國(guó)道改建工程對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道的影響分析

周鑫鋼

【摘 ? ?要】：考慮上方基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響，以235國(guó)道杭州老余杭—五常段改建工程為例，根據(jù)地鐵現(xiàn)狀制定變形控制標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)理論及有限元數(shù)值分析，對(duì)基坑各個(gè)階段施工工況下盾構(gòu)隧道的變形進(jìn)行分析并根據(jù)計(jì)算及施工工況提出可行性建議。

【關(guān)鍵詞】：盾構(gòu)；隧道；基坑；地鐵；國(guó)道

【中圖分類(lèi)號(hào)】：U456.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-30-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.007

Influence Analysis of National Highway Reconstruction Project on the Subway Shield Tunnel

ZHOU Xingang

（China Railway Liuyuan Group Co.Ltd.，Tianjin 300308， China）

【Abstract】：Considering the impact of the excavation of the upper foundation pit on the subway section tunnel， the paper takes the reconstruction project of the old Yuhang-Wuchang section of National Highway 235 in Hangzhou as an example， formulates the deformation control standard according to the status of the subway. Through theoretical and finite element numerical analysis， the paper analyzes the deformation of shield tunnel under various construction conditions of foundation pit， and puts forward feasible suggestions according to the calculation and construction conditions.

【Key words】：shield; tunnel; foundation pit; subway; national highway

隨著城市軌道交通發(fā)展和地下空間開(kāi)發(fā)利用，地鐵隧道附近的基坑工程或基坑工程附近的軌道交通愈發(fā)常見(jiàn)，基坑開(kāi)挖或隧道下穿會(huì)引起鄰近既有盾構(gòu)隧道或既有建筑物縱向變形、橫向收斂、沉降等，嚴(yán)重時(shí)甚至引起隧道、建筑物結(jié)構(gòu)破壞。目前的研究基本在兩個(gè)情況下展開(kāi)：一是盾構(gòu)隧道已建成，上方基坑開(kāi)挖[1]；二是地下框架結(jié)構(gòu)已建成，下方隧道穿越[2]。兩種情況工期都是確定的；但隨著城市的快速發(fā)展，基建工程建設(shè)周期快，鄰近工程工期存在不確定的情況。

1 工程概況

235國(guó)道杭州老余杭—五常段改建工程全長(zhǎng)約11.26 km。全線(xiàn)設(shè)置一座東西走向隧道，起點(diǎn)位于倉(cāng)前街道苕溪村，在東西大道西側(cè)進(jìn)入暗埋段，下穿東西大道，向東延伸跨越擬建地鐵3號(hào)線(xiàn)、機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)，終點(diǎn)位于倉(cāng)前街道靈源村。公路隧道于K5+463附近上跨在建地鐵機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)苕溪站—杭州西站盾構(gòu)區(qū)間，由于交叉節(jié)點(diǎn)公路隧道與地鐵隧道凈距較小，計(jì)劃公路隧道先行施工、地鐵隧道后穿。為保障地鐵建設(shè)工期，節(jié)點(diǎn)處公路隧道土建圍護(hù)及主體結(jié)構(gòu)提前開(kāi)工建設(shè)。

235國(guó)道杭州老余杭—五常段改建工程上跨地鐵機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)苕溪站—杭州西站盾構(gòu)區(qū)間先行節(jié)點(diǎn)工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“節(jié)點(diǎn)工程”），起訖樁號(hào)K5+410～K5+530，總長(zhǎng)為120 m，公路隧道與地鐵盾隧道交角約86.39°。見(jiàn)圖1。

地鐵隧道內(nèi)徑6.1 m，襯砌采用拼裝管片。管片厚度400 mm，為C50、P12混凝土，采用3塊標(biāo)準(zhǔn)塊+2塊鄰接塊+1塊封頂快形式錯(cuò)縫。

根據(jù)勘察揭示的地層，考慮巖土層的巖土性及物理力學(xué)性質(zhì)等因素，鉆探揭露巖土層自上而下為①1素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2淤泥質(zhì)黏土、②3粉質(zhì)黏土、④1粉質(zhì)黏土、④1a粉質(zhì)黏土夾粉砂、④2粉質(zhì)黏土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2粉質(zhì)黏土、⑥1粉砂、⑥3圓礫、⑩2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑩3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖?；娱_(kāi)挖范圍主要地層為②1粉質(zhì)黏土、②2淤泥質(zhì)黏土、②3粉質(zhì)黏土。地下水主要為潛水、下部承壓水和基巖裂隙水，經(jīng)驗(yàn)算，基坑開(kāi)挖至底時(shí)，基坑抗承壓水突涌安全系數(shù)為1.2，滿(mǎn)足規(guī)范要求；總體上，承壓含水層對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工影響較小。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)點(diǎn)工程基坑上跨地鐵隧道，坑底與隧道豎向凈距9.80 m，位于1.0D～2.0D（D為盾構(gòu)區(qū)間直徑）范圍，為接近關(guān)系；明挖基坑深度12.2 m，地鐵隧道位于0.7h～1.0h（h為基坑開(kāi)挖深度）范圍，是外部作業(yè)的顯著影響區(qū)，綜合判定基坑施工對(duì)地鐵隧道的影響等級(jí)為一級(jí)[3]。

地鐵結(jié)構(gòu)的保護(hù)范圍分為控制保護(hù)區(qū)和特別保護(hù)區(qū)[4]。地鐵結(jié)構(gòu)外邊線(xiàn)外側(cè)50 m內(nèi)為地鐵的控制保護(hù)區(qū)，地鐵結(jié)構(gòu)外邊線(xiàn)外側(cè)5 m內(nèi)為地鐵的特別保護(hù)區(qū)節(jié)點(diǎn)工程基坑位于地鐵隧道的特別保護(hù)區(qū)和控制保護(hù)區(qū)范圍，經(jīng)核算，最大卸荷比為0.279，軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)等級(jí)為A級(jí)。

地鐵隧道掘進(jìn)至節(jié)點(diǎn)工程影響范圍時(shí)，預(yù)計(jì)基坑AM34段（對(duì)應(yīng)機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)隧道正上方區(qū)塊）已開(kāi)挖至底并完成墊層澆筑。根據(jù)浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通設(shè)施結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》及各項(xiàng)目工籌計(jì)劃，從地鐵保護(hù)角度考慮，確定地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)安全狀況為Ⅲ類(lèi)（已鋪軌，未運(yùn)營(yíng)）。由于鐵盾構(gòu)區(qū)間均為新建隧道，需為后期使用階段預(yù)留變形余量，工程實(shí)施過(guò)程中，地鐵隧道變形按Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，水平位移控制值為8 mm、豎向位移控制值為10 mm、相對(duì)收斂控制值為8 mm。

考慮工期、施工計(jì)劃的不確定性及地鐵保護(hù)的問(wèn)題，地鐵盾構(gòu)區(qū)間按基坑AM34段（對(duì)應(yīng)機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)隧道正上方區(qū)塊）開(kāi)挖至第3道支撐后掘進(jìn)至工程影響范圍考慮，待隧道穿越后繼續(xù)開(kāi)挖A(yíng)M34段最后一層土及兩側(cè)剩余土體。

3 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

基坑長(zhǎng)120 m，寬為35.9 m，深約為11.5～12.9 m，坑底位于4-1粉質(zhì)黏土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?900 mm@1 050 mm鉆孔灌注樁+?850 mm@600 mm三軸攪拌樁止水帷幕，支撐采用1道鋼筋混凝土支撐+2道?609 mm、t=16 mm鋼支撐的支護(hù)體系。基底采用?850 mm@600 mm三軸攪拌樁加固，上跨地鐵段裙邊5 m范圍加固至高程-17.5 m、其余滿(mǎn)堂加固至基底以下5 m；其余段裙邊加固至基底以下4.0 m+抽條加固至基底以下3.0 m。

使用同濟(jì)啟明星圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件V8.2對(duì)圍護(hù)剖面進(jìn)行校驗(yàn)復(fù)核：基坑開(kāi)挖引起的圍護(hù)樁最大水平位移10.6～14.5 mm（＜0.14%h），滿(mǎn)足一級(jí)基坑的變形控制要求；基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)1.75～1.76，圍護(hù)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)2.08～3.03，基坑坑底抗隆起系數(shù)1.87～2.01，滿(mǎn)足一級(jí)基坑的安全控制要求。

4 數(shù)值模擬

4.1 二維模擬

采用Plaxis8.5有限元模擬軟件，對(duì)地鐵隧道進(jìn)行二維數(shù)值模擬。見(jiàn)圖2。

由模擬結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)工程對(duì)在建地鐵隧道產(chǎn)生了一定的影響，主要為隧道上方卸載后土體回彈帶動(dòng)隧道的變形，正上方基坑AM34段最后一層開(kāi)挖后隧道出現(xiàn)明顯的水平位移、隆起及水平收斂減小的變形且該階段變形量達(dá)到最大值；AM34段墊層、結(jié)構(gòu)施工（200 mm厚墊層、1 500 mm厚底板、1 500 mm頂板）為再次加載，隧道變形量減小；后續(xù)AM33、AM35段剩余土方開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工對(duì)隧道影響較小，隧道變形量在后續(xù)各工況中基本穩(wěn)定。整個(gè)過(guò)程中，右線(xiàn)地鐵隧道最大水平位移3.02 mm、隆起4.41 mm、水平收斂-2.46 mm，左線(xiàn)隧道最大水平位移-2.94 mm、隆起4.25 mm、水平收斂-2.33 mm。該變形數(shù)據(jù)不含隧道掘進(jìn)后的自身工后變形量及可能存在的AM34段在盾構(gòu)到達(dá)前已開(kāi)挖土方引起的下部土體殘余回彈量。

4.2 三維模擬

采用Midas GTS NX軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬[5]。見(jiàn)圖3。

由模擬結(jié)果可知，基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)地鐵隧道造成一定影響?；娱_(kāi)挖階段，隨著坑內(nèi)卸載，坑底土體產(chǎn)生回彈隆起，地鐵隧道主要發(fā)生豎向位移變形，坑底土體豎向位移主要分布在新開(kāi)挖坑底范圍。AM34段抗拔體系形成后，在后續(xù)開(kāi)挖作業(yè)中本區(qū)段及鄰近的坑底幾乎不繼續(xù)隆起；隨著開(kāi)挖面遠(yuǎn)離基坑中央及AM34段抗拔體系的共同作用，隧道正上方區(qū)段坑底隆起增量較小，隧道后續(xù)變形增量也較小。整個(gè)施工過(guò)程，圍護(hù)變形最大發(fā)生在拆撐完成后、結(jié)構(gòu)回筑階段，計(jì)入盾構(gòu)未穿越時(shí)圍護(hù)已發(fā)生5.165 mm變形，圍護(hù)變形最大值達(dá)12.692 mm；隧道產(chǎn)生最大豎向位移4.433 mm、最大水平位移0.944 mm、徑向收斂1.467 mm。

以上變形值均在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但施工中應(yīng)加強(qiáng)措施，控制施工擾動(dòng)等因素對(duì)地鐵變形造成的不利影響，施工期間須加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，嚴(yán)格控制一次開(kāi)挖土方量，應(yīng)盡量按照預(yù)定工籌實(shí)施。底板回筑及AM34段形成抗拔體系對(duì)約束該范圍內(nèi)坑底土體隆起有較好作用，即在盾構(gòu)穿越前爭(zhēng)取按計(jì)劃完成AM34區(qū)段的底板回筑。

4.3 有限元數(shù)值分析

二維有限元分析可知，地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移3.02 mm；最大豎向位移4.41 mm；三維有限元分析可知：地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移0.944 mm；最大豎向位移4.433 mm。鑒于二維有限元分析方法僅能考慮某剖面上基坑工程與地鐵隧道的關(guān)系、無(wú)法考慮基坑開(kāi)挖的空間尺寸效應(yīng)、地鐵與基坑之間的空間關(guān)系，故數(shù)值存在一定差異，符合工程實(shí)際情況。

通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的整理分析可知，基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)可控。認(rèn)為本工程的基坑圍護(hù)方案滿(mǎn)足軌道交通設(shè)施的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 實(shí)施建議

考慮到施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，為確保地鐵設(shè)施受力和變形可控，保證地鐵結(jié)構(gòu)安全，提出以下建議[6]。

1）基坑開(kāi)挖及回筑期間，應(yīng)合理安排出土車(chē)運(yùn)輸路徑，出土運(yùn)輸應(yīng)避開(kāi)隧道正上方區(qū)域，基坑周邊堆載不得＞20 kPa。

2）自右線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)（先行盾構(gòu)機(jī)）接近基坑北側(cè)邊線(xiàn)20 m前，基坑AM34區(qū)段需完成開(kāi)挖見(jiàn)底并完成墊層澆筑工作，待右線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)基坑15環(huán)且盾構(gòu)注漿凝固后方可繼續(xù)挖土。根據(jù)工籌，左線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)滯后約500環(huán)掘進(jìn)，基坑底板需在左線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)（后行盾構(gòu)機(jī)）到達(dá)本基坑前完成全部底板澆筑。

3）建議在地鐵盾構(gòu)達(dá)到節(jié)點(diǎn)工程位置前，盡可能完成右線(xiàn)隧道（先行盾構(gòu)）正上方區(qū)塊底板回筑工作。

4）盾構(gòu)隧道穿越基坑前，需再次復(fù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，控制推進(jìn)速度，不宜超過(guò)6～8環(huán)/d，下穿基坑期間禁止較大幅度糾偏；進(jìn)入基坑范圍內(nèi)，由于上部覆土發(fā)生突變，應(yīng)及時(shí)調(diào)整推力、注漿量、推進(jìn)速度等施工參數(shù)。

5）由于盾構(gòu)隧道下部存在⑥粉砂及圓礫層，易發(fā)生漿液逃逸現(xiàn)象，建議盾構(gòu)穿越基坑期間適當(dāng)保證同步注漿，注漿量不小于理論注漿量的200%進(jìn)行并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加大注漿量；同時(shí)出土量按照理論出土量的95%控制，必要時(shí)進(jìn)行二次注漿，應(yīng)采用質(zhì)量較好的漿液，可通過(guò)調(diào)整漿液配比、添加外加劑等方法，盡量縮短漿液初凝時(shí)間，嚴(yán)格控制土層損失率在5‰以下，以減小盾構(gòu)施工對(duì)基坑的影響。

6）當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)基坑外20 m處時(shí)，基坑應(yīng)停止開(kāi)挖工作且基坑AM34段第3道鋼支撐必須架設(shè)完畢并對(duì)第二、三道鋼支撐進(jìn)行軸力復(fù)加。

7）地鐵隧道穿越基坑再次施工前，對(duì)已成型盾構(gòu)隧道進(jìn)行洞內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)掃描，以判斷盾構(gòu)管片外側(cè)注漿填充效果，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充二次注漿填充以確保隧道管片與周邊土體緊密貼合。

8）土方開(kāi)挖應(yīng)按“軟分坑”設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分塊開(kāi)挖，沿地鐵隧道兩側(cè)的基坑應(yīng)對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，兩側(cè)挖土高差不得＞2 m；地鐵正上方土方開(kāi)挖豎向分層厚度不得＞1 m，挖至支撐標(biāo)高后6 h內(nèi)完成鋼支撐架設(shè)，挖至坑底后6 h內(nèi)完成墊層澆筑，3 d內(nèi)完成底板施工。建議現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備堆載材料，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)情況施加底板堆載以控制變形。

9）為進(jìn)一步加強(qiáng)盾構(gòu)穿越期間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，建議最后一層土開(kāi)挖時(shí)，沿地墻留反壓土，待盾構(gòu)穿越且漿液凝固后方可繼續(xù)開(kāi)挖。見(jiàn)圖4。

10）經(jīng)核算，最后一層土方開(kāi)挖總卸荷比為0.279，根據(jù)浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通設(shè)施結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》4.3.1節(jié)規(guī)定“分坑后形成的單體基坑卸荷比，軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)等級(jí)為A級(jí)時(shí)不宜超過(guò)0.2，B級(jí)時(shí)不宜超過(guò)0.3”，故最后一層土方開(kāi)挖需進(jìn)行分坑開(kāi)挖及回筑。見(jiàn)圖5。

主要覆土區(qū)范圍分3段開(kāi)挖，待①區(qū)完成底板回筑后方可進(jìn)行②區(qū)開(kāi)挖。經(jīng)核算，2個(gè)開(kāi)挖階段的最大卸荷比分別為0.142、0.137。單次開(kāi)挖沿縱向長(zhǎng)度≯5 m。

11）施工結(jié)束后，應(yīng)對(duì)隧道裂縫進(jìn)行灌縫處理，進(jìn)行耐久性修復(fù)；對(duì)于盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)超限的，要及時(shí)進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)橫向或縱向剛度補(bǔ)強(qiáng)、防水補(bǔ)救等工作；對(duì)于限界內(nèi)輪廓超限的，要及時(shí)的進(jìn)行調(diào)線(xiàn)調(diào)坡，及時(shí)調(diào)整內(nèi)部管線(xiàn)等設(shè)施的位置。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元模擬等手段，進(jìn)行基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵影響的安全性評(píng)價(jià)，表明現(xiàn)行基坑圍護(hù)整體方案可滿(mǎn)足地鐵設(shè)施控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)際施工過(guò)程中，施工單位應(yīng)結(jié)合圍護(hù)設(shè)計(jì)單位提出的施工要求，根據(jù)基坑和地鐵設(shè)施的監(jiān)測(cè)結(jié)果，確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量；同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案，配合圍護(hù)設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)措施，確保地鐵設(shè)施運(yùn)營(yíng)的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚燕明，楊金剛，王 ? ?哲.寧波地鐵盾構(gòu)隧道上方基坑開(kāi)挖影響案例分析[J].都市快軌交通，2014，27（4）：93-96+100.

[2]鄧 ? ?亮.盾構(gòu)隧道下穿既有框架結(jié)構(gòu)的影響分析[J].公路交通技術(shù)，2018，34（1）：96-100.

[3]GB 50652—2011，城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范[S].

[4]CJJ/T 202—2013，城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[5]房 ? ?明，劉 ? ?鎮(zhèn)，周翠英，等.新建隧道盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有隧道影響的三維數(shù)值模擬[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，8（1）：67-72.

[6]段忠輝.既有地鐵區(qū)間隧道上方深大基坑開(kāi)挖安全影響分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（S2）：747-752.