MJS工法與管幕法處理基坑上跨運(yùn)營地鐵擾動效應(yīng)研究

牛自強(qiáng)

(中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 引言

近年來，徐州市大規(guī)模的城市擴(kuò)張及城市基礎(chǔ)建設(shè)，使得城區(qū)地上地下建構(gòu)筑物密集，以地鐵工程為主的地下空間開發(fā)取得了快速發(fā)展，目前已開通運(yùn)營車站54座，運(yùn)營隧道線路64.09 km，為集約土地資源，新建結(jié)構(gòu)物不可避免與運(yùn)營地鐵線路出現(xiàn)穿越、交叉與臨近現(xiàn)象，導(dǎo)致新建工程的建設(shè)難度和建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)愈來愈大[1-2]。這是因?yàn)樾陆ǖ叵陆Y(jié)構(gòu)物，無論是采取明挖法還是暗挖法，均需對土體進(jìn)行開挖，引起地層天然應(yīng)力狀態(tài)的改變，使其在調(diào)整應(yīng)力的過程中產(chǎn)生變形，造成既有運(yùn)營隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力和襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫、錯動等變形，影響既有運(yùn)營隧道軌面的平順度，列車運(yùn)營舒適度下降，嚴(yán)重的，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，造成安全事故[3]。

為保護(hù)既有運(yùn)營隧道，在隧道上部開挖土體時(shí)，需采取加固和隔離措施，以增強(qiáng)土體的剛度，避免土體變形的傳遞，也彌補(bǔ)由于土體開挖導(dǎo)致的應(yīng)力釋放，以維持隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡[4]。管幕法和MJS工法相結(jié)合可分別在隧道頂部形成帷幕結(jié)構(gòu)、在隧道周圍形成加固體，以減少新建結(jié)構(gòu)物土體開挖對運(yùn)營隧道的影響；另外管幕法和MJS工法可以應(yīng)用于場地狹小空間和周邊環(huán)境復(fù)雜、敏感地區(qū)，可以起到良好的地層變形控制效果[5]。

目前，對既有運(yùn)營隧道加固和保護(hù)的工程案例較多，一般采用MJS工法或者高壓旋噴樁等對新舊結(jié)構(gòu)物進(jìn)行豎向隔離，對管幕法的應(yīng)用研究也有不少報(bào)道[6]。陶連金等[7]采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對礦山法新建北京地鐵8號線隧道下穿既有10號線區(qū)間隧道進(jìn)行研究，指出管幕法可以有效降低下方隧道施工對上部既有隧道的擾動；劉新建等[8]針對卵石地層，采用管幕法對新建隧道進(jìn)行帷幕支護(hù)，降低新建隧道下穿交叉施工引起的上部既有運(yùn)營隧道的變形；郭勇[9]分析了大直徑管幕下穿運(yùn)營火車站的施工過程，運(yùn)用三維有限元的方法研究周邊土體和建筑物的變化，指出管幕法施工屬于微擾動施工技術(shù)，在敏感周邊環(huán)境區(qū)域具有顯著效果。綜合分析可知[10-11]，目前的研究主要集中在管幕法對下穿工程的隔離，而管幕法對上方新建工程與下方既有運(yùn)營隧道的微擾動和隔離研究非常少，與MJS工法相結(jié)合的平面和剖面上加固和隔離研究則更少，缺乏工程經(jīng)驗(yàn)借鑒和可指導(dǎo)施工的研究成果。

以徐州新城區(qū)彭祖大道快速路工程基坑上跨既有運(yùn)營地鐵2號線為例，研究管幕施工以及基坑開挖過程對既有隧道以及周圍土體的擾動效應(yīng)，分析隧道的應(yīng)力應(yīng)變特征，研究成果可以有效推廣MJS工法與管幕工法在臨近工程保護(hù)以及穿越敏感結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)用。

2 工程概況

徐州新城區(qū)彭祖大道快速路工程位于新城區(qū)西北部，自迎賓大道向北至新元大道，全長3.7 km，地鐵保護(hù)段上跨既有地鐵2號線是整個(gè)項(xiàng)目的控制節(jié)點(diǎn)工程，里程范圍為K5＋722.00～K5＋816.00。如圖1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，上跨段采用3個(gè)基坑施工進(jìn)行工程跨越，南側(cè)PM01基坑為管幕頂進(jìn)工作井基坑，基坑深度為10.9 m，寬度為30.3 m，結(jié)構(gòu)為暗埋標(biāo)準(zhǔn)雙孔箱涵；北側(cè)PM03基坑為管幕接收工作井，基坑深度為9.9 m，寬度為30.3 m，結(jié)構(gòu)為敞開U形槽結(jié)構(gòu)；上跨段PM02基坑上跨徐州地鐵2號線，基坑寬度B為30.3 m，基坑深度H從南至北，由7.52 m減小至5.82 m，基坑底至地鐵襯砌輪廓的垂直距離也從3.09 m增加至3.576 m。既有運(yùn)營隧道外輪廓直徑6.2 m，管片厚度35 cm。

圖1 上跨既有運(yùn)營地鐵隧道節(jié)點(diǎn)平面圖(單位:mm)

場區(qū)為黃泛沖積平原地貌單元，現(xiàn)為彭祖大道，場地地勢較平緩，走勢呈北高南低狀?，F(xiàn)地面高程最大值40.63 m，最小值34.87 m，相對高差為5.76 m。依據(jù)勘察成果表明，場地地層上部以雜填土、粉土及黏性土為主，雜填土的滲透等級為中等滲透，粉土及黏土的滲透等級為弱滲透，其中，①1雜填土、②4-2黏土、②5-2粉土、②5-3粉土為第四系全新統(tǒng)(Q4)新近沉積土，②3-3黏土為第四系全新統(tǒng)(Q4)一般沉積土，⑤3-4含砂姜黏土、⑤3-4A黏土為第四系晚更新統(tǒng)(Q3)老沉積土?？辈炱陂g測得場地內(nèi)地下水穩(wěn)定水位埋深為3.30～5.70 m，平均潛水穩(wěn)定水位埋深為4.31 m，相應(yīng)穩(wěn)定水位高程為30.67～34.86 m，平均潛水穩(wěn)定水位高程為33.75 m。管幕鋼管在地下水位以下。

3 施工工藝與監(jiān)測方案

3.1 施工工藝

如圖2所示，上跨段PM02基坑底部采用管幕法施工，對下部運(yùn)營隧道進(jìn)行隔離，鋼管直徑800 mm，厚度16 mm，單根長度為30 m，總根數(shù)為20根，鋼管為直縫鋼管。

圖2 上跨既有運(yùn)營地鐵隧道節(jié)點(diǎn)剖面圖

管幕安裝采用微型頂管施工工藝，頂進(jìn)時(shí)，以鋼管作為套管，管幕驅(qū)動設(shè)備靜壓鋼管頂進(jìn)，同時(shí)，將帶有專門鉆頭的螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)深入鋼管內(nèi)，管幕驅(qū)動設(shè)備為螺旋鉆桿提供旋轉(zhuǎn)動力，并傳遞鉆壓至鉆頭，鉆頭受扭矩對土體進(jìn)行削切和破碎，螺旋葉片旋轉(zhuǎn)將鉆渣排除至孔外，以此持續(xù)頂進(jìn)、持續(xù)削切和出渣，并隨鉆測量控制偏角，控制進(jìn)度在0.5%以內(nèi)，直至將鋼管頂進(jìn)至接受井，如此反復(fù)，按設(shè)計(jì)頂進(jìn)一排并列的鋼管形成共同受力的管幕結(jié)構(gòu)[12]。

在運(yùn)營隧道周圍采用MJS樁對土體進(jìn)行豎向加固，MJS樁直徑為2.0 m，間距為1.6 m，搭接長度為0.4 m，為避免對地鐵撐起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響，緊鄰隧道兩側(cè)位置采用北向半圓擺噴。

施工時(shí)，將施工區(qū)域分為7個(gè)小塊，采用3臺GF-120SV型MJS機(jī)進(jìn)行高壓噴射注漿。MJS噴射注漿的高壓水壓力控制范圍10～30 MPa；噴射漿液為強(qiáng)度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，水泥摻量為40%；壓縮空氣的壓力控制值為0.7 MPa；漿液壓力控制值為38～40 MPa；地內(nèi)壓力控制范圍0.1～0.3 MPa；流量值85～100 L/min；注漿管提升速度約為2.5 cm/min(全圓)、5 cm/min(半圓)，旋轉(zhuǎn)速度控制值約為4 r/min；加固體28 d單軸抗壓強(qiáng)度不得小于1 MPa，滲透系數(shù)小于5×10-5cm/s，粘聚力不小于0.3 MPa，彎壓強(qiáng)度不小于0.3 MPa。

3.2 監(jiān)測方案及風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)

為了研究管幕施工過程和上部快速路箱涵基坑開挖的擾動效應(yīng)，對土體和隧道的變形監(jiān)控量測。

取PM02基坑中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿隧道軸線方向上，布置3條測線，每條測線上共布置28個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測范圍為基坑中點(diǎn)兩側(cè)30 m范圍，測線平面布置如圖1所示，監(jiān)測點(diǎn)埋深在管幕底部以下1.0 m，測線剖面布置如圖3所示；同時(shí)，為了監(jiān)測管幕頂進(jìn)過程對土體的擾動程度，在原點(diǎn)位置布置2個(gè)測點(diǎn)，分別在管幕上方1.0 m和在管幕下方1.0 m，如圖3所示。同時(shí)為了監(jiān)測隧道襯砌的應(yīng)力和變形，在左右隧道頂部布置測點(diǎn)，測點(diǎn)個(gè)數(shù)和間距與土體監(jiān)測點(diǎn)布置一致，如圖3所示。

圖3 MJS樁施工工序

涉地鐵段施工主要有2個(gè)擾動過程:第一次為管幕頂進(jìn)過程中對土體的擾動，第二次為由于基坑施工造成的土體擾動以及機(jī)械振動使土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響地鐵的應(yīng)力應(yīng)變變化。為防止由于施工造成地鐵隧道管片裂縫、滲漏等危險(xiǎn)，國家規(guī)范對相關(guān)變形和應(yīng)力控制指標(biāo)提出了具體要求，如表1所示。

表1 地鐵風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)

4 擾動效應(yīng)分析

4.1 管幕頂進(jìn)時(shí)引起土體變形

圖4為管幕頂進(jìn)時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)位置處，鋼管上、下1.0 m位置處的土體變形，從圖中可以看出，在鋼管頂進(jìn)開始到測點(diǎn)位置(圖4橫坐標(biāo)15.0 m)，土體的變形波動幅度非常小，基本無變化，而當(dāng)穿越監(jiān)測點(diǎn)后，可以監(jiān)測到頂管上下位置處的土體呈現(xiàn)明顯的沉降變形，且管幕上方的土體的變形量大于下方土體的變形量，并在頂進(jìn)20 m之后，變形量均趨于穩(wěn)定；整體而言，管幕上下方土體的變形量非常小，最大值均小于0.07 mm，表明管幕的施工過程，對土體的擾動起到了良好的控制作用。

圖4 管幕頂進(jìn)過程土體變形

4.2 基坑開挖對土體隆起變形的影響

對基坑開挖時(shí)土體隆起量結(jié)果進(jìn)行分析，變形曲線如圖5所示。分析時(shí)，對隆起量進(jìn)行了歸一化。從圖中可以看出，由于上部基坑土體的開挖，對下方土體產(chǎn)生了應(yīng)力釋放，土體發(fā)生隆起，土體的歸一化隆起率δ/H曲線均呈現(xiàn)高斯曲線分布，土體隆起量在基坑中點(diǎn)位置變形量最大，最大值為3.75 mm，小于表1中隧道隆起變形的報(bào)警值，向兩側(cè)隨著距離的增加而隆起量逐漸減小，表明在管幕結(jié)構(gòu)的隔離和MJS樁的加固作用下，對既有運(yùn)營隧道的變形影響達(dá)到了良好的控制作用。開挖卸載引起的土體隆起量在距離基坑中心1.0H，隆起量約為0.35 mm，小于1.0 mm，可以確定此范圍為基坑開挖對土體或下方隧道的影響區(qū)域；測線1和測線3位置處，土體的歸一化隆起率δ/H較為相近，而在測線2位置處的土體的歸一化隆起率δ/H最小，這是因?yàn)闇y線2位置處下方利用MJS樁加固土體的深度較深，加固底部超過了隧道拱底，而測線1和測線3位置，拱頂上方0.5 m范圍內(nèi)存在無MJS樁加固，由此表明，MJS樁有效地改善了土體的剛度，提高了其抗變形能力。

圖5 土體變形量曲線(H為基坑深度)

4.3 基坑開挖對襯砌應(yīng)變的影響

為研究開挖過程對襯砌應(yīng)變的影響，對基坑開挖至0.5 m、3.0 m和7.5 m時(shí)，右線隧道在基坑中點(diǎn)位置處橫向截面(圖1中的y方向)的襯砌應(yīng)變進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，由于基坑在隧道長度方向上的開挖卸載是對稱開挖，因此，隧道襯砌周圍的應(yīng)變呈對稱變化。研究發(fā)現(xiàn)，在隧道拱頂、拱肩、拱腰和仰拱位置的襯砌外表面會產(chǎn)生拉應(yīng)變，而在隧道拱腰位置襯砌的外表面會產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，運(yùn)營隧道表現(xiàn)出垂直方向伸長、水平方向壓縮的變形規(guī)律。由于隧道頂部的應(yīng)力釋放最大，因此，在不同開挖深度條件下，拱頂位置的襯砌始終保持為最大應(yīng)變值，表明在沿隧道橫向給定拉應(yīng)變條件下，拱頂比其他區(qū)域更容易開裂。

圖6 隧道橫截面應(yīng)變曲線(H為基坑深度)

圖7為沿隧道縱向(圖1中的x方向)拱頂?shù)膽?yīng)變計(jì)算變化曲線。從圖中可以看出，隨開挖深度的增加，沿其縱向隧道的拱頂應(yīng)變不斷增加；在基坑-10.0～10.0 m范圍內(nèi)，隧道拱頂產(chǎn)生拉應(yīng)變，而在兩側(cè)1倍基坑深度范圍內(nèi)，拱頂產(chǎn)生壓應(yīng)變，隧道拱頂最大拉應(yīng)變約為最大壓應(yīng)變的4倍，因此，使用深基坑中心位置處隧道拱頂最大拉應(yīng)變作為設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)該是比較保守的。

圖7 隧道縱向應(yīng)變曲線(H為基坑深度)

綜合分析圖6和圖7可知，基坑開挖條件下，隧道縱橫方向上的最大應(yīng)變值約為素混凝土極限抗拉應(yīng)變的57%，表明管幕法和MJS工法對控制施工擾動變形、保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)抗裂和抗?jié)B起到了積極作用。

4.4 基坑開挖時(shí)襯砌應(yīng)力

圖8為沿隧道縱向(圖1中的x方向)拱頂?shù)膽?yīng)力變化曲線。從圖中可知，在基坑開挖范圍內(nèi)，隧道的拱頂應(yīng)力變化較大，以開挖深度7.50 m為例，隧道襯砌應(yīng)力范圍為0.4～1.2 MPa之間，隨距離基坑中心越遠(yuǎn)而迅速衰減，表明基坑開挖卸載作用對隧道的應(yīng)力影響范圍集中在基坑范圍內(nèi)；隨開挖深度的增加，沿隧道縱向的拱頂應(yīng)力不斷增加，開挖深度為0.5 m時(shí)，隧道拱頂應(yīng)力最大值為0.70 MPa，而開挖深度為7.5 m時(shí)，隧道拱頂應(yīng)力最大值為1.2 MPa，后者為前者的1.7倍。綜合分析可知，基坑開挖條件下，隧道拱頂應(yīng)力最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度，表明管幕法和MJS工法在保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)安全減小施工對其的擾動方面，起到良好效果。

圖8 隧道縱向拱頂應(yīng)力曲線(H為基坑深度)

5 結(jié)論

以徐州新城區(qū)彭祖大道快速路工程基坑上跨既有運(yùn)營地鐵2號線為研究對象，研究管幕施工以及基坑開挖過程對既有隧道以及周圍土體的擾動效應(yīng)，得到以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)管幕頂進(jìn)穿越監(jiān)測點(diǎn)后，可以監(jiān)測到頂管上下位置處的土體呈現(xiàn)明顯的沉降變形，且管幕上方的土體的變形量大于下方土體的變形量，整體而言，管幕上下方土體的變形量非常小，最大值均小于0.07 mm，表明管幕施工，對土體的擾動起到了良好的控制作用。

(2)基坑開挖過程中，土體的歸一化隆起率δ/H曲線呈現(xiàn)高斯曲線分布，在基坑中點(diǎn)位置土體隆起變形量最大，且小于表1中隧道隆起變形的報(bào)警值，向兩側(cè)隨著距離的增加隆起量逐漸減小。

(3)基坑開挖條件下，隧道縱橫方向上的最大應(yīng)變值約為素混凝土極限抗拉應(yīng)變的57%，隧道拱頂應(yīng)力最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度，表明管幕法和MJS工法對控制施工擾動變形、保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)抗裂和抗?jié)B、結(jié)構(gòu)安全起到了積極作用。