基坑開(kāi)挖引起下臥地鐵隧道上浮變形的控制研究

李 鵬 趙 偉 韓理想

(1.徐州地鐵集團(tuán)有限公司， 221007， 徐州； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院， 221116， 徐州；3.徐州地鐵基礎(chǔ)設(shè)施工程有限公司， 221007， 徐州∥第一作者， 高級(jí)工程師)

隨著城市地鐵隧道建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大，不可避免地會(huì)出現(xiàn)基坑開(kāi)挖工程位于既有隧道上方的情況，由此帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大。

基坑開(kāi)挖卸載，會(huì)使基坑影響范圍內(nèi)土體的應(yīng)力狀態(tài)改變而產(chǎn)生變形[1]，下臥于基坑的臨近既有隧道結(jié)構(gòu)會(huì)因基坑開(kāi)挖后周?chē)馏w卸載回彈而產(chǎn)生上浮變形，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂漏水，影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家[2-5]大多采用理論解析、數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)分析等方法對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程臨近既有隧道的變形規(guī)律，提出了基坑施工對(duì)地鐵隧道的工程風(fēng)險(xiǎn)控制措施等，取得了一定的成果?？紤]到地質(zhì)條件的復(fù)雜性及施工方法的多樣性，本文以徐州地鐵1號(hào)線車(chē)輛段基坑施工為背景，針對(duì)地鐵基坑開(kāi)挖引起下臥既有隧道上浮變形控制技術(shù)進(jìn)行了研究，可為同類(lèi)工程提供參考。

1 工程概況

徐州地鐵1號(hào)線車(chē)輛段出入段線大致呈東南至西北走向布置，全長(zhǎng)882 m，分為地下段、U型槽段與路基段。其中，車(chē)輛段出入段線地下段為明挖基坑，局部跨越既有地鐵盾構(gòu)隧道(已貫通，尚未通車(chē))，開(kāi)挖基底距離盾構(gòu)隧道頂面高程最小豎向凈距僅3.025 m。

1.1 出入段線明挖基坑

出入段線明挖基坑全長(zhǎng)230 m，平面圖如圖1所示。里程K0+590～666段采用Φ850@600 mm SMW樁圍護(hù)開(kāi)挖，基坑開(kāi)挖寬度為10.8 m，局部擴(kuò)大部分達(dá)到13.2 m；里程K0+666～820段直接放坡開(kāi)挖，基坑開(kāi)挖寬度約39.6～45.0 m不等，基坑開(kāi)挖深度約為7.0～10.3 m。

綜合考慮居民建筑拆遷和管線遷改的情況，出入段線明挖基坑設(shè)計(jì)開(kāi)挖分四段：第一段為K0+697～757交叉核心段；第二段為K0+757～820段，此段待交叉段施工完成后放坡開(kāi)挖施工；第三段為K0+590～666段，此段待SMW圍護(hù)樁施工完成可進(jìn)行降水施工；第四段為K0+666～697段，此段待第三段主體結(jié)構(gòu)頂板施工完成后施工，具體情況如圖1所示。

1.2 既有隧道

既有地鐵盾構(gòu)隧道(已貫通，未通行)交叉下臥于出入段線明挖基坑，襯砌采用預(yù)制鋼筋砼管片錯(cuò)縫拼裝，環(huán)寬1 200 mm，厚度為350 mm，每環(huán)管片由6塊管片通過(guò)縱向螺栓相連，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P10。其中，區(qū)間右線隧道自里程KX+697～757與出入段線斜交，既有地鐵隧道與出入段線基坑的位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 基坑平面示意圖

圖2 地鐵隧道與出入段線基坑位置關(guān)系示意圖

1.3 場(chǎng)地水文地質(zhì)情況

工程場(chǎng)地表層主要分布雜填土和素填土。地鐵隧道主要位于第四系全新統(tǒng)沖積層，主要包括②4粉質(zhì)黏土層和②3黏土層。①人工填土層結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，壓縮性高；②4粉質(zhì)黏土層，軟塑至硬塑狀，層厚0.50～5.50 m；②3黏土層，可塑狀，局部夾薄層粉土，層厚0.8～3.0 m；隧道下臥段主要為⑤粉質(zhì)黏土層，可塑至硬塑狀，場(chǎng)地地質(zhì)斷面圖如圖2所示。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)及抽水試驗(yàn)成果資料分析，場(chǎng)地水文地質(zhì)條件一般。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露情況，上層滯水分布不均，局部富水性較好。在附近水井中量測(cè)承壓水穩(wěn)定水位埋深約18 m，高程約為21.5 m。

2 施工前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制措施

2.1 工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基坑開(kāi)挖施工前，對(duì)車(chē)輛段基坑施工風(fēng)險(xiǎn)管理采用綜合風(fēng)險(xiǎn)分析方法，建立工程風(fēng)險(xiǎn)矩陣如表1所示。通過(guò)專(zhuān)家調(diào)查法，利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)可能的致險(xiǎn)因子的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合成整個(gè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。具體步驟如下：① 確定每個(gè)致險(xiǎn)因子的權(quán)重，以表征其對(duì)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的影響程度；② 確定每個(gè)致險(xiǎn)因子的等級(jí)值，按風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的后果確定風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)。

表1 車(chē)輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表1中，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)參照GB 50652劃分，Ⅰ級(jí)表示風(fēng)險(xiǎn)最大，Ⅳ級(jí)表示風(fēng)險(xiǎn)最小，從Ⅰ級(jí)到Ⅳ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)遞減[6]。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)概率值、風(fēng)險(xiǎn)后果值劃分主要依據(jù)GB/T 20984[7]。

2.1.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)確定

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算涉及的風(fēng)險(xiǎn)要素一般為資產(chǎn)、威脅和脆弱性，由威脅和脆弱性確定安全事件發(fā)生可能性，由資產(chǎn)和脆弱性確定安全事件的損失，以及由安全事件發(fā)生的可能性和損失確定風(fēng)險(xiǎn)值[7]：

R=P×C

(1)

式中：

R——風(fēng)險(xiǎn)值；

P——致險(xiǎn)因子發(fā)生的概率；

C——致險(xiǎn)因子發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的后果。

將車(chē)輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險(xiǎn)模型的指標(biāo)設(shè)為隧道上浮變形、基坑局部坍塌，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專(zhuān)家對(duì)基坑施工中涉及的資產(chǎn)、威脅和脆弱性進(jìn)行識(shí)別量化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的定量處理。具體結(jié)果如表2所示。

表2 車(chē)輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別表

2.1.2 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和后果

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專(zhuān)家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別定量，得到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率值Rp和后果Rc為：

Rp=αt+βv

(2)

Rc=ma+nv

(3)

式中：

α、β、m、n——常數(shù)。

根據(jù)計(jì)算得出風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率值與風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果值。結(jié)合車(chē)輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險(xiǎn)矩陣表，明確施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如表3所示。

表3 車(chē)輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

根據(jù)評(píng)估結(jié)果，出入段線基坑里程K0+697～757核心交叉段的隧道結(jié)構(gòu)變形與基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為Ⅱ級(jí)，屬風(fēng)險(xiǎn)最高區(qū)段。該段基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有地鐵隧道影響明顯，既有隧道上方基坑開(kāi)挖卸載，易造成既有隧道縱向拉伸變形和位移，損傷既有隧道的拱作用，從而使既有隧道的襯砌荷載加大，存在既有隧道襯砌開(kāi)裂、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、管片上浮風(fēng)險(xiǎn)。因此，在基坑開(kāi)挖前充分做好降水、地基加固等措施，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)控制開(kāi)挖進(jìn)尺，嚴(yán)格分層分段放坡開(kāi)挖，做好邊坡支護(hù)，密切關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

2.2.1 基坑降排水施工

為提高坑內(nèi)土體強(qiáng)度，解決基坑開(kāi)挖施工期間結(jié)構(gòu)抗浮的影響，設(shè)計(jì)降低基坑范圍內(nèi)淺層地下水水位至基坑底部以下1.0 m。

基坑降水采用大管井法降水，圍護(hù)樁段K0+590～666設(shè)置降水疏干井5口，縱向每隔15 m左右；放坡開(kāi)挖段K0+666～820縱向每隔15 m設(shè)置一排疏干井，疏干井橫向間距約15 m，每排4口，兩側(cè)坡頂和坡底各1口。結(jié)合出入段線基坑開(kāi)挖深度，綜合考慮地質(zhì)水文情況及開(kāi)挖深度確定疏干井基底深入不透水層即可(約底板下4 m)。

考慮到基坑降水對(duì)下臥隧道可能造成的影響，在盾構(gòu)區(qū)間兩側(cè)各設(shè)置3口備用觀測(cè)井，井深為底板以下10 m。同時(shí)加強(qiáng)降水過(guò)程中的水位監(jiān)測(cè)，如出現(xiàn)盾構(gòu)隧道隆起超過(guò)預(yù)警值的情況，則啟動(dòng)備用觀測(cè)井，如圖3所示。

2.2.2 監(jiān)控量測(cè)

該基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括坡頂豎向位移、水平位移、周邊地表沉降、地下水位等?？紤]到基坑施工可能引起下臥地鐵隧道上浮，應(yīng)增加對(duì)既有盾構(gòu)隧道的監(jiān)測(cè)，在交叉核心段范圍內(nèi)，右線隧道每隔約10 m(部分區(qū)間監(jiān)測(cè)點(diǎn)加密)設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)變形測(cè)點(diǎn)，以便對(duì)既有隧道進(jìn)行凈空收斂、拱頂沉降及上浮變形監(jiān)測(cè)。

2.2.3 基坑開(kāi)挖施工

基坑采用漸進(jìn)式放坡開(kāi)挖，首先施工交叉核心段中間部分，及時(shí)澆筑底板和部分側(cè)墻，再開(kāi)挖交叉段核心段兩側(cè)基坑，減少基坑暴露時(shí)間。

考慮單側(cè)開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道偏壓的影響，交叉核心段采用兩臺(tái)長(zhǎng)臂挖機(jī)從南北兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，土方開(kāi)挖時(shí)按1∶1放坡，自上而下開(kāi)挖，先開(kāi)挖至鋼板樁位置，進(jìn)行鋼板樁施工，分層厚度為2 m，直至基坑底部挖至坡腳線；底部30 cm土方采用人工配合小挖機(jī)進(jìn)行施工，一次性開(kāi)挖到位，嚴(yán)禁來(lái)回碾壓擾動(dòng)和超挖。

圖3 降水井布置示意圖

2.2.4 坡體防護(hù)

為保證基坑穩(wěn)定，放坡開(kāi)挖時(shí)，及時(shí)掛網(wǎng)并噴射混凝土(厚度10 cm)，同時(shí)在坡面設(shè)置一排鋼板樁和二排松木樁以穩(wěn)固坡面。鋼板樁規(guī)格為600 mm×210 mm，長(zhǎng)度為9 m；松木樁徑為15～20 cm，長(zhǎng)度為3.0～5.5 m不等。

2.2.5 既有隧道保護(hù)

為了確保出入段線明挖基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道上浮變形滿足控制要求，在基坑開(kāi)挖前對(duì)既有盾構(gòu)隧道內(nèi)交叉段設(shè)置縱向加強(qiáng)聯(lián)系條，以增加盾構(gòu)隧道整體穩(wěn)定性。在隧道拱腰以上布設(shè)加強(qiáng)聯(lián)系條，聯(lián)系條采用Q235熱軋槽鋼，加強(qiáng)范圍為核心段及兩側(cè)各20 m，安裝時(shí)聯(lián)系條根據(jù)節(jié)長(zhǎng)焊接。

3 隧道上浮變形分析及控制措施

出入段線交叉核心段基坑于2018年1月12日開(kāi)挖，1月14日12:00左右，基坑開(kāi)挖深度約6 m，距基底設(shè)計(jì)標(biāo)高約3 m。1月15日，里程K0+723～733范圍內(nèi)基本開(kāi)挖至8 m，基坑下方盾構(gòu)隧道上浮監(jiān)測(cè)點(diǎn)日變速率最大值3.5 mm/d(控制值2 mm/d)，上浮累計(jì)值最大4.9 mm(控制值5 mm)；開(kāi)挖至9 m時(shí)(到基底設(shè)計(jì)標(biāo)高)，日變速率最大值6.7 mm/d，上浮累計(jì)值8.5 mm，達(dá)到監(jiān)測(cè)紅色預(yù)警[9]，如圖4所示。

3.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警分析

在里程K0+697～757范圍內(nèi)跨越既有隧道，隧道拱頂與開(kāi)挖基底相距2.8～3.5 m。鑒于1月14—19日核心區(qū)地下水水位、地表沉降數(shù)據(jù)穩(wěn)定可控，而隧道上浮、拱頂沉降均超出監(jiān)測(cè)控制值，達(dá)到監(jiān)測(cè)紅色預(yù)警。綜合分析，主要原因是隧道上方基坑土體卸載，損傷既有隧道的拱作用，從而使既有隧道的襯砌荷載加大，造成既有隧道縱向拉伸變形和上浮位移。

圖4 K0+723～733段隧道上浮實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 處理措施

立即停止基坑開(kāi)挖，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)降水管理，24 h不間斷降水，將交叉核心段水位降至隧道底部以下；加密監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)準(zhǔn)確反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)既有盾構(gòu)隧道進(jìn)行壓重，減小基坑開(kāi)挖卸載的影響，壓重采用成型軌排，每段軌排長(zhǎng)度25 m，質(zhì)量約13 t，共堆載4層；對(duì)既有盾構(gòu)隧道管片增加6道縱向聯(lián)結(jié)板，以增強(qiáng)既有隧道整體性。同時(shí)，加快已開(kāi)挖至基底部分的主體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)程，加大資源配置，確保底板結(jié)構(gòu)盡快完成。

1月18日，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示隧道上浮速率已減緩，日最大上浮變形量為0.9 mm，數(shù)據(jù)已基本趨于穩(wěn)定，如圖5所示，表明應(yīng)急處理措施有效。

3.3 基坑開(kāi)挖與隧道變形規(guī)律分析

經(jīng)對(duì)基坑K0+723～733里程下部隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)不同卸載率和隧道上浮變形量存在線性關(guān)系，如圖5所示。在卸載率較小的時(shí)候，隧道上浮變形量很小，這是由于在卸荷初期，卸荷比很小，此時(shí)土體的回彈模量很大，由此而產(chǎn)生的回彈變形較小；隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，卸荷比逐漸增大，回彈模量則相應(yīng)線性減小，回彈變形開(kāi)始明顯增大。在卸載率較大時(shí)，土體卸荷回彈造成隧道上浮變形量與卸載率基本呈線性相關(guān)。

圖5 K0+723～733段隧道上浮變形量與

基坑K0+720～740里程段開(kāi)挖期間，下臥盾構(gòu)隧道的典型上浮發(fā)展曲線如圖6所示，主要包含3個(gè)上浮段和3個(gè)回落段。上浮段的主要原因是基坑開(kāi)挖卸載導(dǎo)致隧道周?chē)馏w回彈變形，回落段主要是由于基坑結(jié)構(gòu)施工及覆土回填。從圖6可以看出，在第一次開(kāi)挖出現(xiàn)預(yù)警后，采取控制措施減小盾構(gòu)隧道上浮，后面兩次開(kāi)挖引起盾構(gòu)隧道上浮變形量均小于第一次開(kāi)挖時(shí)引起的上浮變形量，且整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中上浮變形量均未達(dá)到警戒值，表明對(duì)既有隧道進(jìn)行壓重及降低地下水位等措施對(duì)控制隧道上浮具有較好的效果。

圖6 K0+720～740段隧道上浮變形量隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

1) 基坑開(kāi)挖對(duì)下臥既有隧道有明顯的影響?；娱_(kāi)挖卸荷使下方土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，隧道周?chē)馏w發(fā)生回彈變形。在土體卸載率較大時(shí)，卸荷回彈造成隧道上浮變形量與卸載率基本呈線性相關(guān)。

2) 分層分段基坑開(kāi)挖的同時(shí)，采用合理科學(xué)的降水，在既有盾構(gòu)隧道內(nèi)采用壓重與縱向聯(lián)結(jié)等措施，可以有效控制基坑開(kāi)挖卸荷引起的隧道位移變形。

3) 為保護(hù)既有隧道的結(jié)構(gòu)安全，基坑開(kāi)挖過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的變形監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)施信息化監(jiān)測(cè)施工，可以有效地掌握既有隧道的變形情況，從而能夠及時(shí)采取合理有效的工程措施。