地下工程施工對既有地鐵隧道的變形控制研究

田雷 黃高亮 張芳川 狄少賢 馮麟俊

1. 中鐵三局集團橋隧工程有限公司 四川 成都 610014 2. 杭州市建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站 浙江 杭州 310013

針對上述基坑開挖與盾構(gòu)區(qū)間施工對既有隧道影響的問題，國內(nèi)學者已開展了廣泛研究。戚科駿等[7]以上海某鄰近隧道基坑工程為背景，模擬基坑開挖不同階段、不同施工方案對隧道的影響，結(jié)果顯示基坑底部加固深度和暴露時間影響隧道最終變形。高廣運等[8]以上海某鄰近地鐵隧道基坑工程為背景，建立數(shù)值模型采用坑外二次加固分析單側(cè)基坑開挖引起隧道不對稱變形。陳錦劍等[9]結(jié)合上海某工程案例，采用非線性有限元研究兩側(cè)深基坑開挖對運營隧道的影響并對控制措施有效性進行了評估。高廣運等[10]采用數(shù)值方法模擬軟土地區(qū)深基坑的分步開挖和支護過程對地鐵隧道變形的影響。王燕燕等[11]結(jié)合具體工程實例，采用數(shù)值方法模擬基坑開挖過程對地鐵隧道和車站的影響，并提出了相應保護措施。陳俊生等[12]以廣州某緊鄰地鐵隧道大型基坑工程為例，討論了基坑不同開挖順序的優(yōu)缺點以及可行性。

本文以杭州地鐵8號線一期工程文海南路站、文海南路站-文橋區(qū)間風井區(qū)間為工程依托，針對基坑開挖與盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵車站及隧道的影響問題，采取基坑跳坑結(jié)合地中壁方式施工，分別從8號線車站主體基坑施工、換乘通道基坑開挖、盾構(gòu)施工三個方面對既有1號線車站區(qū)間的影響采用現(xiàn)場監(jiān)測及有限元模擬展開研究。本研究對于基坑開挖與盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵車站及隧道的施工擾動及控制具有重要意義。

1 工程概況

杭8號線一期工程起于與既有1號線換乘的文海南路站，至一期工程終點新灣路站，線路全長約17.1km地下線。

文海南路站為1號線和8號線通道方式換乘車站，二者均為地下兩層站。文海南路站-文橋區(qū)間風井區(qū)間側(cè)穿1號線文海南路站-云水站區(qū)間。

1.1 8號線文海南路站

圖1為8號線文海南路站總平面圖，全長587m，寬度19.7m，底板埋深約為18m，為單柱雙跨車站，以北緊鄰2號渠，以南為1號線文海南路站，全長299m，寬度22.7m，為雙柱三跨車站，深度同上。8號線車站結(jié)構(gòu)距1號線車站結(jié)構(gòu)距離約5m、距1號線區(qū)間結(jié)構(gòu)約8.3m。

圖1 文海南路站總平面圖

1.2 8號線基坑及與1號線文海南路站相互關(guān)系

8號線文海南路站基坑長約587m，寬度約21.1m，外擴段寬度約為25.2m，深度約17m，盾構(gòu)井段深度約18.8m。在文海南路站東端頭始發(fā)后，沿2號大街向東鋪設，與1號線文海南路站-云水站區(qū)間側(cè)穿。文海-文橋與1號線文云區(qū)間最小凈距為11.22m?；娱_挖范圍內(nèi)以填土、粉砂、砂質(zhì)粉土地層為主，坑底下主要分布為砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉砂等強度較低的軟土。車站側(cè)墻采用復合墻體系，靠近1號線一側(cè)的主體圍護結(jié)構(gòu)采用1000mm地連墻，另一側(cè)采用800mm地連墻。標準段采用5道支撐，其中第1道為鋼筋混凝土支撐，其余為預應力補償鋼支撐系統(tǒng)。為減小基坑開挖對1號線影響，在長度方向采用封堵墻分割為7個小基坑，采用跳坑施工。

圖2所示為8號線文海南路站和既有1號線相互關(guān)系圖。圖3所示為8號線文海南路車站與1號線文海南路車站站點及區(qū)間關(guān)系斷面圖。

圖2 8號線文海南路站和既有1號線結(jié)構(gòu)相互關(guān)系圖

圖3 8號線文海南路車站與1號線車站及區(qū)間關(guān)系斷面圖

2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

為實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，工程自文海南路里程K37+278起每隔6m分別在隧道上、下行線（上方為下行線）中心線頂端布設監(jiān)測點直至里程K37+578，共計102個監(jiān)測點。同時對車站上、下行線表面對應隧道中心線位置分別布設了20個監(jiān)測點，監(jiān)測點之間距離間隔10m。

2.1 隧道沉降監(jiān)測

鄰近基坑施工開挖卸載往往會引起既有地鐵隧道偏移，圖4所示為既有1號線隧道沉降變形圖?？梢钥闯?，最大縱向偏移量為5.8mm，位置處于近基坑隧道的中間位置，并且靠近基坑開挖側(cè)的隧道變形遠遠大于背離測，與后續(xù)小節(jié)的數(shù)值模擬結(jié)果擬合。

從深度訪談和問卷訪談內(nèi)容可以看出，殯儀館從業(yè)青年對職業(yè)具有高度的自我認同感，他們中絕大多數(shù)在被問道：“您的內(nèi)心是否對職業(yè)自我認同？”時，幾乎毫無遲疑給出了肯定答案。

圖4 隧道沉降變形圖

2.2 隧道水平位移監(jiān)測

圖5所示為隧道水平位移圖，其中靠近基坑側(cè)的隧道水平偏移量遠大于背離側(cè)，上行線最大水平偏移量為1.6mm，下行線則為5.6mm，并且均靠近隧道中間位置，滿足隧道變形限制要求。

圖5 隧道水平位移圖

3 三維數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型及計算參數(shù)選取

采用HSS模型，下表為采用的土體參數(shù)。

表1 土體模型參數(shù)表

3.2 8號線基坑開挖三維分析

模型尺寸為720m×120m×60m（x方向×y方向×z方向）。在原分坑基礎上靠近1號線區(qū)間的部分，每個約40 m的各個基坑中部增加一道地中壁。采用對稱開挖，待兩側(cè)的主體結(jié)構(gòu)回筑完成后，鑿除地中壁。該方式起到縮小基坑規(guī)模及減小基坑變形的效果。開挖基坑端頭采用800@600三軸攪拌樁加固，端頭貼壁處采用800@600旋噴樁加固貼合。圍護結(jié)構(gòu)最大深度約47m，模型示意如圖6所示。

圖6 三維模型示意圖

圖7所示為圍護結(jié)構(gòu)位移Uy的云圖。結(jié)果表明施工完成后，圍護結(jié)構(gòu)水平最大位移Uy為8.55mm，方向均為朝向坑內(nèi)。分坑施工效果明顯，并且可以看出，Uy以封堵墻為界呈“W”狀。

圖7 圍護結(jié)構(gòu)y方向位移

圖8為既有1號線結(jié)構(gòu)沿y方向位移云圖。從圖中可以看到，既有1號線車站Uy最大值位于模型下部小里程端頭附近（2.8mm），這是因為此處車站較窄且剛度較小。既有1號線區(qū)間Uy在下部小里程區(qū)間的最大值為2.6mm，上部大里程區(qū)間的最大值為2.1mm。變形沒有呈現(xiàn)“W”狀是因為既有車站結(jié)構(gòu)剛度大，抗變形比較強，此部分沒有采用地中壁，車站基坑長度約為80m，而區(qū)間附近的小基坑約為40m。

圖8 既有1號線結(jié)構(gòu)y方向位移云圖

3.3 8號線盾構(gòu)施工三維分析

8號線區(qū)間盾構(gòu)施工與既有1號線交疊范圍內(nèi)的長度約7 0 m，計算模型的尺寸為74m×75m×40m（x方向×y方向×z方向）。

圖9，圖10分別給出了8號線右線施工完成后對既有1號線左線的z方向和x方向的位移云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，既有1號線區(qū)間的豎向最大位移為2.339mm，最大水平位移為0.413mm。圖11、圖12分別給出了8號線左線施工完成后對既有1號線左線的z方向和x方向云圖。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，既有1號線區(qū)間的豎向最大位移為2.643mm，最大水平位移為0.445mm，滿足規(guī)范控制要求。

圖9 右線施工引起既有1號線Ux位移云圖

圖10 右線施工引起既有1號線Uz位移云圖

圖11 左線施工引起既有1號線Ux位移云圖

圖12 左線施工引起既有1號線Uz位移云圖

4 結(jié)論

依托隧道穿越工程，以現(xiàn)場監(jiān)測及三維數(shù)值分析展開研究，得出如下結(jié)論：

（1）由監(jiān)測及數(shù)值結(jié)果可得8號線車站主體基坑開挖引起的既有1號線區(qū)間的最大水平位移分別為5.8mm、2.6 mm，最大沉降分別為5.6mm、1mm，引起1號線車站的最大水平位移分別為2.9mm、2.8mm，最大隆起為0.6mm，均處于限值內(nèi)。

（2）由數(shù)值結(jié)果可得8號線右線施工時，引起既有1號線區(qū)間最大水平位移為0.445mm，引起沉降為2.643mm，均未超過變形限制值，滿足規(guī)范及設計要求。

（3）對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果可得其數(shù)值偏差在合理范圍內(nèi)。8號線車站主體基坑采用跳坑施工結(jié)合池中壁施工對既有隧道的影響很小，變形控制效果明顯，可為同類工程參考。