鄰近工程施工對既有隧道的影響研究

□文 /朱勇士

地鐵正以準時高效、搭乘便捷、綠色環保等優勢，引領著城市現代化和一體化進程的不斷前行并成為人們出行的首選交通工具。隨著軌道交通線網規劃的拓展和完善，地鐵線路覆蓋范圍越來越廣，在帶動沿線經濟發展和提高人們出行質量的同時，也與沿線周邊地塊發生正穿、側穿和鄰近等多種關系。當地鐵線路穿越地塊時，地塊基坑開挖和施工降水將引起周邊土體應力變化和地層變形，對地鐵區間隧道造成一定的影響，嚴重時將危及地鐵的正常運營。因此，鄰近地鐵工程施工時，如何準確分析和提前預測其對地鐵隧道的影響，需采取何種工程措施有效確保既有地鐵隧道結構和運營安全，已越來越引起工程建設人員的重視。

本文以上跨鄭州市軌道交通1號線地鐵區間隧道的鄭州綜合交通樞紐地下交通工程東廣場項目為例，運用三維數值模擬仿真分析方法并結合施工監測數據反饋，重點研究了鄰近工程施工對既有地鐵區間隧道的影響。

1 工程概況

鄭州綜合交通樞紐地下交通工程東廣場項目位于鄭州東站站房東側，東四環以東，地下3層，基坑開挖深度約19 m。鄭州軌道交通1號線鄭州東站—博學路站盾構隧道從東廣場中部東西向穿過，將東廣場項目分割為南北兩個地下廣場，依靠上跨地鐵區間隧道的三條南北向聯絡通道實現南北廣場地下空間的互通，見圖1。

圖1 東廣場項目及地鐵區間隧道總平面

南北廣場均采用地下連續墻支護體系，蓋挖逆作，地下連續墻距離隧道結構邊約10.35 m；三條聯絡通道采用鉆孔灌注樁+內支撐支護體系，通道底距離既有隧道結構頂最小凈距約4.1 m，見圖2。在東廣場項目實施前，鄭州軌道交通1號線已實現通車運營。

在東廣場項目施工前的現場踏勘過程中發現，區間隧道正上方存在大量堆土且位于東廣場項目實施范圍內。堆土沿隧道縱向長約200 m，最高處約10 m，區間隧道正上方堆土高度約7 m，見圖3。聯絡通道施工時需清除土堆。

圖2 聯絡通道與地鐵隧道橫斷面位置關系

圖3 隧道上方堆土

2 工程及水文地質情況

擬建場地所處地貌單元為黃河沖積泛濫平原，周邊原為耕地，隨著鄰近工程建設的陸續進行，場地現堆放大量棄土，高度約7～10 m，地形起伏較大，最大高差12 m。依據鉆探、靜力觸探及土工試驗成果，根據土體物理力學性質及工程地質特性將本場地土分為12個地質單元層，從上到下依次為:雜填土、粉土夾粉砂、粉質粘土、粉土夾粉質粘土、粉質粘土、細砂、粉質粘土細砂粉質粘土、細砂、粉質粘土粉質粘土。場地地層主要物理力學參數指標見表1。

表1 地層主要物理力學參數

續表1

場地勘探深度內含水層分為兩層，即上層潛水層和下層承壓水層。潛水主要賦存于16.0～18.0 m以上的粉土、粉質粘土中，屬弱透水層；承壓水主要賦存于16.0～18.0 m以下的細砂中。該層富水性好，屬強透水層，具有微承壓性，與上部潛水有一定水力聯系。潛水層與承壓水層被相對隔水層Q4-2的灰～灰黑色第5層粉質粘土層隔開。

3 保護措施

由于地鐵區間隧道正穿東廣場項目且場地上方存在大量堆土，堆土卸載清移及東廣場項目基坑開挖必然會引起周邊地層應力場的重分布，進而導致土體變形，危及地鐵區間隧道結構及運營安全。經綜合分析本工程可能存在以下風險。

1）區間隧道兩側基坑開挖卸載，導致隧道兩側水平約束降低，從而引起盾構管片發生水平變形，若變形超過限值，管片會出現張開、開裂、滲漏水、道床脫空等現象。

2）區間隧道上方土體清移卸載和基坑開挖，導致盾構管片發生隆起，若隆起超過限值，管片會出現張開、開裂、滲漏水、道床脫空等現象。

3）沿區間縱向的不均勻卸載，可能會導致盾構管片縱向變形曲線的曲率半徑及相對變曲超過限值。

結合理論分析和經驗預判，如此近距離的工程施工，在不采取保護措施的情況下，地鐵安全難以有效保障。

3.1 土體加固

1）在南北基坑鄰近區間隧道一側的地下連續墻結構外側進行土體加固，加固不僅有利于控制圍護結構變形，而且對區間隧道起到隔離保護作用。

2）對地鐵區間隧道周邊及上部土體進行地基加固，加固可有效減小隧道上方基坑開挖過程中的側向變形、回彈變形且有利于減小通道施工過程中的振動及施工完成后地層再次固結沉降的影響。

鄰近南北基坑圍護結構外側的地基加固應在南北基坑施工前從地表實施。鄰近區間隧道范圍的地基加固施工前必須查清既有隧道的準確位置，在監測數據的指導下組織施工，精確定位，嚴格控制標高、垂直度和注漿壓力，以確保施工過程中既有地鐵隧道安全。

3.2 加固措施

1）條形板帶。由于聯絡通道大范圍敞開式開挖對周邊地層擾動較大，考慮將基坑分割為多組長條形小基坑跳挖施工并在每個小坑底部設置反壓式條形板帶，板帶寬度與鉆孔灌注樁間距一致，基本橫斷面尺寸為 1 700 mm×500 mm、1 800 mm×500 mm、2 000 mm×500 mm（寬×高），采用C50微膨脹鋼筋混凝土現澆并摻早強劑。

2）抗拔樁。沿盾構隧道縱向南北兩側各設置一排鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁規格為φ800 mm@1 800 mm，樁長 24～28 m，采用 C30水下鋼筋混凝土，灌注樁頂部預留伸出鋼筋，以便與條形板相連，使得條形板帶和抗拔樁形成整體。見圖4和圖5。抗拔樁距離區間隧道的凈距應≮1.5 m。此外，抗拔樁施工前必須核清既有隧道的準確位置并在隧道跟蹤監測數據的指導下組織施工，精確定位，嚴格控制標高、垂直度，以確保施工過程中既有地鐵隧道安全。

圖4 土體加固剖面

圖5 土體加固橫斷面

3.3 對稱開挖和分層卸載

1）由于本項目基坑開挖規模大，對區間隧道影響范圍廣，南北基坑應對稱分層分塊開挖及施工，每層開挖深度不超過0.5 m。

2）為減小清土過程中區間隧道上浮和隆起，隧道上方堆土在清卸過程中分層分步進行，避免一次清卸范圍過大，每層土清卸深度不超過0.5 m。

4 三維數值模擬分析

4.1 三維模型建立

根據項目特點，三維數值模擬主要分析工況包括東廣場南北基坑開挖、隧道上方堆土清移和通道開挖。考慮盡量減少模型邊界效應的影響，最終建立長380 m、寬310 m、原始高度60 m的數值模型，見圖6和圖7。其中區間隧道埋深約11 m，線路中心線間距16.1 m，區間隧道地表上覆土層高7 m，兩邊基坑地表上覆土層高12 m。

4.2 施工過程模擬

為較好地分析和動態模擬施工過程對既有地鐵隧道的影響，采用修正摩爾-庫倫本構模型，整個模擬過程主要包括以下步驟：

1）水泥土攪拌樁加固施工；

2）南北廣場基坑開挖及結構施工；

3）聯絡通道抗拔樁施工；

4）清除區間隧道上方既有堆土；

5）抽條開挖聯絡通道基坑并及時施做反壓板；

6）完成聯絡通道結構施工。

圖6 三維模型

圖7 地下結構相互關系

4.3 結果分析

施工引起的豎向位移見圖8-圖10。

各施工工序對地鐵區間隧道造成的影響見表2。由表2可以看出，施工引發的地鐵隧道變形主要集中在土體加固和南北廣場基坑的大范圍開挖卸荷作業，隧道隆起值約8.7 mm，占最大隆起量的68.5%；隧道上方土體在分層清移過程中也會帶來地鐵隧道一定的回彈隆起，隆起值約2.3 mm，占最大隆起量的16.5%；由于采取了抽條跳挖施工，聯絡通道開挖對地鐵隧道的影響整體較小，隧道隆起值約1.9 mm，占最大隆起量的14.9%。整個施工過程中，地鐵隧道的最大徑向收斂約3.8 mm，出現在南北側基坑開挖至底部。

東廣場項目南北廣場已施工完成，目前正進行聯絡通道抗拔樁及條形板帶施工作業，現場監測數據顯示，南北廣場施工過程引起的地鐵隧道隆起值約9.1 mm，隧道上方堆土清移引起的地鐵隧道隆起值約11.2 mm，數值模擬結果與現場監測數據基本吻合。地鐵隧道洞內調查結果顯示，施工過程中盾構管片無開裂、掉塊、滲漏水及接觸網脫落、道床脫空等現象。

圖8 南北基坑施工完成隧道結構位移

圖9 隧道上方堆土清移后隧道結構位移

圖10 通道基坑施工完成隧道結構位移

表2 各施工步序對應隧道結構變形量統計分析

5 結論及建議

東廣場項目施工過程伴隨著既有地鐵區間隧道隆起變形，在采取一定的工程保護措施后，項目施工引起的隆起變形、位移曲率半徑及徑向收斂均滿足CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》相關控制指標要求且隧道結構受力狀態無明顯改變，施工過程對地鐵區間隧道的影響整體上安全可控。

1）東廣場項目南北基坑距離地鐵區間隧道較近，隧道位于基坑開挖核心影響區域，其影響主要表現在：深基坑開挖卸荷將打破土體初始應力狀態，導致基坑周邊地層應力場和位移場發生變化，進而將這種變化傳遞給地鐵區間隧道，引起區間隧道的抬升和隆起。采取土體加固措施后，數值模擬結果顯示南北廣場基坑施工過程中地鐵區間隧道最大隆起量約8.7 mm，施工過程對地鐵區間隧道的影響安全可控。

2）東廣場項目橫向聯絡通道上跨地鐵區間隧道，其豎向凈距約4.1 m且聯絡通道上方有約7 m高堆土，堆土清移和聯絡通道基坑開挖對地鐵區間隧道的影響應引起格外重視。在采取地層加固、通道底增設抗拔樁及條形反壓板帶、抽條法跳挖施工等措施后，數值模擬結果顯示施工過程引起的隧道最大累計隆起量約12.7 mm，不影響地鐵區間隧道結構和運營安全。

3）本次數值模擬計算結果與現場施工監測反饋信息基本一致，模擬過程能夠真實反應本工程施工對既有地鐵區間隧道的影響，數值模擬成果可有效指導設計和施工。

4）由于本項目聯絡通道基坑尚未開挖完成，在后續施工過程中每塊條形小基坑開挖結束后應及時施作條形板帶、封閉坑底并備足沙袋、條石等進行回填反壓，控制地鐵隧道回彈上浮和隆起。

5）應加強對地鐵區間隧道的監測并對監測數據進行動態分析，做到信息化施工，密切關注盾構管片的變形及內力變化并制定應急預案，必要時可考慮隧道洞內鋼環加固、地面跟蹤注漿等措施。