砂卵石地層基坑開挖對下臥運營盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形研究

劉天正

(1.北京市軌道交通建設(shè)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(wǎng)絡(luò)的建設(shè)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(gòu)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(guān)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(nèi)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(yīng)用數(shù)值模擬和相似材料模型試驗結(jié)合的方法，研究了盾構(gòu)隧道上方卸荷-加載條件下的變形特征。張亮[3]應(yīng)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(yīng)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(shù)值模擬和殘余應(yīng)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(gòu)隧道進行了數(shù)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(shù)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?qū)ο噜彽罔F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(jié)構(gòu)的全方位監(jiān)測需耗費大量人力物力，多采用數(shù)值分析和理論計算，現(xiàn)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(yù)測隆起值和預(yù)防隆起過大造成安全事故的方案，研究結(jié)論可供類似工程借鑒和參考。

2 工程概況

新建北京市現(xiàn)代有軌電車西郊線是北京首條現(xiàn)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(nèi)，明挖U形槽基坑上跨火器營站—巴溝站盾構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(guān)系如圖1所示。

圖1 U形槽與盾構(gòu)隧道平面關(guān)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(zhì)從上到下依次為：①1雜填土，厚1.2 m；①粉質(zhì)填土，厚1.8 m；②1粉質(zhì)黏土，厚1 m；②3粉細砂，厚3 m；⑤卵石，厚4.7 m；⑤4粉質(zhì)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(cè)向徑流及越流補給，以側(cè)向徑流、越流方式排泄，U形槽與盾構(gòu)隧道的剖面關(guān)系如圖2所示。

圖2 U形槽與盾構(gòu)隧道的剖面關(guān)系(單位：mm)

3 施工方案與技術(shù)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(cè)3 m范圍內(nèi)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(cè)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(chǎn)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(shù)，范圍0.7～0.9，取0.8；β為漿液損失率，范圍10%～30%，取20%；設(shè)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(shè)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(shù)，注漿壓力系數(shù)按表2選用。

表2 注漿壓力系數(shù)選用

根據(jù)地層滲透系數(shù)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(dāng)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(yīng)采取措施確保注漿量滿足設(shè)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(jié)構(gòu)，回填后再開挖第二段。按照設(shè)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(jié)構(gòu)施工

根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)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(shè)滿堂支架，澆筑側(cè)墻。底板一次性澆筑高度為腋角上30 cm，剩余部分的側(cè)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?；炷翝仓v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(chǎn)生離析。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定情況進行調(diào)整，監(jiān)測頻率可根據(jù)監(jiān)測情況適當(dāng)調(diào)整，異常情況適當(dāng)加密，監(jiān)測項目如表3所示。

當(dāng)變形值達到控制值的70%時，應(yīng)及時預(yù)警響應(yīng)；當(dāng)達到80%時，需報警響應(yīng)，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(jié)構(gòu)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(cè)按10 m的間距布設(shè)監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布設(shè)2個測點。在區(qū)間結(jié)構(gòu)兩側(cè)，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(nèi)渣質(zhì)，注入適量清水養(yǎng)護；然后向孔洞內(nèi)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(shè)形式如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)沉降測點布置示意

4.2.2 軌道結(jié)構(gòu)豎向變形

U形槽段影響范圍內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)豎向變形測點與隧道結(jié)構(gòu)豎向變形測點布設(shè)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(shè)計位置鉆孔埋入。測點埋設(shè)不得影響地鐵設(shè)施，保證埋設(shè)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(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)豎向變形測點平面布置如圖6所示。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)豎向變形測點平面布置(單位：m)

4.2.3 隧道結(jié)構(gòu)橫向變形與收斂

隧道結(jié)構(gòu)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(shè)斷面與豎向位移監(jiān)測斷面一致，每個斷面布設(shè)1個測點。隧道結(jié)構(gòu)收斂測點與隧道結(jié)構(gòu)豎向變形測點布設(shè)在同一斷面，每個斷面布設(shè)2組測點，采用JSS30A型數(shù)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(shù)標準工務(wù)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(jié)構(gòu)沉降觀測斷面對應(yīng)。在施工影響范圍內(nèi)每150 m布設(shè)1組無縫線路位移觀測點，每條軌上設(shè)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(jié)構(gòu)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(wǎng)按測線形式在兩條隧道結(jié)構(gòu)上布置，基準點在受隧道施工影響外的結(jié)構(gòu)位置布設(shè)。西郊線明挖區(qū)間上跨地鐵10號線對應(yīng)既有隧道里程處，影響中心下方對應(yīng)位置左右線各布設(shè)1個監(jiān)測斷面，沿隧道走向兩側(cè)按10 m間隔布設(shè)測點，各布設(shè)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(gòu)井至明挖區(qū)間。

5 實測數(shù)據(jù)分析

5.1 隧道結(jié)構(gòu)豎向變形分析

土體開挖后，基坑底部應(yīng)力釋放，既有隧道上部卸荷，受力減小，則會導(dǎo)致既有隧道受到向上附加力的作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起變形。當(dāng)?shù)谝欢蜺形槽開挖時，開挖范圍主要集中在盾構(gòu)隧道左線正上方，土體開挖后，兩線隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)底板時，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)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(cè)墻，左線隧道結(jié)構(gòu)各測點表現(xiàn)出明顯沉降的趨勢，而右線則個別點出現(xiàn)沉降。第一段主體結(jié)構(gòu)做完后，基坑中部對應(yīng)隧道測點的隆起值大于基坑邊緣對應(yīng)隧道測點值。約在第65 d開挖第二段，隧道結(jié)構(gòu)又出現(xiàn)隆起，但隆起變化不大；約在第100 d施工第二段主體結(jié)構(gòu)，處于同一監(jiān)測斷面的兩側(cè)測點的豎向變形值表現(xiàn)出比較明顯的差異性；基坑中心處對應(yīng)的隧道豎向變形趨勢一致，而基坑邊緣對應(yīng)的兩側(cè)測點在施工后期則呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)豎向變形曲線

5.2 軌道結(jié)構(gòu)豎向變形

從軌道結(jié)構(gòu)沉降上看，兩條線路軌道都表現(xiàn)出隆起的現(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)之后處于向下沉降的趨勢；第二階段的開挖使左線產(chǎn)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(jié)構(gòu)豎向變形如圖9所示。

圖9 軌道結(jié)構(gòu)豎向變形曲線

5.3 隧道結(jié)構(gòu)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(xiàn)象，數(shù)據(jù)變化較為凌亂，橫向變形曲線如圖10所示。

圖10 隧道結(jié)構(gòu)橫向變形曲線

地勘報告中測得該場地土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)K<0.7，隧道頂部所受土體的自重應(yīng)力大于側(cè)向受到的水平自重應(yīng)力，則既有隧道產(chǎn)生“橫橢圓”的變形規(guī)律；當(dāng)土體開挖以后，上方壓力小于水平受力，隧道產(chǎn)生水平壓縮，豎向拉伸的“豎橢圓”的收斂變形。當(dāng)施作底板和主體結(jié)構(gòu)后，隧道收斂逐漸恢復(fù)，然后再緩慢收斂；當(dāng)?shù)诙A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(jié)構(gòu)后，兩軌距慢慢靠攏，主體結(jié)構(gòu)完成后，軌距張開量達到最低值；當(dāng)?shù)诙伍_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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后隧道開始沉降，當(dāng)?shù)诙伍_挖時，隧道又重新開始隆起，與第一階段開挖相比，隧道結(jié)構(gòu)隆起值更加平穩(wěn)，基坑中心范圍內(nèi)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(xiàn)沉降，與人工測量結(jié)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(jié)構(gòu)變形自動化監(jiān)測曲線

6 結(jié)語

在既有運營盾構(gòu)隧道上方近距離開挖基坑，會引起隧道和軌道結(jié)構(gòu)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(gòu)隧道的變形成功控制在規(guī)定值以內(nèi)，并得出以下結(jié)論。

(1)既有運營盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移以及軌道的豎向位移均表現(xiàn)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(gòu)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(nèi)。

(3)U形槽開挖應(yīng)遵循“分層、分塊、分條幅、平衡、限時、對稱”原則；開挖完成后應(yīng)該及時施作主體結(jié)構(gòu)，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(fēng)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(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、軌距、隧道收斂等進行監(jiān)測，制定好預(yù)警值和報警值，對可能發(fā)生的事故提供及時、準確的預(yù)報，確保既有線的安全運營。