 隧道最大變形值隨施工工序變化圖

圖8 地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平位移分布云圖

從圖7可以看出：地鐵隧道水平位移最大值隨施工工序的變化較小，工序2產(chǎn)生的水平位移最大值較大，為1.725 mm；地鐵隧道豎向位移隨施工工序的改變呈波動(dòng)變化，在工序2與工序5分別達(dá)到波峰，工序1、工序3、工序6則位于波谷?；拥拈_(kāi)挖對(duì)地鐵隧道豎向變形影響較大。

圖8、圖9為工序5時(shí)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移分布云圖。從圖中可以看出：地鐵隧道在基坑位置處水平位移較大，為1.029 mm，其他部位水平位移值均較??；地鐵隧道在基坑位置處向上凸起，遠(yuǎn)離基坑處向下凹陷，且右側(cè)地鐵隧道豎向位移變化較大。

圖9 地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移分布云圖

4 監(jiān)測(cè)情況

為掌握明挖基坑施工對(duì)地鐵隧道的影響，以及基坑自身的變形情況，在本通道施工過(guò)程中，對(duì)通道下方及左右兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)的隧道管片進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖10），雙線共布置靜力水準(zhǔn)儀68個(gè)、拱頂沉降測(cè)點(diǎn)132處、橫向收斂測(cè)點(diǎn)66組、水平位移測(cè)點(diǎn)66處。在明挖基坑周邊，共布置房屋沉降觀測(cè)點(diǎn)20處、地面沉降測(cè)點(diǎn)40處、測(cè)斜孔7孔、水位孔7孔、樁頂位移測(cè)點(diǎn)7處、支撐軸力測(cè)點(diǎn)8支。從基坑開(kāi)挖至土建完工，全過(guò)程晝夜不間斷監(jiān)測(cè)。

圖100 地鐵隧道靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)布置圖

施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)資料顯示，靜力水準(zhǔn)儀日最大變形值為-0.5 mm，累計(jì)最大日變形值為4.3 mm；橫向收斂日最大變形值為0.6 mm，累計(jì)最大日變形值為-3.9 mm。以上變形均滿足地鐵保護(hù)要求。明挖基坑監(jiān)測(cè)中房屋累計(jì)沉降最大值為-4.2 mm，地表沉降累計(jì)最大值為-17.2 mm，水平位移累計(jì)最大值為16.8 mm，地下水位變化累計(jì)最大值為-260 mm，也均滿足明挖基本保護(hù)要求。根據(jù)上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，仿真數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。由此可見(jiàn)，本工程采用的門式加固體系及分期施工組織方案對(duì)既有地鐵隧道的保護(hù)有效、可靠，滿足施工的技術(shù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

明挖基坑卸荷及降水對(duì)鄰近地鐵隧道有一定的影響。通過(guò)三維有限元分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，基坑開(kāi)挖范圍越大、暴露時(shí)間越長(zhǎng)、土體力學(xué)性質(zhì)越差，地鐵隧道所受的影響程度也越大。根據(jù)實(shí)際工程情況提出的坑底土體加固、結(jié)合地道底板設(shè)置抗拔樁的門式框架結(jié)構(gòu)等措施，對(duì)地鐵隧道起到了確實(shí)有效的保護(hù)作用，可為今后類似工程提供良好的借鑒。