砂卵石地層地鐵隧道上方基坑開挖卸載影響與對策分析

戴志仁, 王天明, 杜 宇, 汪 珂, 向 陽

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程實驗室, 陜西 西安 710043)

砂卵石地層地鐵隧道上方基坑開挖卸載影響與對策分析

戴志仁1, 2, 王天明1, 2, 杜 宇1, 汪 珂1, 向 陽1

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程實驗室, 陜西 西安 710043)

在富水砂卵石地層條件下，地鐵盾構隧道上方基坑大范圍開挖卸載會對下臥盾構隧道產生不利影響。為確保地鐵運營安全，對下臥盾構隧道隆起與變形趨勢進行研究，從減小基坑開挖卸載的影響程度與增大隧道縱向剛度2方面著手，通過在盾構隧道內設置預應力錨索、軌道道床內設置暗梁結構并與管片疊合處理以及臨時槽鋼縱向固定等措施的綜合應用，減小縱向不均勻變形趨勢，同時采用管幕法超前支護形成壓頂梁，并對上方基坑開挖采用“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的基本原則，將盾構隧道的變形控制在毫米級范圍，滿足了地鐵正常運營要求。

砂卵石地層； 基坑開挖； 卸荷； 地鐵隧道； 隧道管片； 預應力錨索； 疊合構件

0 引言

近年來，隨著國家新一輪基礎設施建設規劃在各地的逐步落實，城市軌道交通建設又迎來了新一輪建設高潮，同時城市軌道交通周邊環境的保護問題更需要引起重視[1]。為確保地鐵運營安全，地鐵隧道周邊50 m范圍內屬于建設控制地帶，鄰近3 m范圍內不能進行任何工程建設[2]；但由于地鐵運營可顯著帶動周邊地塊價值的上升，地鐵隧道正上方或鄰近工程的建設屢見不鮮[3]，對地鐵的正常運營形成安全隱患。劉淼[4]對西安地鐵出入段線上跨盾構區間進行研究，明確了基坑開挖與回填對下臥盾構隧道的卸載與加載效應影響較大；李平等[5]提出了可利用坑底地層加固與抗浮板樁相結合的措施，抑制下方隧道的隆起位移；李瑛等[6]對基坑下臥地鐵隧道的變形進行了研究，提出了坑底地層加固與分層分塊開挖的控制措施；于加新[7]提出了軟土地層基坑開挖引起坑底的回彈變形量的估算方法；俞縉等[8]肯定了基坑底部地層加固處理對抑制下方隧道隆起的控制效果；王俊等[9]指出用作隧道上方高層建筑荷載轉換構件的支撐樁傳遞的水平向荷載對隧道襯砌而言屬于有利荷載。

縱觀國內外文獻資料與工程案例，地鐵與其他市政工程或地塊開發建設的協調問題，一般應在規劃階段予以解決。本文基于富水砂卵石地層條件下，成都地鐵某盾構隧道，面臨上方市政框架隧道施工，市政框架隧道基坑開挖期間，下臥盾構隧道覆土將由14 m減少至2.1 m，卸載比超過80%，隧道完全位于基坑底部卸載影響范圍內,將從減小基坑開挖卸載影響程度、提高隧道抵抗縱向不均勻變形能力2方面著手，將基坑開挖期間下臥盾構隧道的變形控制在毫米級范圍。

1 工程概況

1.1工程簡介

成都地鐵某區間隧道主要分布在富水砂卵石地層，在里程DK17+360～+400內穿越寶成鐵路(咽喉區)。隧道拱頂埋深10.8～17.8 m，鐵路咽喉區涉及6股道，碎石道床。地層物理力學參數如表1所示。地下常水位約為-6 m。在管棚施工期間，需將水位降至-20 m(群井降水要求)。

表1 地層物理力學參數

地鐵建成通車后，對鐵路咽喉區進行改造，同時市政框架隧道也將同步實施。市政基坑平面尺寸為53 m×59 m，盾構隧道與基坑底部最小豎向凈距為2.1 m(基坑開挖深度為11.9 m)，具體如圖1—3所示。

圖1 區間縱斷面示意圖(單位： m)

圖2 基坑與隧道平面關系圖(單位： m)

圖3 地鐵隧道與市政框架隧道斷面關系圖

1.2安全控制標準

為確保地鐵正常運營與公眾安全，基于既有工程經驗與相關規范[10-11]，同時考慮到富水砂卵石工程經驗相對欠缺，從嚴制定了已運營盾構隧道風險控制標準，具體如表2所示。

表2 已運營地鐵安全控制標準

2 基坑開挖卸載影響分析

本工程基坑開挖深度約為12 m，由于隧道與坑底距離較近，坑底的變形在一定程度上可以體現盾構隧道的變形情況，現有條件無法保證地鐵隧道運營期的安全。

卸荷模量Euf與土體應力路徑密切相關，具體可用式(1)和式(2)表示。

(1)

(2)

對于本工程而言，當基坑開挖深度為12 m時，將相關參數代入式(1)和式(2)，相應的卸荷模量約為35.2 MPa，與卵石土的變形模量(中密卵石土可按30 MPa考慮)基本相當，這可能是基坑開挖后坑底地層存在回彈隆起趨勢的主要原因。

既有研究表明，基坑開挖必將導致坑底土體卸載，在軟塑性黏土地層條件下，坑底土體回彈量可達到基坑開挖深度的0.5%H～1.0%H。成都地區富水卵石土地層，由于土體壓縮模量與卸載模量相差不大，同時卸載模量較大，坑底土體隆起變形相對較小。現場實測結果顯示，坑底隆起變形不超過開挖深度的2.0‰。即在常規設計方案(即未采取特殊保護措施的基坑設計方案)與施工技術水平條件下，本工程基坑底部隆起變形最大值約為24 mm(數值計算相關分析詳見第5部分)，對應的隧道豎向位移最大值已經超出表2的控制要求(14 mm>10 mm)。常規方案下坑底與隧道豎向位移等值線圖如圖4所示。

圖4 常規方案下坑底與隧道豎向位移等值線圖(單位： m)Fig. 4 Contour map of longitudinal displacements of foundation pit bottom and tunnel(unit: m)

3 盾構隧道縱向剛度加強措施及其效果評價

由于管片環縱向接縫的存在，導致盾構隧道的縱向剛度相對較小，容易出現縱向不均勻變形。在采取管片加強配筋、提高接縫螺栓等級的情況下，如何進一步提高隧道縱向剛度，提高縱向不均勻荷載的承載能力，是本工程必須要解決的核心問題。

3.1超前管幕及其壓頂梁實施效果

區間隧道下穿鐵路咽喉區，采用管幕法超前支護，確保盾構掘進引起的擾動與地層損失在可控范圍內。地鐵隧道上方管幕布置斷面如圖5所示。

圖5 地鐵隧道上方管幕布置斷面圖(單位： cm)Fig. 5 Cross-section showing layout of pipe curtain above metro tunnel (unit: cm)

由圖5可知： 管幕縱向長度為51.5 m，直徑為800 mm，間距為850 mm，上下設置2道，下穿框架隧道底板以下與隧道拱頂左右180°范圍內設置，管幕間設置鎖扣，總計67根，在橋墩基坑內由南向北打設。管幕打設完畢后，在內灌注微膨脹水泥砂漿，加強縱向剛度。

在基坑開挖期間，實施分塊、分層、分區域開挖，已實施管幕可在一定程度上起到壓頂梁的作用，從而限制基坑下方隧道的隆起變形趨勢。

3.2抗拔錨索設置及其效果評估

基于成都地鐵盾構管片限界條件，在建筑限界與隧道內徑之間僅預留了100 mm的富余。為確保地鐵運營安全，所有的附加措施不能突破此預留空間。

針對性地提出預應力錨索處理措施，即每環管片設置7個張拉點(相應位置管片需要預留孔洞條件)，100 m范圍內共計933個張拉點，每根錨索長約10 m，固定端長約8 m。預應力錨索設置斷面如圖6所示。

圖6 預應力錨索設置斷面圖

預應力錨索屬于柔性結構，可以在一定程度上抑制隧道的隆起變形，但無法從根本上消除隧道的隆起趨勢，通過計算分析，每個位置處設置3根直徑15.2 mm鋼絞線。預應力錨索如圖7所示。

圖7 預應力錨索詳圖

3.3道床內縱向暗梁與疊合式構件

道床結構一般是在隧道洞通后澆筑的，雖與拱底處隧道結構緊密接觸，但兩者之間并不存在剪力與彎矩的傳遞，可按常規復合式構件考慮，故道床結構型式對隧道的縱向整體剛度影響不大。

道床基礎主要承受來自列車運營產生的豎向荷載，橫向受力為主，縱向受力為輔，故縱向可按構造配筋考慮。通過加強結構配筋，形成縱向暗梁結構，加強縱向剛度。對道床基礎與拱底處隧道接觸部位進行界面處理，先將隧道內表面進行鑿毛處理，隨后涂刷環氧樹脂，最后澆筑道床基礎，將道床基礎與隧道粘合為一個整體構件，形成具有整體承載效應的疊合式構件。特殊減振道床整體情況如圖8所示。道床內暗梁設置示意如圖9所示。

圖8 特殊減振道床整體情況

圖9 道床內暗梁設置示意圖

道床基礎采用C40混凝土，縱向采用28根φ20 mm的HRB400E級螺紋鋼，最大程度提高其縱向剛度。

3.4隧道縱向槽鋼拉結方案

在隧道運營期間，為進一步加強縱向剛度抵抗不均勻荷載的能力，在隧道內部設置縱向槽鋼(主要在“10點鐘”與“2點鐘”方向)，每段槽鋼長約9 m，采用I22b槽鋼(截面高度為79 mm，滿足限界要求)。隧道內槽鋼拉結實景如圖10所示。

圖10 隧道內槽鋼拉結實景圖

槽鋼主要通過管片螺栓孔進行固定，具體位置可能會根據螺栓孔進行調整。對于管片采用預埋滑槽的隧道而言，可實現任意角度槽鋼的縱向拉結。

4 基坑開挖卸載控制措施研究

在地層條件、基坑深度一定的情況下，基坑支護與開挖方式對坑底地層的卸載與隆起趨勢起到控制性作用。1)必須結合建設工期、基坑深度、地層條件，基于分層、分塊、分區域的理念，嚴格按照“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的原則開挖，同時采用“樁+內支撐”支護方式; 2)隧道正上方6 m范圍內土體開挖設置試驗段，視監測情況確定相應處理方案; 3)在基坑施工期間，地下水位需控制在隧道結構底板以下1 m。隧道上方基坑分區域開挖示意如圖11所示。

圖11 隧道上方基坑分區域開挖示意圖Fig. 11 Sketch of longitudinal segmentation excavation of foundation pit

市政通道基坑分為南北2部分實施，南段基坑在地鐵隧道施工前完成，北段基坑由西向東分為4部分(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)開挖。

步驟1： 北段第Ⅰ部分基坑開挖。圍護樁施工、施工降水、基坑分層開挖(2 m/層)，施作主體結構。

步驟2： 北段第Ⅱ部分基坑開挖可參考第Ⅰ部分。

步驟3： 北段第Ⅲ部分基坑開挖。分層開挖至基坑底部以上6 m，坑底以上6 m范圍內土體采用豎向分層、縱向分段方式開挖(設置6 m長試驗段)。隧道上方6 m覆土基坑開挖試驗段示意如圖12所示。

圖12 隧道上方6 m覆土基坑開挖試驗段示意圖(單位： mm)Fig. 12 Sketch of excavation test of foundation pit 6 m above tunnel (unit: mm)

步驟4： 北段第Ⅳ部分基坑開挖可參考第Ⅲ部分。

5 數值模擬分析

為確保地鐵運營安全，采用MIDAS/GTS進行模擬分析，模型尺寸為320 m×110 m×56 m(長×寬×高)，共由60萬4 154個單元、57萬1 573個節點組成，采用位移邊界條件，數值模擬關鍵技術如下。

1)本構模型采用修正摩爾-庫侖，地層采用實體單元模擬，盾構隧道與市政框架隧道結構采用梁板單元模擬，管棚與基坑圍護結構采用植入式錨桿單元模擬。

2)隧道上半斷面注漿加固通過地層力學參數的改變來體現，按水泥土參數考慮。

3)道床線荷載按17.5 kN考慮。

4)盾構管片采用C50鋼筋混凝土，預應力錨索采用3φ15.2 mm鋼絞線，基坑圍護結構采用φ1 200 mm@2 000 mm，C35灌注樁(圍護樁嵌入比為0.3)，內支撐采用φ169 mm鋼管撐。

三維計算模型和最不利斷面處計算模型如圖13所示。

5.1豎向位移等值線圖

基坑開挖完成后的豎向位移等值線圖如圖14所示。基坑開挖中下臥盾構隧道豎向位移變化如表3所示。

由圖14和表3可知： 通過綜合運用多種措施，最終將隧道正上方基坑開挖卸載的影響控制在毫米級(隧道拱頂最大隆起值為9.6 mm，拱底最大隆起值為7.5 mm)，達到了規范的控制要求，滿足了地鐵安全運營的要求。

同時，通過進一步分析發現，沿隧道縱向，任意10 m范圍內差異變形不大于4 mm，滿足了縱向變形曲率≤1/2 500的要求。

(a) 三維計算模型

(b) 最不利斷面處計算模型

圖14 東側輔道基坑開挖完成時豎向位移等值線(單位： m)Fig. 14 Contour map of vertical displacement of tunnel after east foundation pit excavation (unit: m)

表3基坑開挖中下臥盾構隧道豎向位移變化
Table 3 Vertical displacements of tunnel during excavation of upper foundation pit

mm

5.2錨索應力分析

東側輔道基坑開挖完成后(最不利工況)，預應力錨索的軸力如圖15所示。

圖15 錨索軸力分析(單位： kN)Fig. 15 Axial force analysis of prestressed anchor rope (unit: kN)

由圖15可知: 基坑開挖完成后，預應力錨索軸力最大值將近100 kN，小于錨索承載能力。

5.3管片內力與配筋分析

東側輔道基坑開挖完成后(最不利工況)，盾構隧道管片內力與配筋情況如圖16、圖17和表4所示。

圖16 管片彎矩圖(單位： kN·m)Fig. 16 Bending moment diagram of tunnel segment (unit: kN·m)

圖17 管片軸力圖(單位： kN)

管片部位內力彎矩/(kN·m)軸力/kN配筋/mm2計算實際拱頂30．5249．1600拱腰47．6114．3600拱底82．6383．99101625(8@16mm)

由圖16、圖17和表4可知： 基坑開挖完成后，盾構隧道管片最大內力值出現在隧道拱底附近，相應最大彎矩值為82.6 kN·m，最大軸力值為383.9 kN，每延米配筋為8@16 mm，即1 625 mm2即可滿足要求。

進一步觀察發現，基坑開挖卸載會導致下臥盾構隧道內力出現一定的偏轉(向基坑方向)，尤其是右線隧道彎矩值(見圖16)，這會導致相應位置處管片縱縫接觸方式發生變化： 拱頂處接縫內側張開量會減小甚至閉合，加劇管片的裂縫與破碎風險；接縫外側張開量會增大，不利于接縫防水，在實際工程中應引起重視。

6 結論與建議

本文基于成都地鐵某區間隧道工程建成通車后，上方基坑施工導致大范圍卸載，對下方已運營地鐵隧道造成安全隱患，主要結論如下。

1)針對基坑開挖對下臥盾構隧道的影響，可從減小基坑開挖卸載的影響(豎向分層、縱向分段、先支后挖，坑底以上6 m范圍內土體單次開挖范圍大于2 m)、提高隧道抵抗縱向不均勻變形能力2個方面綜合考慮。

2)管幕法壓頂梁、抗拔錨索、道床內縱向暗梁并與管片疊合處理措施，能在一定程度上增大盾構隧道的縱向剛度，進而減小基坑開挖卸載引起的隧道隆起變形。

3)基坑開挖卸載會引起下臥盾構隧道內力出現偏轉，導致相應位置處管片縱縫接觸方式的變化，對管片裂縫控制與防水不利，故實際工程中應加強監測，及時處理，以免影響行車安全。

4)市政工程應盡量在規劃階段統籌考慮，先期工程需為后期工程預留必要實施條件，本文研究結論可為類似工況下盾構隧道預留后期工程實施條件提供參考，后續研究可進一步從盾構管片結構設計方面考慮，以期提高盾構隧道縱向整體剛度。

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InfluencesofUnloadingofFoundationPitExcavationonLowerMetroTunnelinSandy-gravelStrataandItsCountermeasures

DAI Zhiren1, 2, WANG Tianming1, 2, DU Yu1, WANG Ke1, XIANG Yang1

(1.ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi′an710043,Shaanxi,China; 2.KeyLaboratoryofShaanxiRailwayandUndergroundTrafficEngineering,Xi′an710043,Shaanxi,China)

The unloading of foundation pit excavation would affect the lower metro shield tunnel in water-rich and sandy-gravel strata. As a result, the deformation rules of the shield tunnel are studied in terms of reducing the influencing degree of unloading of foundation pit excavation on lower metro tunnel and increasing longitudinal stiffness of tunnel. The uneven longitudinal deformation of the tunnel is reduced by setting prestressed anchor rope in tunnel, setting hidden beam in the road bed and composited with segment and longitudinal fixing the U-steel. Meanwhile, the top beam is formed by advanced support of pipe curtain. The basic principle of vertical stratification, longitudinal segmentation and excavation after support is adopted for foundation pit excavation. The results show that the deformation of the tunnel has been effectively controlled and the normal operation of the metro has been guaranteed.

sandy-gravel strata; foundation pit excavation; unloading; metro tunnel; tunnel segment; prestressed anchor rope; composite structure

2017-06-20;

2017-08-28

陜西省2016年度科學研究與發展計劃(2016KCT-07)

戴志仁(1981—)，男，江蘇溧陽人，2010年畢業于同濟大學，隧道及地下建筑工程專業，博士，高級工程師，主要從事城市軌道交通工程設計與研究方面的工作。E-mail： dzrzss@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.008

U 45

A

1672-741X(2017)10-1255-07