基坑上跨盾構(gòu)隧道實測數(shù)據(jù)分析及保護研究

高 永，賴衍鵬

（南京地鐵運營有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

在國家新基建的戰(zhàn)略背景下，城市軌道交通將涌現(xiàn)出新一輪的建設(shè)高潮。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《城市軌道交通2020年度統(tǒng)計和分析報告》[1]，截止2020年底，中國大陸地區(qū)共有45個城市開通城市軌道交通運營線路244條，運營線路總長度7969.7km，中心城市城軌交通客運量占公共交通客運總量出行比率38.7%。按線路敷設(shè)方式來分，地下線5422.3km，占比68.1%。地下線隧道多數(shù)為盾構(gòu)隧道，但因多縫、易滲漏、易損傷等缺點，如沿線保護區(qū)遭遇外部作業(yè)活動，極易發(fā)生滲漏和不均勻變形[2-5]，嚴重時可能危及結(jié)構(gòu)安全及運營安全。如何平衡城市功能開發(fā)與城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全，是軌道交通運營單位無法回避的現(xiàn)實課題?，F(xiàn)有研究方法可歸納為現(xiàn)場實測分析[6-7]、基于有限元的仿真模擬[8-9]、模型試驗[10-11]方法等?，F(xiàn)有研究更多針對工程前期設(shè)計方案可靠度驗證，或施工期間相對安全可靠的項目，以闡述某種方案或某項施工措施的科學(xué)性，缺乏不同措施的實測比對研究。

本文以某繞城高速公路南半幅深基坑趕工期違規(guī)施工為切入點，依托現(xiàn)場監(jiān)測、檢測與三維掃描普查等實測成果，佐證違規(guī)施工對盾構(gòu)隧道的不利影響程度，通過修正慣用法理論計算及Ansys建模分析以評估隧道結(jié)構(gòu)橫斷面及縱斷面的安全性能與安全冗余儲備，再以優(yōu)化保護措施的北半幅施工為比對研究對象，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)證明優(yōu)化措施的可靠度及定量效果，以總結(jié)與反分析基坑上跨運營盾構(gòu)隧道的保護措施，旨在為該類保護區(qū)作業(yè)設(shè)計、施工及軌道交通結(jié)構(gòu)保護提供參考。

1 項目概況

1.1 工程概況

某城市繞城高速改建采用半幅改造半幅通行方式進行，先南半幅路面改建、后北半幅改建。改建工程與軌道交通運營1號線、在建5號線存在交叉。交叉范圍為改建繞城高速K31+840~K31+920段，對應(yīng)軌道交通1號線左線K15+393~K15+468、右線K15+394~K15+470，對應(yīng)5號線左右線K2+777~K2+852。交叉范圍內(nèi)，高速公路路基基坑開挖深度約12.6~16.8m，開挖最底面距離1號線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂覆土厚度約4.15~5.07m，距離5號線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂覆土厚度約7.88~9.3m，項目平面見圖1。

圖1 項目平面圖（單位：mm）

1號線及5號線均為盾構(gòu)隧道，錯縫拼裝，內(nèi)徑5.4m，環(huán)寬1.5m，管片厚度0.3m，管片混凝土強度C50，區(qū)段管片按深埋及超深埋進行配筋。1號線于2016年12月26日投入運營。項目剖面見圖2。

圖2 項目剖面圖（單位：mm）

1.2 地質(zhì)概況

場地范圍內(nèi)土層自上而下主要為①-1人工填土（第四系全新統(tǒng)）、②黏土（第四系沖洪積層，膨脹土），③黏土（上更新統(tǒng)沖積層，膨脹土），④黏土（中更新統(tǒng)沖積層，膨脹土），⑤-1全風(fēng)化粉砂巖及⑤-2強風(fēng)化粉砂巖（第三系）。1號線及5號線盾構(gòu)隧道主要穿越③黏土。

1.3 保護設(shè)計方案

為保護交叉段1號線和5號線區(qū)間隧道，減小施工對區(qū)間隧道的影響，采用板凳樁+鋼筋混凝土蓋板的門式結(jié)構(gòu)保護軌道交通結(jié)構(gòu)。板凳樁采用直徑800mm的鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，樁長20m，蓋板及冠梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，蓋板厚度450mm。先期施工板凳樁，再施做板凳樁冠梁和蓋板，冠梁與蓋板連接。

1.4 施工技術(shù)要點

上跨軌道交通區(qū)間段采用分層分段抽條進行開挖，以“先外圍后中間；化整為零，分層分塊多次卸載；加隔離快封閉”的總體原則盡可能減少對盾構(gòu)區(qū)間的影響，橫向開挖寬度不大于6m，縱向一次性開挖。灌注樁施工建議帶鋼護筒施工，套管采用靜壓緩慢均勻壓入，施作是應(yīng)采用跳孔施工，在灌注樁混凝土24h后方可進行臨樁成孔施工。地下水降排采用坑外截水坑內(nèi)集水明排的方式進行處理，坑內(nèi)水位保持在基底以下1m。

2 南半幅基坑施工影響分析

2.1 施工方案調(diào)整

為了緩解春運繞城高速公路交通壓力，政府要求南半幅必須在2017年春節(jié)前放行交通。南半幅施工區(qū)域計算工期168d，按設(shè)計方案實施不可能完成既定工期目標。施工單位在按既定方案完成第①、②區(qū)段土方卸載后，調(diào)整了下部土方卸載方案，將原橫向6個斷面（分幅寬度6m）、縱向1個斷面、豎向2層開挖調(diào)整成橫向3個斷面，縱向1個斷面，豎向2層。標高22.779m至19.779m挖土層開挖寬度由6m調(diào)整成36m；標高19.779m至設(shè)計底標高開挖寬度由6m調(diào)整成最大18m。

南半幅土方卸載工況平面見圖3，土方卸載時序詳見表1。

圖3 南半幅土方卸載工況平面圖（單位：mm）

表1 南半幅土方卸載時序

2.2 隧道結(jié)構(gòu)病害

南半幅施工期間未對軌道交通實施針對性的保護監(jiān)測，致使土方卸載處于監(jiān)管盲區(qū)，無信息化指導(dǎo)手段。軌道交通運營單位委托的隧道健康監(jiān)測單位于2016年8月31日建立了初始觀測成果，此后2016年9月20日、11月21日、2017年3月6日相繼進行定期監(jiān)測。2017年3月6日發(fā)現(xiàn)該施工區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常隆起，詳見圖4。

圖4 1號線隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)垂直位移圖（單位：mm）

2.3 隧道結(jié)構(gòu)檢測

項目建設(shè)單位委托專業(yè)檢測單位于2017年10月28日至11月3日對1號線該區(qū)間K15+384~K15+484進行檢測。根據(jù)《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護維修技術(shù)規(guī)范》（DB11/T718—2016），右線主體結(jié)構(gòu)評定為二級、左線評定為三級，總體狀態(tài)良好，檢測區(qū)段內(nèi)左右線24處管片混凝土開裂、剝落，最大面積0.15m2，2處鋼筋外露，管片最大開裂寬度0.1mm、長0.6m，環(huán)間最大錯臺35mm，環(huán)內(nèi)最大錯臺15mm，4處管片接縫滲水。

根據(jù)探地雷達檢測圖譜分析，檢測區(qū)間左線道床下方初襯管片背后K15+401~404、K15+428~430、K15+436~442存在脫空和不密實現(xiàn)象；上行線道床下 方K15+387～389、K15+415～422、K15+471～478存在脫空和不密實現(xiàn)象。

2.4 隧道三維掃描

受軌道交通公司委托，專業(yè)單位于2017年12月1日凌晨選用法如X330儀器對1號線左線K15+374~K15+508、右線K15+357~K15+483段隧道結(jié)構(gòu)進行了三維激光掃描，提取了軌道幾何行位、接觸網(wǎng)導(dǎo)高、不同角度的隧道收斂值。經(jīng)掃描，接觸網(wǎng)導(dǎo)高在4.034m至4.050m之間，項目投影段隧道腰線水平收斂最大擴張44mm，最大擴張7.3‰D（D指隧道外徑）。

3 隧道結(jié)構(gòu)安全評價

3.1 隧道結(jié)構(gòu)環(huán)向分析

隧道管片材料取鋼筋混凝土，泊松比0.2，彈性模量3.45×107MPa，密度2500kg/m3，剛度折減系數(shù)0.7，接縫處考慮彎矩傳遞系數(shù)0.7與1.3，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，永久荷載分項系數(shù)1.35。采用修正慣用法，針對區(qū)間隧道的設(shè)計正常運營工況、隧道現(xiàn)狀工況進行內(nèi)力計算和承載力驗算。按深埋配筋進行核算，隧道結(jié)構(gòu)滿足極限承載力及正常使用安全要求。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)縱向分析

將隧道視為溫克爾彈性地基梁，將環(huán)間接頭簡化為彈性鉸單元，并通過在各環(huán)施加實測的沉降值，得到各環(huán)的內(nèi)力值，可進行截面抗剪驗算，以評估隧道結(jié)構(gòu)縱向整體安全性能。

管片縱向螺栓為M24的8.8級螺栓，彈性模量為210GPa，縱向螺栓共計10根，縱向連接螺栓的屈服強度為6.4×105kPa，抗剪強度為1.5×105kPa。管片彈性模量EC為3.45×107MPa，橫截面面積A為5.37211m2，截面慣性矩IC為21.878m2。經(jīng)計算，環(huán)縫轉(zhuǎn)動剛度Kθ為39374193kN·m/rad，環(huán)間抗切剛度KT為40000kN/m。隧道完全埋設(shè)于③黏土之中，根據(jù)土層信息，彈性地基基床系數(shù)K為45000kPa/m3。

利用有限元軟件Ansys進行建模，共模擬300環(huán)隧道，中間100環(huán)上覆土體自重減少為150kPa，中間100環(huán)發(fā)生上浮量取實際觀測值，。模擬出環(huán)彎矩絕對值最大312.694kN·m，剪力絕對值最大34.5557kN，經(jīng)校核，隧道管片縱向連接螺栓正向應(yīng)力6449.7kPa，剪切應(yīng)力1.018×104kPa，距離極限強度冗余量較大，彎矩圖和剪力圖分別見圖5和圖6。

圖5 現(xiàn)狀工況彎矩圖

圖6 現(xiàn)狀工況剪力圖

3.3 北半幅設(shè)計施工優(yōu)化

針對南半幅施工對軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，項目自2017年1月24日南半幅交通放行至2018年9月份期間處于停工狀態(tài)，期間軌道交通經(jīng)營單位對北半幅設(shè)計與施工方案優(yōu)化進行了多輪商討與論證?？傮w上，強化了板凳樁、蓋板、蓋板下方土體注漿、開挖分幅、限時措施等。方卸載總體按豎向三層、橫向每幅寬度3m、縱向3段進行分塊抽條跳倉開挖，北半幅施工工況剖面、平面見圖7及圖8。

圖7 北半幅施工工況剖面圖

圖8 北半幅施工工況平面圖

開挖時序如下：

時序1：現(xiàn)狀場地標高至22.779標高一次性開挖。

時序2：按臺階步開挖5號線區(qū)間上方土體，施工順序1-2-3......-7，每塊土體開挖后限時48h封閉蓋板。

時序3：按臺階步同步施工1號線區(qū)間上方土體，施工順序8-9-10......-14，每塊土體開挖后限時48h封閉蓋板。

時序4：按由左即右方向，逐步開挖15-16-17邊坡位置土體，每塊開挖寬度約9m（合并3幅），每塊土體開挖后限時48h封閉蓋板。

3.4 保護效果

3.4.1 開挖階段優(yōu)化措施效果

北半幅基坑較南半幅基坑，在開挖階段優(yōu)化了開挖分幅、分段，充分利用既有土體對下方盾構(gòu)隧道的壓載功能；通過明水截排措施，盡可能降低雨水慢慢浸透隧道上方膨脹土，充分發(fā)揮既有土體物理力學(xué)性能；充分利用時空效益原理，快速開挖，限時封閉，降低單跨土體卸載影響時長。在綜合保護措施下，北半幅開挖階段最大隆起量2.5mm，平均隆起1.4mm，最大隆起量減少了75%，平均隆起量減少了70%，見圖9，說明優(yōu)化措施效果顯著。

圖9 開挖階段隧道結(jié)構(gòu)垂直位移量對比（單位：mm）

3.4.2 工后階段優(yōu)化措施效果

工后隆起量：南半幅基坑施工無保護監(jiān)測數(shù)據(jù)，選用健康監(jiān)測數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計，以2016年3月6日為工后變形統(tǒng)計起始時間，截止2017年4月22日，歷時412d，盾構(gòu)隧道左右線最大分別隆起了8.8mm與9.3mm，平均隆起5.9mm；北半幅基坑自2019年7月25日施工完成后，截止2019年11月29日，歷時127d，盾構(gòu)隧道左右線最大分別隆起了2.3mm與2.4mm，平均隆起0.5mm，最大工后隆起量減少了75%，平均隆起量減少了92%，見圖10。

圖10 工后階段隧道結(jié)構(gòu)垂直位移量對比（單位：mm）

工后穩(wěn)定時間：南半幅基坑因監(jiān)測數(shù)據(jù)不全，工后第二期觀測較2016年3月6日間隔112d，隨后300天內(nèi)盾構(gòu)隧道尚無法進入0.01mm/d的穩(wěn)定標準，經(jīng)回歸分析，進入0.04mm/d的相對穩(wěn)定標準約歷時70d，進入0.01mm/的穩(wěn)定標準約歷時360d；北半幅基坑保護監(jiān)測實測數(shù)據(jù)標明，進入相對穩(wěn)定標準約歷時14d，進入穩(wěn)定標準約歷時50d。

經(jīng)工后隆起量與工后穩(wěn)定時間分析，南半幅基坑工后隆起量大且穩(wěn)定周期長，說明樁長20m的800@1500板凳樁+450mm厚的蓋板無法有效約束盾構(gòu)隧道隆起，其原因主要為：一是板凳樁樁長不足，造成樁及蓋板存在一定量的隆起（地面監(jiān)測數(shù)據(jù)已予以佐證）；二是蓋板施工及隆起造成下方土體與蓋板存在間隙，隧道上方4.6m高的土體發(fā)生長期的回彈變形；三是北半幅基坑長期停工暴露，勢必引起其所對應(yīng)的盾構(gòu)隧道（K15+394~K15+431）隆起變形，另外隧道斷面及上覆土均為膨脹土，雨水的長期浸透，造成土體遇水膨脹及強度降低，進一步加劇了盾構(gòu)隧道隆起變形。北半幅基坑吸取了南半幅基坑所揭露的問題，優(yōu)化了板凳張樁長、樁間距，增加蓋板厚度，對蓋板下方的土體進行填充注漿。通過一系列針對性措施，北半幅工后隆起量得到有效控制，大大縮短了進入穩(wěn)定的時長，見圖11。

圖11 工后階段隧道結(jié)構(gòu)垂直位移速率對比（單位：mm/d）

4 結(jié) 語

基坑上跨運營盾構(gòu)隧道因上覆土體卸載造成隧道四周土壓力發(fā)生改變，必須采取可靠措施控制隧道隆起，通過南半幅與北半幅不同保護措施下的實測數(shù)據(jù)分析，說明采用板凳樁、土體注漿、分倉限時開挖等措施可有效控制隧道隆起。

（1）基坑上跨運營盾構(gòu)隧道應(yīng)制定專項保護措施，開展專項保護監(jiān)測，以信息手段指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（2）優(yōu)化板凳樁的樁長與間距，細化分塊抽條跳倉限時開挖等施工組織措施，可有效降低盾構(gòu)隧道隆起量。

（3）針對膨脹土遇水膨脹、物理力學(xué)性能降低的特殊地層特性，開挖時需采取有效的隔水與截水措施。

（4）針對板凳樁下方施工空隙所造成隧道長期隆起變形，可采用預(yù)留注漿孔、及時填充注漿主動保護措施，以縮短隆起時長，減小隆起量。