深圳地鐵11號線車公廟綜合交通樞紐工程兩相鄰基坑開挖對下臥運營隧道的影響

丁加亮，陳 江，余富先，唐賢海

(1.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518000;2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075)

0 引言

進入21世紀以來，隨著我國地下軌道交通事業的快速發展，既有隧道受到上方基坑開挖影響的問題越來越突出。在既有隧道上方開挖基坑，必然導致坑底土體回彈和隧道隆起，當隧道變形值超過一定范圍，就會影響隧道的安全運營，所以對基坑開挖引起的隧道變形有著嚴格地控制。

目前國內外許多學者針對基坑開挖對既有隧道的影響做過一些研究，張治國等［1］采用2階段分析方法分析了上海市閘北區某基坑開挖對隧道的影響，考慮了不同隧道直徑、隧道與開挖基坑的距離和不同地質條件等因素。姜兆華等［2］采用 Mindlin理論計算基坑開挖引起的附加應力，并施加于既有隧道結構上，計算得到隧道位移和內力。黃栩等［3］提出了Kerr地基模型計算基坑開挖引起既有隧道縱向變形的方法。然而他們的計算方法都沒有考慮土體的非線性，而且只適用形狀規則的基坑。魏綱［4］收集了國內14個基坑下方有隧道的基坑開挖實例，經過實測數據統計分析，提出了基坑開挖引起隧道最大位移值的經驗公式。鄭剛等［5］根據天津西站交通樞紐基坑的監測數據，認為分段壓載、分塊開挖并結合信息化施工可以有效地控制隧道的隆起變形。文獻［6－12］利用三維數值計算軟件分析基坑開挖對既有隧道的影響，對坑內未加固和加固后2種工況進行了計算，結果表明坑內加固可以使隧道隆起位移量控制在結構安全范圍內。

以上研究都僅考慮單一基坑開挖對既有隧道的影響，本文分析了2個緊鄰基坑開挖對隧道隆起的影響。以深圳地鐵11號線車公廟站交通樞紐工程為依托，分析西端風道基坑開挖和緊鄰11號線車站基坑開挖對既有深圳地鐵1號線隧道的影響，采用三維數值計算手段和實測數據分析隧道隆起的規律和旋噴樁加固效果。

1 工程概況

西端風道位于深圳地鐵11號線車公廟站西側，緊鄰11號線地鐵車站和豐盛町地下商業街，風道寬約19.4 m，長約 35.8 m，基坑深約 8.1 m，風道內設集水井，集水井基坑深約9.4 m，均位于既有的1號線車竹區間隧道上方。風道主要位于深南大道中央綠化帶范圍內，南側部分位于深南大道范圍內(約6.5 m)。風道距離1號線車站約17.7 m。11號線車站為地下2層2柱3跨和3柱4跨結構，寬26.8 m，長414.28 m，基坑深度16.6～21.5 m，采用蓋挖逆作法施工。11號線車公廟站北側部分圍護結構與1號線車公廟站共用圍護樁，其余圍護結構采用800 mm厚地下連續墻作為圍護結構。

車公廟地區主要為上軟下硬地層，主要有礫質黏土層、全風化花崗巖層和強風化花崗巖層，風化花崗巖遇水自穩性較差，而施工現場地下水位埋深很淺，基坑降水和開挖時，地表沉降很難控制，會影響鄰近建筑物的安全。

由于西端風道受場地限制，需布置在既有1號線區間隧道上方，為提高基坑底部土體性能，避免風道基坑開挖造成的踢腳、管涌和基坑隆起等風險，西端風道采用φ600@450全方位高壓噴射加固，采用42.5R普通硅酸鹽水泥。西端風道加固范圍與1號線區間相對位置關系見圖1所示，旋噴樁施工流程如圖2所示。旋噴樁加固施工時的關鍵技術與注意事項如下:

1)根據現場放線移動鉆機，使鉆桿頭對準孔位中心。同時為保證鉆機達到設計要求的垂直度，鉆機就位后必須作水平校正，使其鉆桿軸線垂直對準鉆孔中心位置，保證鉆孔的垂直度不超過1%。

2)鉆孔前必須先確定該孔所屬區域和鉆孔深度，并統計好每臺機所有的鉆桿長度，做到下管心中有數。

3)鉆進成孔，孔徑為φ125 mm，嚴格按已定樁位進行成孔，平面位置偏差不得大于50 mm，采用原土造漿護壁，在泥漿性能指標不能滿足施工要求時，添加適當泥粉或膨潤土。鉆孔過程中要嚴格控制好鉆孔深度，不得超深。

4)當注漿管貫入土中，噴嘴達到設計標高時，即可按確定的施工參數噴射注漿。噴射時應先達到預定的噴射壓力，量正常后再逐漸提升注漿管，由下而上旋噴注漿。

5)每次旋噴時，均應先噴漿后旋轉和提升，以防止漿管扭斷。

6)配制水泥漿時，水灰比要求按設計規定，不得隨意更改，在噴漿過程中應防止水泥漿沉淀，使濃度降低。

7)當MJS工法高壓噴射注漿完畢，應迅速拔出注漿管徹底清洗漿管和注漿泵，以防止被漿液凝固堵塞。移動旋噴機至下一孔位。

圖1 旋噴樁加固區平面和剖面圖(單位:mm)Fig.1 Scope of consolidation by jet grouting piles(mm)

圖2 旋噴樁加固流程圖Fig.2 Flowchart of jet grouting

2 基坑開挖的三維數值分析

根據《車公廟詳勘報告》，選取土層及基坑結構力學參數如表1所示。采用ABAQUS有限元分析軟件建立西端風道基坑模型，模型大小為160 m×50 m×80 m，截取隧道長度35 m，模型共250 801個單元，如圖3和圖4所示，土體采用實體單元模擬，圍護墻采用殼單元模擬，抗拔樁、混凝土支撐均采用梁單元模擬。基坑開挖和連續墻施作采用model change、remove和add生死單元。圍護墻、抗拔樁、混凝土支撐和土體之間均采用tie接觸。

表1 土層及基坑結構力學參數表Table 1 Mechanical parameters of different strata and foundation pit structure

圖3 基坑的三維數值分析模型Fig.3 Three-dimensional numerical analysis model

圖4 基坑與隧道的空間位置關系圖Fig.4 Spatial relationship between existing tunnel and foundation pits

數值模擬步驟按照現場施工順序，如下:

1)模型的地應力平衡;

2)施作11號線車站基坑連續墻和西端風道基坑連續墻;

3)對西端風道地基進行旋噴樁加固;

4)開挖11號線車站基坑頂板覆土，施作車站結構頂板，并回填頂板覆土;

5)除去西端風道的頂板覆土;施作混凝土支撐;

6)明挖法開挖西端風道;

7)開挖11號線車站基坑負1層土體;

8)施作西端風道底板;

9)施作11號線車站基坑負1層中板;

10)施作西端風道頂板，并回填頂板覆土。

2.1 基坑開挖對地鐵1號線的影響數值分析

每層土體開挖之前，進行基坑降水(水位下降到該層土體下方0.5 m處)。由于基坑降水的作用，1號線左線和右線隧道結構出現先沉降后隆起的情況，將數值計算結果與現場監測數據分別從拱頂、拱腰和仰拱3個位置進行對比分析，見圖5。完全位于西端風道基坑下方的左線隧道斷面各測點的模擬值和實測值均大于右線隧道。左線隧道最大隆起實測值6.80 mm，右線隧道實測最大隆起實測值4.67 mm;左線隧道最大隆起模擬值5.81 mm，右線隧道模擬最大隆起模擬值為4.25 mm;而 QB/SZMC－10102—2010《深圳城市軌道交通地下工程監測技術規范》規定結構絕對變形量的預警值為10 mm(見表2);左右兩線隧道數值分析和實測結果均滿足規范要求，按設計方案施工基本合理，在施工過程中需要加強監測。

分別對左線隧道監測斷面和右線隧道監測斷面進行分析(見圖6)，由于隧道襯砌彈性模量很大，近似于剛體，拱頂、拱腰和仰拱3個位置的測點沉降值比較接近。從圖中看出，開挖11號線車站基坑負1層土體后，左右兩線的隧道隆起值達到最大，左線隧道拱頂測點隆起模擬值為5.62 mm，實測值6.21 mm;左線隧道拱腰測點隆起模擬值為5.85 mm，實測值6.37 mm;左線隧道仰拱測點隆起模擬值為6.32 mm，實測值6.57 mm。右線隧道拱頂測點隆起模擬值為3.53 mm，實測值4.45 mm;右線隧道拱腰測點隆起模擬值為3.89 mm，實測值4.67 mm;右線隧道仰拱測點隆起模擬值為3.73 mm，實測值4.16 mm。

西端風道基坑開挖和11號線車站基坑開挖，左線隧道隆起較大，斷面測點隆起值的大小順序依次為仰拱、拱腰、拱頂，右線線隧道隆起較小，斷面測點隆起值大小順序依次為拱腰、仰拱、拱頂，數值計算結果與實測數據相符。

圖5 左線和右線隧道各測點沉降分析Fig.5 Analysis on settlement of crown，haunch and invert of existing tunnel

2.2 西端風道旋噴樁加固效果分析

對西端風道地基，在采取旋噴樁加固和未采取旋噴樁加固2種工況進行了數值分析，如圖7所示。工況1是對西端風道采取旋噴樁加固，工況2是對西端風道地基不采取任何加固措施。以拱頂測點為研究對象，從圖7看出，完全位于西端風道下方的1號線左線隧道拱頂測點的隆起值明顯大于部分位于西端風道下方的1號線右線隧道的隆起值。第4分析步到第7分析步，拱頂隆起變化明顯，主要因為開挖11號線頂板覆土、開挖11號線負1層土體和開挖西端風道土體，隧道隆起速度比較明顯，在工況2對西端風道不采取任何土體加固措施情況下，左線隧道拱頂隆起的最大累計位移為6.83 mm，在工況1對西端風道采取旋噴樁加固措施情況下，左線隧道拱頂隆起的最大累計位移為5.62 mm。左線隧道拱頂隆起西端風道的最大累計位移比未采取旋噴樁加固情況下拱頂隆起的最大累計位移減少了21.5%;在工況2條件下，右線隧道拱頂隆起的最大累計位移為4.65 mm，在工況1對西端風道采取旋噴樁加固措施情況下，左線隧道拱頂隆起的最大累計位移為3.87 mm。右線隧道拱頂隆起西端風道的最大累計位移比未采取旋噴樁加固情況下拱頂隆起的最大累計位移減少了20.2%;結果表明在采取旋噴樁加固地基情況下，既有隧道隆起的最大累計位移可以減少20%以上;可以有效地減少西端風道基坑開挖對位于西端風道下方的地鐵1號線的影響。

圖6 左右線隧道斷面各測點沉降分析Fig.6 Analysis on settlement of existing tunnel

圖7 2種工況下左線和右線隧道拱頂測點沉降的對比分析Fig.7 Crown settlement of existing tunnel in the case of jet grouting consolidation Vs.that without jet grouting consolidation

3 自動化監測

3.1 自動化監測簡介及優勢

隨著自動化監測技術的快速發展，自動化監測技術在隧道結構變形的監測中應用越來越廣泛。車公廟交通樞紐工程自動監測系統(見圖8)主要由徠卡TS30測量機器人(見圖9)、棱鏡、供電與通訊系統和遠程計算機系統等組成。按照《深圳城市軌道交通地下工程監測技術規范》、《工程測量規范》等規范的要求進行監測。變形監測采用徠卡SmartMonitor自動監測系統配合測量機器人TS30進行自動監測。變形監測以隧道結構安全監測為主，根據現場情況選取隧道結構重要部位布設監測點并安裝棱鏡，建立24 h的自動化監測系統。

圖8 自動化監測系統的主要構成Fig.8 Main composition of automatic monitoring system

圖9 測量機器人TS30Fig.9 Georobot TS30

自動化監測系統的優點:1)實現24 h不間斷的自動監測;2)測量精度高，可以實現結構測點的三維監測;3)設置測量次數、測量周期以及變形量、變形速度、報警限差值和報警等級，當某點的位移值超限時，系統通過E-mail、手機短信等方式自動報警，使管理人員實時掌握監測動態情況;4)通過監測數據分析和SmartMonitor軟件的控制，利用實時差分改正技術，消除了外界溫度、濕度等因素引起的測量誤差，實現高精度測量;5)自動化監測系統包含SmartAnalyzer數據處理分析模塊，具有強大的數據處理能力，可以對數據進行平差計算、粗差檢驗，以及可以直接輸出圖表和監測報告。

3.2 隧道測點布置

地鐵隧道結構變形監測斷面布點位置:地鐵仰拱監測點1個、拱頂監測點1個、拱腰監測點1個。全站儀安裝位置里程為DK11+750，后視點里程為DK11+850(位于無變形區)，監測點里程范圍為 DK11+630～+810，詳細見圖10。

圖10 隧道監測斷面測點布置示意圖Fig.10 Layout of monitoring points

3.3 監測項目控制標準

既有運營的隧道對變形的要求非常嚴格，關于基坑開挖引起既有地鐵隧道變形方面的規范，國內尚無相應的規范和控制標準。深圳市地鐵集團有限公司根據深圳市城市環境、工程地質條件、水文地質條件以及深圳城市軌道交通地下工程建設采用的不同工法制定了企業技術標準QB/SZMC－10102—2010《深圳城市軌道交通地下工程監測技術規范》，既有地鐵變形控制標準如表2所示。

表2 既有地鐵變形控制標準Table 2 Control standard of deformation of existing Metro

自動化監測系統實現了24 h不間斷自動化觀測，不僅保證了測量的精度，也滿足工程建設的需要，節省了勞動力成本，提高了工程的經濟效益，為工程管理人員提供了決策依據。自動化監測代表著未來工程測量的發展趨勢。

4 結論與討論

通過坑內土體進行高壓旋噴加固，利用ABAQUS三維數值分析軟件進行數值分析，并結合現場實測數據，可得到如下結論:

1)既有地鐵1號線隧道處于規范允許值的控制范圍，西端風道基坑開挖，左線隧道隆起值較大，斷面測點隆起值大小順序依次為仰拱、拱腰、拱頂，右線線隧道隆起值較小，斷面測點隆起值大小順序依次為仰拱、拱腰、拱頂，計算結果與實測相符。

2)旋噴樁加固可以有效減少隧道隆起的位移，使既有隧道隆起的最大累計位移可以減少20%以上。

3)西端風道基坑和11號線車站基坑的開挖引起隧道的不對稱變形，表現為近基坑側的左線隧道變形大于遠基坑側的右線隧道變形。

4)數值分析的結果與現場實測數據具有較好一致性，可為以后類似工程建設提供參考和借鑒。

5)自動化監測系統實現了24 h的自動化觀測，節省了勞動力成本，提高了工程的經濟效益，代表了未來工程測量的發展趨勢;這次測試數據只收集了2個斷面，縱向變形需在以后研究中進一步分析。

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