中穿運(yùn)營地鐵兩側(cè)基坑群地鐵差異變形控制技術(shù)*

周志健，高丙山，張 麒，趙子余，盧世本，王 琪

(中國建筑第八工程局有限公司華北公司，天津 300350)

0 引言

在近地鐵基坑建設(shè)中，由于土方開挖卸荷、土體應(yīng)力釋放及基坑降水，易引起地鐵及周邊環(huán)境變形。近地鐵基坑施工過程中，不僅要控制地鐵隆沉變形，還要控制地鐵隧道差異變形。沿基坑方向受基坑開挖卸荷和降水影響，地鐵產(chǎn)生不同變形，在基坑開挖范圍內(nèi)和未開挖區(qū)地鐵變形存在較大差異。另外,在地鐵車站和隧道交界處，由于兩側(cè)結(jié)構(gòu)剛度不同，開挖卸荷和降水后抵抗變形能力的不同引起過大差異變形，從而引起地鐵隧道裂縫張開造成隧道滲水，引起軌道變形，嚴(yán)重影響運(yùn)營安全。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

天閱海河項(xiàng)目位于天津市河北區(qū)，總建筑面積43.596萬m2(地上25.265萬m2，地下18.33萬m2)，基坑總占地面積10.91萬m2，共分為6個(gè)地塊，分4期建設(shè)(1期、2期(2A，2B)、3期(3A，3B)、4期)，其中2，3期橫跨既有運(yùn)營中的地鐵6號線，地鐵6號線預(yù)留北運(yùn)河站位于項(xiàng)目內(nèi)，與項(xiàng)目有4個(gè)連通口，基坑范圍內(nèi)車站主體長194m，地鐵隧道長105m，如圖1，2所示。

圖1 天閱海河項(xiàng)目平面

圖2 基坑與地鐵車站的關(guān)系平面(單位：m)

工程1，2B期地下3層，開挖深度17.1m；2A，3A期地下2層，開挖深度11.8m；3B期地下3層，開挖深度16.6m；4期地下3層，開挖深度17.7m。

1.2 地鐵與基坑的關(guān)系

天津地鐵6號線北運(yùn)河站為過站運(yùn)營，僅修建主體土建部分，尚未修建車站出入口及地下通道、風(fēng)道風(fēng)亭部分。北運(yùn)河站為地下3層，樁基礎(chǔ)、車站開挖深度為24.2～25.7m，地下連續(xù)墻厚1 000mm、深42.5m，如圖3所示。

圖3 基坑與地鐵車站關(guān)系

地鐵隧道外徑6.2m，隧道覆土厚約18m；隧道上部與連接的地下2層結(jié)構(gòu)埋深15.0～16.3m，下方設(shè)置φ700mm鉆孔灌注樁，有效樁長40m，如圖4所示。

圖4 基坑與盾構(gòu)隧道的關(guān)系

作為天津市首例在時(shí)速60km的過站運(yùn)營地鐵兩側(cè)開挖、上蓋、修建戰(zhàn)時(shí)可用于防空地下室的項(xiàng)目，軌道集團(tuán)與第三方評估單位要求，盾構(gòu)區(qū)間及地鐵站體控制豎向位移≤12mm，隧道結(jié)構(gòu)差異沉降≤0.02% (2mm/10m)。

1.3 水文地質(zhì)概況

項(xiàng)目地處富水軟土地區(qū)，以雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土層為主，影響基坑水層的有潛水層和第一承壓水層，靜止水位埋深1.1～3.1m，第一承壓水層深17～30m，運(yùn)營地鐵隧道處于第一承壓水層部位，如圖5所示。

圖5 水文地質(zhì)剖面

2 近地鐵基坑施工引起地鐵差異變形風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 基坑開挖對地鐵影響分析

采用有限元分析軟件MIDAS GTS和PLAXIS 3D軟件建立整體三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。為模擬基坑開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，模擬土方開挖工況，同時(shí)根據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)對已施工基坑開挖情況進(jìn)行數(shù)值模擬反演分析，進(jìn)而模擬基坑開挖。建模契合開挖方案對開挖監(jiān)測結(jié)果做對比，進(jìn)一步調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以預(yù)測開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。通過不斷完善模型和分析相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)，可針對性地結(jié)合現(xiàn)場情況，調(diào)整土方開挖工序及設(shè)計(jì)控制措施，一定程度上指導(dǎo)施工并確保安全高效。

2.1.1模型建立

模型中土體采用實(shí)體單元，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)樓板、地鐵站主體結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)隧道及隧道上方結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬，基坑水平支撐、立柱采用梁單元進(jìn)行模擬，地鐵站體及隧道上方結(jié)構(gòu)工程樁、支承柱下灌注樁采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬。

2.1.2工況模擬

為準(zhǔn)確模擬基坑開挖對6號線北運(yùn)河地鐵站的影響，通過有限元軟件單元鈍化模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、各層土體分層開挖及各道支撐體系施工過程，根據(jù)基坑工程順作法施工工況模擬開挖全過程。具體施工步驟如下：①步驟1 平衡初始地應(yīng)力；②步驟2 模擬地鐵車站、隧道及隧道上部地下結(jié)構(gòu)與1期主體結(jié)構(gòu)，并將位移清零；③步驟3 施工2A，2B期分區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及立柱樁；④步驟4 2A，2B期基坑開挖至第1道支撐底標(biāo)高，施工第1道支撐；⑤步驟5 2A，2B期基坑開挖到第2道支撐底標(biāo)高，施工第2道支撐；⑥步驟6 2A，2B期基坑分區(qū)域開挖；⑦步驟7 2B期基坑分塊一次開挖，先開挖基坑周邊土體；⑧步驟8 2B期基坑分塊二次開挖，開挖中間島式土體，最終開挖到基坑底。

2.1.3結(jié)果分析

2A期基坑坑底最大隆起約60mm，2B期基坑坑底最大隆起約84mm，基坑降水引起周邊沉降平均12mm，最大21mm，以上隆沉造成地鐵豎向變形19.79mm，2A，2B期基坑開挖后坑底土體豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 基坑開挖后坑底土體豎向位移云圖

運(yùn)營地鐵車站與隧道交界部位，隧道最大隆起變形4.5mm，向南側(cè)逐漸減小，如圖7a所示；車站主體最大隆起變形5.08mm，向北側(cè)逐漸減小，如圖7b所示。

圖7 豎向位移云圖

2.2 地鐵差異變形風(fēng)險(xiǎn)分析

基坑范圍即跨地鐵站體同時(shí)存在隧道區(qū)間，在基坑分區(qū)、分段開挖及降水期間，地鐵站體和區(qū)間隧道差異變形風(fēng)險(xiǎn)如下。

1)站體剛性結(jié)構(gòu)與隧道柔性結(jié)構(gòu)交界處的差異變形最難控制 車站與隧道連接部位差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，站體為樁筏剛性結(jié)構(gòu)體系，隧道區(qū)間為管片半剛性結(jié)構(gòu)體系。在受到開挖卸荷應(yīng)力及降水引起的附加應(yīng)力時(shí)，抵抗變形能力存在較大差異，當(dāng)受到相同荷載影響時(shí)變形也不同。站體筏板+樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為剛性體系，隧道區(qū)間管片結(jié)構(gòu)為半剛性體系；站體與隧道不同剛度及地鐵隧道在基坑臨界處的沉降差異較大，站體與隧道接茬部位為差異沉降控制點(diǎn)。

經(jīng)采用MIDAS GTS軟件和PLAXIS 3D進(jìn)行模擬分析，站體與隧道連接處模擬差異沉降達(dá)0.58mm，超出預(yù)警值近2.5倍(0.2mm)。該位置運(yùn)營前進(jìn)行過修補(bǔ)，豐水期持續(xù)滲漏，連接處極為薄弱。

2)基坑邊界處地鐵差異變形風(fēng)險(xiǎn)控制難度大 隧道在基坑范圍內(nèi)長達(dá)105m，基坑開挖卸荷時(shí)，受土方應(yīng)力釋放影響引起地鐵隆起變形。因基坑內(nèi)受多層地下水影響，且各層水系聯(lián)系較密切，基坑降水時(shí)，坑外地下水補(bǔ)給坑內(nèi)引起坑外地下水位下降，受此影響，地鐵隧道在坑內(nèi)隆起，坑外下沉，導(dǎo)致地鐵在基坑邊界有過大差異變形。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔斷第一承壓水層，盾構(gòu)隧道底部又處于第一承壓水層中，基坑降水引發(fā)的基坑內(nèi)外水位差對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較大差異沉降。基坑分界位置內(nèi)外兩側(cè)隧道接縫處為差異沉降控制點(diǎn)。

3 差異變形控制技術(shù)

本工程車站與隧道連接部位差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，差異沉降也稱為不均勻沉降，在結(jié)構(gòu)工程中，相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)或同一個(gè)節(jié)后接縫位置，兩側(cè)基礎(chǔ)沉降量差值過大，將對相應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外應(yīng)力，當(dāng)累計(jì)應(yīng)力值超過一定限度時(shí)產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生傾斜甚至破壞。施工期間必須采取有效措施應(yīng)對差異沉降變形。

3.1 動(dòng)態(tài)調(diào)整地下水位控制交界處差異沉降技術(shù)

基于地下水位下降引起周邊環(huán)境沉降問題，通過動(dòng)態(tài)控制地下水位，主動(dòng)抽降承壓水引起沉降，平衡地鐵隆起變形，另通過回灌抬升地下水水頭高度抑制地鐵沉降，以控制地鐵差異沉降。

剛性體系與柔性體系接駁時(shí)，在同樣降水作用下，各自結(jié)構(gòu)應(yīng)力與沉降不同，勢必引起較大的差異沉降，應(yīng)動(dòng)態(tài)控制該部位的地下水頭高度，調(diào)整水頭高度產(chǎn)生的附加應(yīng)力，維持兩個(gè)結(jié)構(gòu)間的基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定。同時(shí)，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)是由多個(gè)管片拼裝而成的柔性結(jié)構(gòu)體系，整個(gè)基坑降水帶動(dòng)基坑內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)整體發(fā)生沉降，但各點(diǎn)位地質(zhì)條件不完全相同，基坑降水帶來的附加應(yīng)力作用在每段管節(jié)處的大小也不盡相同，所以需動(dòng)態(tài)調(diào)整基坑內(nèi)整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水頭高度，才能穩(wěn)定隧道結(jié)構(gòu)體系差異沉降。

根據(jù)基坑開挖模擬分析結(jié)果，基坑采用分塊、分段開挖方式，結(jié)合基坑開挖工況及土層與圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系，在地鐵兩側(cè)分別設(shè)置第一承壓水層和第二承壓水層控制井(見圖8)。2A期設(shè)置第一、二承壓水層控制井，控制井交叉布置，其中車站范圍間距 10m，對應(yīng)隧道區(qū)域間距 5m；2B期開挖深度較深，降水井深度進(jìn)入第一承壓水層，因此不設(shè)置第一承壓水層控制井，考慮設(shè)置第二承壓水層控制井，其中車站范圍間距15m，對應(yīng)隧道區(qū)域間距8m，如圖9所示。

圖8 地下水與基坑及地鐵的關(guān)系

圖9 中穿運(yùn)營地鐵基坑水位動(dòng)態(tài)控制井布置

該布置不僅控制基坑內(nèi)部因開挖應(yīng)力釋放不均產(chǎn)生的差異沉降，也作為耦合地鐵隆沉的備用措施，通過向各含水層進(jìn)行回灌，保持車站與隧道范圍承壓水水位穩(wěn)定不下降。結(jié)合基坑開挖工況，在開挖區(qū)通過主動(dòng)抽水，保持沉降平衡。未開挖區(qū)域進(jìn)行回灌，保持未開挖區(qū)水頭高度，使未開挖區(qū)不產(chǎn)生水位下降引起沉降變形，從而控制相鄰兩點(diǎn)間的差異沉降。控制井優(yōu)先考慮車站和隧道區(qū)間兩側(cè)對稱啟動(dòng)，以保持水位平衡。

前期基坑內(nèi)抽水時(shí)，因坑底繞流引起地鐵及隧道側(cè)水位下降，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沉降，若長期降深過大，沉降可能超過允許控制值，通過回灌第一、二承壓含水層，保持兩層承壓水水位穩(wěn)定，進(jìn)而減緩沉降，保護(hù)地鐵及隧道安全。

后期因基坑開挖卸荷量增大，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)上浮，此時(shí)應(yīng)停止回灌，繼續(xù)保持抽水，結(jié)合隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)不能有效控制隧道上浮量時(shí)，可啟動(dòng)控制井抽水，進(jìn)一步降低隧道范圍內(nèi)承壓水水位，迫使隧道下部土體發(fā)生沉降，進(jìn)而迫使隧道結(jié)構(gòu)主動(dòng)下沉，以抵消開挖產(chǎn)生的上浮。

3.2動(dòng)態(tài)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外隧道差異沉降技術(shù)

由于土方開挖量較大，卸荷產(chǎn)生的隆起變形遠(yuǎn)大于抽降地下水產(chǎn)生的沉降變形，在基坑分界處，地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生較大差異變形。此時(shí)利用坑外提前設(shè)置的水位動(dòng)態(tài)控制井，利用伺服一體化系統(tǒng)進(jìn)行加壓回灌，促使坑外地鐵結(jié)構(gòu)在水壓力作用下少量上浮，以減小分界位置差異變形，從而保證地鐵運(yùn)營安全。

因基坑與運(yùn)營地鐵結(jié)構(gòu)零距離接觸，在基坑外側(cè)布設(shè)6口水位控制井于隧道上行線和下行線兩側(cè)，如圖10所示。為保證回灌不影響隧道變形發(fā)展，在控制差異沉降變形時(shí)，優(yōu)先考慮無壓回灌，并加強(qiáng)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)無壓回灌不滿足要求時(shí)，可結(jié)合實(shí)際情況，采用加壓回灌。無壓回灌采用水頭自動(dòng)控制，回灌前設(shè)定初始回灌水頭，水頭低于初始水頭后啟動(dòng)回灌，達(dá)到初始水頭或略高于初始水頭后，回灌自動(dòng)停止。

圖10 坑外地下水位動(dòng)態(tài)控制井布置平面

坑外地下水位動(dòng)態(tài)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外隧道差異沉降應(yīng)堅(jiān)持同灌同抽原則，基坑內(nèi)開始降水，坑外同時(shí)開始回灌。水位控制井深度根據(jù)指定控制水層位置設(shè)定，并確定降水對周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

控制數(shù)據(jù)設(shè)定前，需模擬驗(yàn)算水位控制并進(jìn)行降水風(fēng)險(xiǎn)評估，確定主動(dòng)控制抽降水位目標(biāo)，通過設(shè)定目標(biāo)水位控制抽降水施工，嚴(yán)格控制過度抽降地下水。

坑外水位受基坑降水影響出現(xiàn)下降時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)回灌控制坑外水位，保持坑外水位穩(wěn)定。

3.3 其他輔助技術(shù)

1)均衡開挖 在土方開挖過程中嚴(yán)格遵循限量限時(shí)開挖的原則，單次開挖面積≤600m2，單次開挖量≤2 500m3。地鐵兩側(cè)基坑由遠(yuǎn)地鐵對稱向近地鐵對稱開挖，先行釋放遠(yuǎn)地鐵土體開挖應(yīng)力，同時(shí)利用后開挖部位近地鐵土體進(jìn)行反壓，控制土方卸荷隆起，減小差異沉降變形。

2)堆載反壓 差異沉降變形原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降不一致，在差異沉降發(fā)生部位，利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對沉降較小的部位進(jìn)行堆載反壓，使發(fā)生細(xì)微沉降，平衡兩側(cè)沉降數(shù)據(jù)，輔助水位動(dòng)態(tài)控制調(diào)整差異變形。

3)精密注漿 在條件允許情況下，對可能發(fā)生差異沉降的部位預(yù)先進(jìn)行精密的滲透注漿方式，將很大程度減少差異沉降風(fēng)險(xiǎn)。注漿位置需準(zhǔn)確，且注漿壓力不能對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力干擾。

4)土體改良 差異沉降發(fā)生的原因?yàn)榛A(chǔ)土質(zhì)不良，提前對可能發(fā)生差異沉降的部位進(jìn)行土體改良，提高土體承載力。采取旋噴樁、粉噴樁等方式加固格柵或裙邊，但地鐵隧道柔性結(jié)構(gòu)需結(jié)合實(shí)際土層和變形情況進(jìn)行分析。

4 實(shí)施效果

在項(xiàng)目實(shí)施過程中監(jiān)測地鐵結(jié)構(gòu)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均在可控范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定。隨著基坑開挖，差異沉降變形逐步發(fā)展，在變形臨界處啟用加壓回灌，對變形控制效果明顯，可抵消約0.4mm變形，隨著基坑工程不斷施工，數(shù)據(jù)穩(wěn)定在1.7mm。地鐵邊界處差異變形如圖11所示。

圖11 地鐵邊界位置差異變形

實(shí)際證明加壓回灌雖能有效抑制變形發(fā)展，但應(yīng)提早進(jìn)行控制，在基坑施工后半程控制效果有一定局限性。

5 結(jié)語

運(yùn)營地鐵兩側(cè)基坑群差異變形采用動(dòng)態(tài)控制地下水、限量開挖、堆載反壓等技術(shù)，對基坑邊界、地鐵站體與隧道交接位置差異變形起限制作用，使地鐵差異變形處于可控狀態(tài)，保證地鐵運(yùn)營安全。該技術(shù)對地鐵差異變形控制效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益明顯。