長(zhǎng)距離共線基坑下臥隧道上浮控制措施及效果研究

陳福斌，祁恒遠(yuǎn)，張稱呈

（1.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東深圳 518041；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

1 研究背景

近年來(lái)，隨著城市化的快速發(fā)展，城市人口急劇增加，給交通運(yùn)輸行業(yè)帶來(lái)了極大的壓力，地面交通已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的出行需求。為了緩解這一壓力，突破地面交通發(fā)展的瓶頸，越來(lái)越多的城市開(kāi)展地下快速道路網(wǎng)的建設(shè)[1]。這些地下城市快速道路建設(shè)中不可避免地出現(xiàn)近接既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路施工的情況。城市地下道路埋深淺，往往采用明挖法施工?；娱_(kāi)挖將引起鄰近地鐵隧道周邊土體卸載，土體應(yīng)力發(fā)生重分布[2]，使得隧道產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力，導(dǎo)致隧道發(fā)生位移變形、襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、滲漏水等病害，影響地鐵正常運(yùn)營(yíng)[3]。因此，研究基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響及變形控制措施至關(guān)重要。

針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論解析等手段進(jìn)行了大量研究。魏少偉[4]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)附加變形及內(nèi)力的影響。王平豪等[5]和徐?；莸萚6]通過(guò)三維有限元模擬基坑近接下臥既有盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，建議基坑采取短分塊、小坡率的開(kāi)挖方法。黃茂松等[7]提出了上方基坑開(kāi)挖引起下臥隧道縱向變形分析方法，并利用大量的有限元算例進(jìn)行研究，通過(guò)與工程案例的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所提出方法的可行性。胡海英等[8]利用廣州某深基坑鄰近既有地鐵隧道開(kāi)挖案例，研究了基坑近接隧道施工對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響。王衛(wèi)東等[9]基于多個(gè)基坑開(kāi)挖案例的數(shù)值模擬結(jié)果，提出了適用于上海地質(zhì)條件的HS-Small 模型參數(shù)，并驗(yàn)證了參數(shù)的合理性。吳龍梁等[10]針對(duì)某橋梁承臺(tái)深基坑工程，開(kāi)展下臥地鐵隧道在基坑施工期間的變形監(jiān)測(cè)，研究了不同施工工況對(duì)地鐵隧道位移和變形的影響規(guī)律。況龍川等[11]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖將導(dǎo)致既有隧道周?chē)馏w應(yīng)力發(fā)生重分布，引起隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變形，威脅地鐵服役和運(yùn)營(yíng)安全。王理想等[12]通過(guò)Mindlin 解計(jì)算基坑開(kāi)挖引起的作用于盾構(gòu)隧道上的附加荷載，建立了基坑卸載下盾構(gòu)隧道的隆起變形微分方程，并和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、既有理論方法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證所提方法的適用性。綜上，當(dāng)前針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道變形影響規(guī)律的研究較多，但針對(duì)地下道路基坑開(kāi)挖長(zhǎng)距離共線既有下臥地鐵運(yùn)營(yíng)隧道的變形影響及控制措施的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。對(duì)于基坑長(zhǎng)距離共線地鐵隧道開(kāi)挖，施工作用效應(yīng)相互影響、疊加，隧道位移變形大，結(jié)構(gòu)病害突出，是設(shè)計(jì)施工重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

本文依托深圳桂廟路快速化改造工程，針對(duì)基坑長(zhǎng)距離共線下臥地鐵11 號(hào)線施工期間隧道上浮問(wèn)題，提出了適應(yīng)不同區(qū)段的差異化變形控制措施，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了隧道上浮變形規(guī)律及措施的有效性，為類似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 基坑及既有隧道概況

深圳市桂廟路快速化改造工程道路全長(zhǎng)為4.8 km，工程主路采用下沉式隧道設(shè)計(jì)，明挖法施工。明挖基坑與地鐵11 號(hào)線在振海路與南海大道之間平面共線，共線長(zhǎng)度為3.09 km，如圖1 所示。

圖1 基坑與隧道平面相對(duì)位置關(guān)系示意Figure 1 Plan view of the relative position of the excavation

基坑最大開(kāi)挖寬度為52.7 m，最大開(kāi)挖深度約18.0 m，結(jié)構(gòu)形式為閉合框架及U 型槽兩種，其中閉合框架段長(zhǎng)1 984.5 m，U 型槽段長(zhǎng)357 m，如圖2 所示。地鐵11 號(hào)線位于基坑斜下方，為既有運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道，隧道內(nèi)徑為6.0 m，外徑為6.7 m，管片厚0.35 m，環(huán)寬1.5 m，基坑與隧道豎向凈距為6.0～20.6 m。

圖2 基坑與隧道橫剖面相對(duì)位置關(guān)系示意(K1+560)Figure 2 Cross-sectional view of the relative position of the excavation and the tunnel at section K1+560

2.2 地質(zhì)概況

桂廟路快速化改造工程位于深圳前海地區(qū)，該區(qū)域原始地貌為海沖積平原及濱海灘涂地貌單元，后經(jīng)改造形成現(xiàn)狀道路。區(qū)域地表平均高程為3.55 m，地下水位位于地表以下2 m。基坑段淺層主要以人工填土為主，局部位置存在淤泥、粗砂及黏土，較深層以淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和礫砂為主。地鐵11 號(hào)線高程范圍內(nèi)地層主要為礫質(zhì)黏性土和全風(fēng)化粗?；◢弾r?；拥撞康剿淼理敳块g的土層主要有礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化粗?；◢弾r、強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r。

3 基坑開(kāi)挖隧道上浮控制措施及效果

3.1 K1+180～K1+620及K2+643～K2+857區(qū)間

里程K1+180～K1+410 段基坑為閉合框架結(jié)構(gòu)，K1+410～K1+620 段為U 型槽結(jié)構(gòu)。K1+180～K1+620段基坑最大開(kāi)挖寬度為52.7 m，最大開(kāi)挖深度為12.5 m，隧道最小覆土9.5 m；K2+643～K2+857 段基坑為閉合框架結(jié)構(gòu)，基坑最大開(kāi)挖寬度為41 m，最大開(kāi)挖深度為16 m，隧道最小覆土6 m。

本區(qū)域隧道變形控制措施采用“縱向分段+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”。縱向分步、分層開(kāi)挖，開(kāi)挖步長(zhǎng)不大于10 m，開(kāi)挖層厚不大于2 m，左右分幅開(kāi)挖，并預(yù)留覆土反壓30 kPa，如圖3 所示。采用?600@1 200 mm 的旋噴樁加固隧道周?chē)馏w，旋噴樁采用正方形布置，水平豎直方向距離隧道不小于3 m，樁底伸入隧道底以下不小于3 m。基坑加固橫剖面如圖4 所示。

圖3 基坑縱向開(kāi)挖方案示意Figure 3 Schematic illustration of the longitudinal excavation scheme

圖4 基坑坑底加固橫剖面Figure 4 Cross-sectional view of the ground reinforcement below the excavation base

K1+180～K1+620段基坑(見(jiàn)圖4)開(kāi)挖使土體卸載回彈，隧道上浮變形不斷增加，越靠近基坑中心上浮變形量及土體卸載率越大(由于土拱效應(yīng))。如圖5～6所示，當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，隧道上浮量達(dá)到最大值約為7.0 mm，土體最大卸載率為0.52。隨著基坑主體結(jié)構(gòu)施工及覆土回填，土體出現(xiàn)沉降變形，沉降變形量大于卸載回彈量。這表明閉合框架基坑結(jié)構(gòu)型式和覆土回填可有效補(bǔ)償前期土體開(kāi)挖卸載回彈效應(yīng)，進(jìn)而顯著降低隧道上浮量。K2+643～K2+857 段隨基坑不斷開(kāi)挖，下臥隧道上浮量持續(xù)增加，最大約為13.4 mm。如圖7～8 所示(序號(hào)表示開(kāi)挖順序)，當(dāng)基坑開(kāi)挖區(qū)域距離隧道大于30 m 時(shí)，開(kāi)挖作用效應(yīng)對(duì)隧道變形基本無(wú)影響。當(dāng)基坑主體結(jié)構(gòu)開(kāi)始施作時(shí)，土體出現(xiàn)持續(xù)沉降變形，表明采用分段、分層、分幅的開(kāi)挖方案可有效降低基坑開(kāi)挖引起的下臥隧道變形。

圖5 左線隧道上浮量隨時(shí)間變化(K1+240)Figure 5 Development of the left tunnel heave at cross section K1+240

圖6 距基坑中線不同距離處土體卸載率Figure 6 Variation in unloading ratio at different distances from the excavation center line

圖7 基坑開(kāi)挖平面Figure 7 Plane view of the excavation

圖8 左線隧道上浮量隨開(kāi)挖順序變化(K2+830)Figure 8 Development of the left tunnel heave at cross section K2+830

3.2 K2+390～K2+643 區(qū)間

里程K2+390～K2+537 段基坑為U 形槽結(jié)構(gòu)，基坑最大開(kāi)挖寬度為38 m，最大開(kāi)挖深度為12.5 m，最小覆土10.5 m。本段隧道變形控制措施采用“縱向分段+豎向分層+左右分幅”方案?？v向開(kāi)挖步長(zhǎng)不大于8 m，開(kāi)挖層厚不大于2 m，采用左右分幅開(kāi)挖?？v向上，開(kāi)挖區(qū)域、底板、側(cè)墻、頂板、覆土結(jié)構(gòu)間間距不應(yīng)大于一個(gè)開(kāi)挖步長(zhǎng)。基坑開(kāi)挖橫剖面示意如圖9 所示。

圖9 基坑開(kāi)挖橫剖面示意(K2+400)Figure 9 Cross-sectional view of the excavation at section K2+400

基坑開(kāi)挖完成至主體結(jié)構(gòu)施工期間，隧道上浮量持續(xù)顯著增加，增加速率約為0.15 mm/d，由于采用分段、分層、分幅方案施工，且縱向上控制了結(jié)構(gòu)間的間距，隧道最終上浮量?jī)H為7.9 mm，表明采取的施工措施有效地控制住了隧道的變形。隧道上浮量主要集中于基坑開(kāi)挖完成后的一段時(shí)間內(nèi)，基坑開(kāi)挖到底時(shí)，隧道頂上浮量與最終上浮量的比值平均為61.8%，這表明基坑開(kāi)挖完成后的隧道持續(xù)上浮變形是不可忽視的，設(shè)計(jì)中應(yīng)加以考慮。

3.3 K2+857～K3+476 區(qū)間

K2+857～K3+476 段基坑為閉合框架結(jié)構(gòu)，基坑最大開(kāi)挖寬度為40 m，最大開(kāi)挖深度為18.0 m，隧道最小覆土6.2 m。本區(qū)段采用“豎井跳挖+抗隆起框架”的方案控制隧道上浮。如圖10 所示，豎井采用“隔三挖一”方案施工，豎井尺寸為15.6 m×7.2 m?？拱螛渡疃葹?8 m，抗浮板厚1 m，豎井開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)如圖11 所示。

圖10 豎井跳挖縱剖面示意Figure 10 Schematic illustration of spaced shaft excavation

圖11 抗隆起框架Figure 11 Anti-heave frame

由圖12 可知，豎井開(kāi)挖階段，隧道最大上浮量達(dá)到4 mm，隨后由于覆土回填，上浮變形量回落至2 mm?；娱_(kāi)挖階段，由于抗隆起框架(抗浮板+抗拔樁)作用，隧道最大上浮量?jī)H為8.0 mm。主體結(jié)構(gòu)施工后，由于荷載反壓作用，隧道上浮量出現(xiàn)波動(dòng)回落，最大回落至6 mm。

圖12 左線隧道上浮量隨時(shí)間變化(K2+899)Figure 12 Development of the left tunnel heave at cross section K2+899

3.4 整體效果分析

針對(duì)基坑長(zhǎng)距離共線下臥地鐵隧道開(kāi)挖期間隧道上浮問(wèn)題，本文提出適應(yīng)不同區(qū)段的差異化隧道上浮控制措施，并對(duì)施工期間的隧道上浮量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如表1 所示。K1+180～K1+620 區(qū)間基坑開(kāi)挖寬度大，隧道覆土相對(duì)較厚，采用“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”的變形控制措施后隧道上浮量最大為7.0 mm；K2+390～K2+643 段基坑開(kāi)挖范圍小，隧道覆土厚，采用“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅”施工方案后隧道上浮量最大為7.9 mm；K2+643～K2+857 段基坑開(kāi)挖深度較大，隧道覆土較小，采用“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”方案后隧道上浮量最大為13.4 mm；K2+857～K3+476 段基坑開(kāi)挖深度大，隧道覆土較小，采用“豎井跳挖+抗隆起框架”的強(qiáng)化加固措施后，隧道上浮量最大為8.0 mm。綜上，各區(qū)段所采用的基坑坑底加固措施有效地減小了隧道上浮，隧道上浮量均小于規(guī)范規(guī)定的20 mm 控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同區(qū)段隧道變形控制措施及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Different sections of the tunnel deformation control measures and statistics of monitoring data

4 結(jié)論

本文依托深圳桂廟路快速化改造工程，針對(duì)基坑開(kāi)挖長(zhǎng)距離共線下臥地鐵11 號(hào)線隧道上浮問(wèn)題，提出了相應(yīng)的變形控制措施，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了隧道上浮變形規(guī)律及控制措施的有效性，主要結(jié)論如下：

1) 越靠近基坑中心，隧道上浮變形量及土體卸載率越大，基坑主體結(jié)構(gòu)施工和覆土回填使得隧道沉降量大于上浮量。表明閉合框架結(jié)構(gòu)和回填土可有效補(bǔ)償土體開(kāi)挖卸載回彈效應(yīng)，顯著降低隧道上浮量。

2) 隧道上浮量在基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)開(kāi)挖區(qū)域距離隧道大于30 m 時(shí)，土體卸載對(duì)隧道變形基本無(wú)影響。

3) 對(duì)不同區(qū)段所采取的“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅”、“縱向分段分步+豎向分層+左右分幅+旋噴樁加固”及“豎井跳挖+抗隆起框架”的施工加固方案有效減小了隧道上浮，隧道上浮量均小于規(guī)范規(guī)定的20 mm 控制標(biāo)準(zhǔn)。