砂卵石地層基坑開挖對下臥運營盾構隧道結構變形研究

劉天正

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司, 北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室,北京 100068)

1 概述

近年來，在城市交通網絡的建設過程中，地面和地下施工交叉跨越，新建工程影響既有建筑，運營盾構隧道上方基坑開挖等情況越來越多，在保證既有隧道安全運營的前提下，順利開挖基坑已成為關注的重要問題之一。

大量研究人員對這類問題進行了研究，魏綱[1]統(tǒng)計了國內14個基坑開挖對下方隧道影響的工程案例，其中有11個為上海軟土地區(qū)工程，而64.3%的工程只監(jiān)測了豎向位移，對軌距、橫向變形和收斂的測量相對較少。姚愛軍等[2]應用數值模擬和相似材料模型試驗結合的方法，研究了盾構隧道上方卸荷-加載條件下的變形特征。張亮[3]應用MIDAS/GTS軟件分析了杭州軟土地區(qū)鄰近地鐵基坑工程，提出了水泥土攪拌樁門式加固以降低隧道隆起的方法。黃宏偉等[4]應用有限元軟件PLAXIS-GiD于上海外灘通道開挖對下臥延安東路隧道影響分析上，評價了4種不同保護措施的效果。楊挺等[5]在南京龍蟠路隧道西段上跨既有地鐵隧道1號線的基坑工程中，采用排樁和板樁的支護方式，有效解決了施工中隧道隆起的問題。姚燕明等[6]采用ABAQUS有限元數值模擬和殘余應力法，研究了寧波地鐵隧道上方基坑開挖的影響。高強等[7]采用FLAC3D軟件對西安環(huán)城南路市政隧道上跨既有地鐵2號線盾構隧道進行了數值分析和隧道抗浮驗算。王永偉[8]，曹前[9]，鄭剛等[10]，王定軍等[11]分別針對鄭州、長沙、深圳、天津地鐵的基坑開挖對下臥運營隧道的影響做了數值分析的研究，周澤林等[12]則進行了基坑開挖對下方隧道上抬變形的理論分析。吳薪柳[13]，信磊磊等[14]在天津地鐵分別進行了2種基坑開挖方案和3種不同開挖順序對相鄰地鐵車站的沉降分析。胡海英等[15]，王立峰等[16]，黃海濱等[17]對廣州和某軟土地區(qū)基坑開挖對既有線的影響進行了監(jiān)測分析。劉尊景等[18]，左殿軍等[19]，鄒淼等[20]針對基坑開挖對鄰近地鐵隧道和既有管線的保護進行了研究。

目前，在軟土地區(qū)隧道上方基坑開挖的工程案例較多，且由于對既有隧道結構的全方位監(jiān)測需耗費大量人力物力，多采用數值分析和理論計算，現場監(jiān)測以隧道豎向位移和收斂為主。本工程位于北京典型砂卵石地層，開挖過程中，土體加固方式和開挖方式與軟土地區(qū)不同，采取對既有運營隧道多角度實時監(jiān)測，以達到及時準確的預測隆起值和預防隆起過大造成安全事故的方案，研究結論可供類似工程借鑒和參考。

2 工程概況

新建北京市現代有軌電車西郊線是北京首條現代有軌電車線，西郊線頤和園站—巴溝站區(qū)間位于海淀區(qū)巴溝路上方，在里程K8+473～K8+491范圍內，明挖U形槽基坑上跨火器營站—巴溝站盾構區(qū)間隧道斜交成58°。U形槽基坑深6.489～7.47 m，寬15.3～15.7 m，采用5～6道土釘支護，結構底距離地鐵10號線區(qū)間隧道3.421～3.859 m，地鐵10號線盾構區(qū)間為直徑6 m，厚300 mm的鋼筋混凝土管片，頂部埋深約為11.7 m，左右線中心間距12 m，其平面關系如圖1所示。

圖1 U形槽與盾構隧道平面關系示意

本工程場地位于永定河沖積扇頂部偏北位置，地貌類型為古清河故道，地形基本平坦，土質從上到下依次為：①1雜填土，厚1.2 m；①粉質填土，厚1.8 m；②1粉質黏土，厚1 m；②3粉細砂，厚3 m；⑤卵石，厚4.7 m；⑤4粉質黏土，厚1.3 m；⑤卵石，厚5 m。地層賦存二層地下水：潛水(二)，水位埋深11～13.7 m，承壓水(三)，水位埋深28.2～35.4 m，主要接受側向徑流及越流補給，以側向徑流、越流方式排泄，U形槽與盾構隧道的剖面關系如圖2所示。

圖2 U形槽與盾構隧道的剖面關系(單位：mm)

3 施工方案與技術措施

3.1 深孔注漿

該項目采用雙重管無收縮注漿工法，U形槽采取基坑底至地鐵10號線區(qū)間上方及10號線區(qū)間兩側3 m范圍內進行深孔注漿加固的保護措施，加固深度為9.108～10.154 m，加固長度為27.525 m。施工時注漿孔與地鐵10號線區(qū)間管片頂部保持1.5 m的距離，與管片兩側保持2 m的距離，避免注漿成孔及注漿時對地鐵10號線隧道產生影響，注漿孔間距1.0 m×1.0 m梅花形布置，深孔注漿加固橫斷面如圖3所示。

圖3 基坑底深孔注漿加固橫斷面(單位：mm)

鉆孔完成后即進行該孔的注漿，注漿量按公式(1)計算

L=V×n×α×(1+β)

(1)

式中，L為注漿量；V為注漿范圍土體體積；n為地層孔隙率；α為漿液充填系數，范圍0.7～0.9，取0.8；β為漿液損失率，范圍10%～30%，取20%；設計中，n×α×(1+β)統(tǒng)稱為填充率，按表1選用。

表1 填充率選用

注漿壓力的確定可按公式(2)計算

P=K·H

(2)

式中，P為設計注漿壓力；H為注漿深度；K為由注漿深度確定的壓力系數，注漿壓力系數按表2選用。

表2 注漿壓力系數選用

根據地層滲透系數情況及漿液注入量情況，注漿壓力嚴格控制在0.2～0.3 MPa，當壓力突然上升或從孔壁溢漿，立即停止注漿。注漿孔開孔直徑不小于42 mm，跑漿時應采取措施確保注漿量滿足設計要求。

3.2 U形槽基坑開挖

本段U形槽基坑深6.489～7.47 m，寬15.3～15.7 m，采用3.7∶1坡比(坡角75°)放坡分層開挖的方法，基坑開挖時按土釘布置層距，每層開挖1.2 m，機械開挖至距基底高程50 cm處，然后人工清底。水平方向分兩段開挖，每段開挖長14 m，第一段開挖后施作主體結構，回填后再開挖第二段。按照設計的分層開挖深度和坡度開挖，分層開挖深度在每道土釘孔口高程下0.5 m處，不得超挖，開挖過程中，挖掘機不得碰撞土釘墻面板。注意不得超挖擾動原狀土，標準斷面開挖見圖4。

圖4 U形槽標準斷面開挖示意(單位：mm)

3.3 U形槽主體結構施工

根據該工程結構特點及工程進度情況，考慮剖面的模板配制，U形槽段混凝土分兩步進行：第一步澆筑底板；第二步搭設滿堂支架，澆筑側墻。底板一次性澆筑高度為腋角上30 cm，剩余部分的側墻一次澆筑到頂。U形槽用C35商品混凝土澆筑，采用泵車泵送入模。混凝土澆筑縱向由一端向另一端澆筑，插入式振搗器振搗，澆筑過程中混凝土自由下落的高度差不得大于2 m，防止混凝土產生離析。當混凝土下落高度高于2 m時采用串桶、溜槽等措施進行混凝土澆筑。

4 隧道結構變形監(jiān)測

4.1 監(jiān)測項目及控制標準

基坑開挖期或鉆孔灌注樁施工期間，每晚列車停運后監(jiān)測1次；結構施作期間，1次/3 d；施工完成后1次/周，監(jiān)測1個月，之后1次/月；最后根據數據穩(wěn)定情況進行調整，監(jiān)測頻率可根據監(jiān)測情況適當調整，異常情況適當加密，監(jiān)測項目如表3所示。

當變形值達到控制值的70%時，應及時預警響應；當達到80%時，需報警響應，各控制標準如表4所示。

表3 監(jiān)測項目

表4 變形控制標準 mm

4.2 監(jiān)測點布置

4.2.1 隧道結構豎向變形

在U形槽段影響范圍的隧道，自穿越影響中心，沿隧道走向，向兩側按10 m的間距布設監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布設2個測點。在區(qū)間結構兩側，使用電動鉆具在選定部位鉆直徑20 mm，深度約50 mm孔洞，清除孔洞內渣質，注入適量清水養(yǎng)護；然后向孔洞內注入適量攪拌均勻的錨固劑，放入觀測點標志；使用錨固劑回填標志與孔洞之間的空隙，養(yǎng)護15 d以上。左線選取5個斷面，右線選取5個斷面，共20個測點，埋設形式如圖5所示。

圖5 結構沉降測點布置示意

4.2.2 軌道結構豎向變形

U形槽段影響范圍內的軌道結構豎向變形測點與隧道結構豎向變形測點布設在同一斷面。中央排水溝整體道床段，測點標志采用φ8 mm膨脹螺栓，按設計位置鉆孔埋入。測點埋設不得影響地鐵設施，保證埋設穩(wěn)固，并做好清晰標記，方便保存。鋼彈簧浮置板式減振道床段，測點采用涂抹AB膠粘貼監(jiān)測點的方式進行布置。隧道結構和軌道結構豎向變形測點平面布置如圖6所示。

圖6 隧道結構和軌道結構豎向變形測點平面布置(單位：m)

4.2.3 隧道結構橫向變形與收斂

隧道結構水平位移監(jiān)測采用全站儀極坐標法進行，使用Leica TCA1201+R400全站儀進行觀測，布設斷面與豎向位移監(jiān)測斷面一致，每個斷面布設1個測點。隧道結構收斂測點與隧道結構豎向變形測點布設在同一斷面，每個斷面布設2組測點，采用JSS30A型數顯收斂儀對隧道凈空收斂進行觀測，測點平面布置如圖7所示。

圖7 隧道橫向變形與收斂測點平面布置(單位：m)

4.2.4 軌道幾何形位測量

對軌道軌距、水平的靜態(tài)幾何尺寸使用軌道尺，按《北京市地鐵運營有限公司企業(yè)標準技術標準工務維修規(guī)則》要求方法及標準進行檢查，軌道靜態(tài)幾何尺寸檢查點布置位置與結構沉降觀測斷面對應。在施工影響范圍內每150 m布設1組無縫線路位移觀測點，每條軌上設1個無縫線路臨時位移觀測標尺。

4.2.5 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

既有地鐵軌道結構自動化遠程監(jiān)測采用靜力水準遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測網按測線形式在兩條隧道結構上布置，基準點在受隧道施工影響外的結構位置布設。西郊線明挖區(qū)間上跨地鐵10號線對應既有隧道里程處，影響中心下方對應位置左右線各布設1個監(jiān)測斷面，沿隧道走向兩側按10 m間隔布設測點，各布設兩排測點。左線取YCC2-1～YCC2-5共5個測點，右線取YCC4-1～YCC4-5共5個測點，布置順序為盾構井至明挖區(qū)間。

5 實測數據分析

5.1 隧道結構豎向變形分析

土體開挖后，基坑底部應力釋放，既有隧道上部卸荷，受力減小，則會導致既有隧道受到向上附加力的作用，使結構產生隆起變形。當第一段U形槽開挖時，開挖范圍主要集中在盾構隧道左線正上方，土體開挖后，兩線隧道結構均向上隆起變形，左線的隆起速率高于右線，且隆起穩(wěn)定值也高于右線。U形槽開挖至結構底板時，盾構隧道結構豎向變形達到最大，左線隆起值達到1.3 mm，右線1.1 mm。約在第35 d時，開始澆筑底板和側墻，左線隧道結構各測點表現出明顯沉降的趨勢，而右線則個別點出現沉降。第一段主體結構做完后，基坑中部對應隧道測點的隆起值大于基坑邊緣對應隧道測點值。約在第65 d開挖第二段，隧道結構又出現隆起，但隆起變化不大；約在第100 d施工第二段主體結構，處于同一監(jiān)測斷面的兩側測點的豎向變形值表現出比較明顯的差異性；基坑中心處對應的隧道豎向變形趨勢一致，而基坑邊緣對應的兩側測點在施工后期則呈現出相反的特性，一邊隆起，另一邊則沉降，豎向變形曲線如圖8所示。

圖8 隧道結構豎向變形曲線

5.2 軌道結構豎向變形

從軌道結構沉降上看，兩條線路軌道都表現出隆起的現象，左線兩根鋼軌測點在同一斷面的隆沉趨勢近乎一樣，而右線兩根鋼軌在第二段土體開挖時，同一斷面兩測點出現的差異沉降較大，分析造成的原因可能為第一階段開挖的擾動和列車荷載的振動。左線靠近基坑邊緣的測點在施作主體結構之后處于向下沉降的趨勢；第二階段的開挖使左線產生一定的回彈，而右線則沒有明顯的回彈趨勢，基本保持隆起狀態(tài)，軌道結構豎向變形如圖9所示。

圖9 軌道結構豎向變形曲線

5.3 隧道結構橫向變形與收斂

隧道的橫向變形較小，左右來回波動，極不穩(wěn)定，波動范圍在-0.5 mm～+0.5 mm，小于豎向變形值。從水平方向看，隧道的受力基本保持平衡，未發(fā)生明顯的整體移動現象，數據變化較為凌亂，橫向變形曲線如圖10所示。

圖10 隧道結構橫向變形曲線

地勘報告中測得該場地土層的靜止側壓力系數K<0.7，隧道頂部所受土體的自重應力大于側向受到的水平自重應力，則既有隧道產生“橫橢圓”的變形規(guī)律；當土體開挖以后，上方壓力小于水平受力，隧道產生水平壓縮，豎向拉伸的“豎橢圓”的收斂變形。當施作底板和主體結構后，隧道收斂逐漸恢復，然后再緩慢收斂；當第二階段開挖后，隧道收斂趨勢越來越大，如圖11所示。

圖11 隧道收斂變形曲線

5.4 軌道幾何形位

圖12 隧道軌距偏差

隨著基坑的開挖，兩隧道鋼軌軌距逐漸向相反方向張開，基坑開挖至最底層時，張開量達到最大；施作底板和主體結構后，兩軌距慢慢靠攏，主體結構完成后，軌距張開量達到最低值；當第二段開挖后，軌距又重新張開，整個軌距曲線呈“M”形對稱分布，軌距值在±2 mm之間波動，最終軌距還是以張開為主，軌距量測如圖12所示。

5.5 隧道結構變形自動化監(jiān)測

從自動化監(jiān)測可以看出，左線上方先開挖時，隧道豎向變形波動很大，右線隧道變形相對穩(wěn)定，施作底板和主體結構后隧道開始沉降，當第二段開挖時，隧道又重新開始隆起，與第一階段開挖相比，隧道結構隆起值更加平穩(wěn)，基坑中心范圍內的測點以隆起為主，隆起值約0.3 mm；而遠離基坑中心的兩端測點YCC2-1和YCC2-5則出現沉降，與人工測量結果基本一致。右線測點在第一段基坑開挖時，隆沉值較小，第二段開挖后，隆起值大于第一階段隆起值，自動化監(jiān)測曲線如圖13所示。

圖13 隧道結構變形自動化監(jiān)測曲線

6 結語

在既有運營盾構隧道上方近距離開挖基坑，會引起隧道和軌道結構發(fā)生較大豎向變形，必須采取有效的土體加固措施。此次U形槽基坑開挖對地鐵10號線盾構隧道的變形成功控制在規(guī)定值以內，并得出以下結論。

(1)既有運營盾構隧道結構的豎向位移以及軌道的豎向位移均表現為隆起，隨著深度的增加，變形增大；水平方向的變形為左右波動，極不穩(wěn)定，其值小于豎直方向的變形；隧道受水平方向壓縮和豎直方向拉伸的力，收斂為“豎橢圓”形狀。

(2)采用深孔注漿的土體加固方式，在基坑開挖前，先對既有運營盾構隧道周圍土體進行注漿加固，并確定合理的注漿量和注漿壓力，可大幅度減少隧道隆起，把隧道變形值控制在允許范圍內。

(3)U形槽開挖應遵循“分層、分塊、分條幅、平衡、限時、對稱”原則；開挖完成后應該及時施作主體結構，使坑底增加配重，減小坑底的隆起和既有隧道的豎向變形。

(4)既有線路上方進行基坑開挖風險性高，隧道變形控制要求嚴格，在開挖過程中，需要嚴密的對隧道結構、軌道結構、軌距、隧道收斂等進行監(jiān)測，制定好預警值和報警值，對可能發(fā)生的事故提供及時、準確的預報，確保既有線的安全運營。