盾構(gòu)隧道上方大面積卸載時上浮控制措施研究

劉君偉

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展,土地及資源越來越顯稀缺,為了節(jié)省地上空間的使用,對地下空間的開發(fā)越來越緊促,而隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展以及人口的增長,已有建筑物的地下結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足不了人們的需求,因此需要對既有建筑物的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)建,但隨著城市地鐵的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營不斷發(fā)展,擴(kuò)建工程鄰近既有地鐵的案例也越來越常見,而地鐵隧道多為盾構(gòu)法施工的柔性結(jié)構(gòu),對周邊環(huán)境較為敏感。因此,各運(yùn)營地鐵線路均對地鐵隧道提出變形保護(hù)要求,國標(biāo)及各地地標(biāo)也有關(guān)于隧道變形的具體限值。

況龍川[1]研究了深基坑施工引起旁邊地鐵隧道的變形,根據(jù)開挖工況與隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析影響隧道的主要原因,得出了結(jié)論；鄭剛[2]等人研究了基坑開挖引起的鄰近隧道影響變形區(qū),劃分了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區(qū)；魏綱[3]等人針對基坑開挖對相鄰的隧道變形進(jìn)行了實(shí)測分析,分析大型深基坑開挖對旁邊地鐵隧道的影響規(guī)律以及支護(hù)加固措施的效果,并提出隧道水平位移的預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式；呂高樂[4]等人采用數(shù)值模擬的方法研究了雙側(cè)深基坑施工過程對基坑坑內(nèi)土體隆起與坑外土體沉降的影響,分析了雙側(cè)深基坑施工過程中地鐵車站及盾構(gòu)隧道變形情況,得出地鐵車站及盾構(gòu)隧道變形規(guī)律；李成巍[5]等人研究了深基坑施工對鄰近盾構(gòu)隧道的影響,研究出了控制隧道變形的技術(shù)措施。

目前,國內(nèi)關(guān)于緊鄰地鐵隧道基坑工程設(shè)計施工的研究和工程報道較多,但是對于隧道上方近距離、大量卸載的新建管溝開挖工程設(shè)計施工相關(guān)研究和工程報道相對較少。

本文以北京某地鐵上方某體育中心的管廊擴(kuò)建工程為例,對管溝開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,提出地鐵盾構(gòu)隧道上方大面積卸載時的變形控制措施,以期為地鐵隧道上方緊鄰管溝開挖工程提供參考。

1 工程概況

管溝擴(kuò)建工程位于該體育館院內(nèi),西側(cè)為市內(nèi)主干道,主干道下為正在運(yùn)行的地鐵線路,平面關(guān)系圖如圖1 所示。圖中地鐵下穿了待建管溝,本文主要研究新建管溝開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)以及軌道結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 既有地鐵于新建管溝的位置關(guān)系平面圖

賽事中心基坑深度為7.90m～17.60m,基坑?xùn)|西長度約為160m,南北寬度為70m。新增地下管溝整合地下管線,管溝長度約為715m,寬度7m?！?.00=50.80m,現(xiàn)狀地面標(biāo)高為50.65m,即-0.15m,基坑深度為2.50m～7.00m,基坑深度小于4.75m(不含)采用掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)形式,地鐵上方管溝基坑深度6.15m,采用土釘墻支護(hù)。

該地鐵隧道埋深最淺約10m,地鐵上方禁止打樁；地鐵范圍5m 內(nèi)禁止施工圍護(hù)樁。穿越段地鐵右線為礦山隧道和盾構(gòu)隧道；左線范圍內(nèi)都為盾構(gòu)隧道。

2 數(shù)值模擬預(yù)測

2.1 模型概述

根據(jù)地鐵隧道與新建管溝的位置關(guān)系以及賽事中心基坑的范圍,計算模型總尺寸為310m×420m×50m,計算模型中周圍土體采用實(shí)體單元,不同的土層采用不同的材料模擬邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界,其他面均采取法向約束。模型如圖2。

模型按照要求對隧道頂部的地基進(jìn)行注漿加固；為了減少土體回彈釋放,對加固區(qū)域的槽底添加墊層進(jìn)行筑底加固。

圖2 有限元數(shù)值模擬計算模型

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)地勘資料將模型中的土分為5 層,各參數(shù)選取如表1所示。

表1 模型參數(shù)選取

2.3 計算假定

2.3.1 新建施工期間既有地鐵僅考慮正賞使用工況,不考慮地震、人防工況；

2.3.2 假定既有地鐵結(jié)構(gòu)為線彈性材料；

2.3.3 假定既有地鐵及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則；

2.3.4 本評估分析的前提是施工處于正常良好控制的條件下。

2.4 施工步序

根據(jù)新建工程的施工步驟,在模型進(jìn)行計算時,將施工模擬階段分為7 個階段,如表2 所示。

表2 施工階段

3 隧道沉降計算結(jié)果及分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

管溝的開挖使得隧道上方荷載大量卸載,改變了原有底層的初始平衡條件,造成了隧道變形。

使用數(shù)值模型計算得到的各施工階段中隧道的變形量如圖3。

圖3 隧道變形時程曲線

由沉降時程曲線圖可知既有隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向變形值為1.418mm(上浮)(發(fā)生在階段六和階段七),最大橫向變形值為0.879mm(發(fā)生在階段四),位移方向?yàn)楣軠祥_挖側(cè)。其中最大的豎向變形發(fā)生在隧道穿越新建管溝處,最大橫向變形也發(fā)生在穿越處。施工階段六的豎向變形云圖如圖4。

圖4 豎向變形云圖

3.2 軌道結(jié)構(gòu)變形分析

管溝開挖引起既有地鐵軌道結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定的變形。軌道結(jié)構(gòu)最大的豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm,比隧道的變形要小,且變形值在容許范圍之內(nèi)。

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

3.3.1 經(jīng)數(shù)值計算得到,隧道上方新建管溝施工期間隧道的最大豎向位移為1.418mm,最大橫向位移為0.879mm,隧道產(chǎn)生位移是因?yàn)楣軠祥_挖后,隧道上部地層初始平衡條件發(fā)生改變,使得管溝土體回彈從而導(dǎo)致隧道產(chǎn)生位移。

3.3.2 軌道結(jié)構(gòu)最大的豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm。

3.3.3 隧道和軌道結(jié)構(gòu)的變形均在安全范圍內(nèi),說明采取隧道頂部注漿和管溝底部墊層的措施能夠有效控制隧道結(jié)構(gòu)的變形,并且可以認(rèn)為在正常施工條件下,對軌道采取一定的監(jiān)測與軌道防護(hù)措施的條件下,能夠保證既有地鐵的安全運(yùn)營。

4 隧道變形控制措施

該工程有效地控制了地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的變形,滿足了地鐵對變形控制的要求,施工過程中采取的控制措施如下。

4.1 新建管溝分段施工

施工場地將綜合管溝本標(biāo)段劃分為五個區(qū)域先后施工,2段結(jié)構(gòu)施工完成后,開始1、4、5 段施工,結(jié)構(gòu)完成后,再開始3、6 段施工。

如果先進(jìn)行3、6 段管溝的施工,將會在進(jìn)行其他分段的施工時造成隧道的二次變形,所以該方案主要先進(jìn)行離隧道較遠(yuǎn)的分段的管溝施工,再進(jìn)行地鐵左右線上方的管溝分段的施工,能夠?qū)⒆罱K變形控制在安全范圍內(nèi)。

4.2 地基處理

4.2.1 注漿加固

為了控制好隧道的變形,對隧道上方地基進(jìn)行了注漿加固,地基注漿處理范圍如,地基處理面積約1200m2,采用袖閥管注漿加固工藝,袖閥管注漿孔：607 個,孔深8.2m,共計4977.4m。

注漿孔孔徑：110mm,間距：1.5m×1.5m。

為防止?jié){液進(jìn)入地鐵范圍內(nèi),注漿范圍嚴(yán)格控制,地外2m為保護(hù)區(qū),注漿孔底不進(jìn)入砂層。

注漿壓力0.2～0.5Mpa；當(dāng)孔口泛漿或泵壓力大于1Mpa 時,停止注漿。

水泥采用P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥,水泥漿水灰比0.7～1.0；注漿量尚應(yīng)通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定,重點(diǎn)注漿加固區(qū)域不少于500kg/孔。

常規(guī)袖閥管注漿套殼料采用水泥、膨潤土或黏土和水的混合漿制成,比例為1:1.5:1.8,套殼強(qiáng)度必須兼?zhèn)溟_環(huán)和防止串漿。

4.2.2 筑底加固

為了減少土體回彈釋放,對加固區(qū)域的槽底進(jìn)行筑底加固。在人工清槽施工時,分段快速清理,清理完成后立即澆筑加厚墊層,墊層厚度為200mm,與槽底同寬。

4.3 土方施工

園區(qū)改造新增地下管溝整合地下管線,管溝長度約為715m,寬度7m,建筑面積5000m2,基坑深度為2.50m～7.00m,基坑深度小于5m(不含)采用掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)形式,基坑深度大于5m 采用土釘墻支護(hù),其中20 剖面采用微型樁復(fù)合土釘墻支護(hù)形式?；影踩燃墳槿?重要性系數(shù)為0.9。

樁錨支護(hù)：

首先進(jìn)行護(hù)坡樁施工→第一步土方開挖至-3.15m→第一步土釘墻支護(hù)施工(方向由東向西)→護(hù)坡樁冠梁施工→第二步土方挖運(yùn)至第一道預(yù)應(yīng)力錨桿標(biāo)高以下500mm→第一道預(yù)應(yīng)力錨桿施工→錨桿達(dá)到張拉條件并張拉鎖定→進(jìn)行下步土方的開挖至下道錨桿標(biāo)高下500mm→進(jìn)行第二道預(yù)應(yīng)力錨桿施工→第二道錨桿達(dá)到張拉條件并張拉鎖定→進(jìn)行開挖直至基坑底部→最后進(jìn)行人工清槽。

土釘墻施工：

方開挖原則符合分層、分段、適時的原則,嚴(yán)禁超挖,與土釘施工密切配合,為保證施工完成后,施工區(qū)域穩(wěn)定,因此管廊肥槽快速回填,但是要保證回填質(zhì)量。

5 結(jié)論

對該穿越工程建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型,對既有地鐵的變形計算分析可以得出：

由于新建管溝的施工,既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的豎向變形和橫向變形,根據(jù)計算結(jié)果得出隧道最大上浮為1.418mm,最大橫向位移為0.879mm。軌道結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm,隧道和軌道結(jié)構(gòu)的變形均在安全范圍內(nèi),說明通過嚴(yán)格控制施工參數(shù),如：(1)對新建工程進(jìn)行分段施工；(2)對施工區(qū)域地基進(jìn)行注漿加固的同時對管溝底部添加墊層減少土體回彈；(3)對基坑邊坡設(shè)置合理的錨固措施,有效的將既有地鐵的變形控制在安全范圍內(nèi)；(4)進(jìn)行軌道加固。

可以保證高速列車的運(yùn)營安全,為隧道上覆荷載大量卸載造成隧道的變形控制積累了豐富、寶貴的成功經(jīng)驗(yàn),可為相關(guān)工程提供借鑒。