明挖箱涵對既有地鐵隧道安全影響研究

崔延恒， 馬耀仁， 惠弘煜

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300308）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)既有地鐵隧道上部道路需要升級改造的情況，可能涉及到深基坑工程，如新建隧道、橋涵等。在既有地鐵結(jié)構(gòu)上部開挖深基坑，極大地改變了地鐵結(jié)構(gòu)周圍原狀土體的應(yīng)力場，原狀土體的強烈擾動導(dǎo)致周圍土體發(fā)生位移，進(jìn)而帶動地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生變形及應(yīng)力變化，輕則影響地鐵軌道的平順度，嚴(yán)重時還會造成地鐵結(jié)構(gòu)裂縫、滲漏水甚至影響運營安全。因此，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)上部的深基坑施工應(yīng)全過程密切關(guān)注。

地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道上部進(jìn)行基坑開挖，目前國內(nèi)已有較多案例[1～3]，但從研究現(xiàn)狀來看，由于地下工程的復(fù)雜性、多樣性以及上部基坑工程的差異性，難以提出較為精確的理論解析方法。目前，大部分上跨地鐵的高風(fēng)險基坑工程是在實施前采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果預(yù)先采取加強、加固措施，實施過程中同步進(jìn)行信息化監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對加固措施進(jìn)行不斷修正，最終達(dá)到在保證下部地鐵隧道安全運營的前提下順利實施上部基坑工程的目的。

本文結(jié)合無錫長江路改造工程的實際情況，綜合分析上跨既有地鐵隧道箱涵項目的整個建設(shè)過程對地鐵造成的不利影響，探討實施過程中存在的問題，為后續(xù)類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

某道路改造項目中存在4座上跨地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的新建箱涵，箱涵平面投影與地鐵隧道垂直相交。新建箱涵影響范圍內(nèi)的地鐵盾構(gòu)隧道管片直徑6.2 m、壁厚0.35 m，錯縫拼裝，各部分及相鄰管片間采用高強螺栓連接，隧道頂部埋深在12.0～15.7 m，箱涵施工時地鐵隧道已施工完成，按既有結(jié)構(gòu)考慮。見表1。

表1 各箱涵結(jié)構(gòu)尺寸及與地鐵隧道的相對位置關(guān)系m

場地范圍內(nèi)地層相對較均勻，自上而下依次為：①1雜填土、②2粉質(zhì)黏土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1粉土、④2粉土加粉砂、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1黏土。新建箱涵底部位于②2、③2層；地鐵區(qū)間隧道主要位于④2、⑤1、⑥1層。

在施工圖設(shè)計階段，通過對多種方案的對比分析及專家論證，最終選定了基坑分期實施的方案；為進(jìn)一步減小基坑開挖期間的荷載損失，支護(hù)采用直立式圍護(hù)結(jié)構(gòu)（SMW工法樁+內(nèi)支撐）。

基坑開挖分期線設(shè)置在地鐵隧道中心位置正上方，一期施工中部基坑，二期施工兩側(cè)基坑。一期基坑開挖時，利用隧道上部二期基坑范圍內(nèi)的土體對隧道進(jìn)行壓載；二期基坑開挖時，在一期基坑施工完成的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行配重，以補償二期基坑開挖期間地鐵隧道上部的荷載損失，達(dá)到控制隧道變形的目的。另外，在基坑開挖前，對基底以下5 m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，增強基底和隧道正上方土體的物理力學(xué)特性，在隧道上方形成整體性很好的空間厚板體系，減小基坑開挖產(chǎn)生的基坑回彈和隧道隆起。見圖1。

圖1 A#箱涵基坑布置

2 數(shù)值模擬分析

采用MIDAS GTS NX 三維有限元軟件對箱涵施工進(jìn)行全過程動態(tài)模擬分析。本構(gòu)模型選用修正摩爾-庫倫模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)采用板單元，支撐采用1D 梁單元，土體采用實體單元，地面超載取20 kPa，考慮基坑寬度的影響，A#、D#箱涵一期結(jié)構(gòu)配重取30 kPa，B#、C#箱涵不配重。見圖2-圖3和表2。

圖2 三維有限元計算模型

圖3 A#箱涵下臥地鐵隧道縱向變形曲線

表2 箱涵下臥地鐵隧道隨箱涵施工變形 mm

由圖3和表2可知：

1）在隧道上方進(jìn)行卸載的工況（如基坑開挖），隧道發(fā)生隆起變形；在隧道上方進(jìn)行加載的工況（如SMW 工法樁施工、基底加固、結(jié)構(gòu)回筑、配重等），隧道發(fā)生沉降變形；

2）上部基坑開挖時，隧道最大隆起值出現(xiàn)在開挖基坑的中心位置下方，沿隧道縱向往兩側(cè)逐漸減小，隆起變化呈正態(tài)曲線分布；

3）因一期基坑和二期基坑實施范圍相對于下部隧道位置基本對稱，故上部基坑實施過程引起下部隧道發(fā)生的水平變形均較小；相對于A#、D#箱涵，由于B#、C#箱涵基坑寬度較小，對隧道水平位移的影響也較小；

4）在基坑開挖深度基本一致的情況下，隧道最大變形受上部基坑開挖寬度的影響明顯，開挖寬度越大，對隧道影響越明顯；

5）在不考慮施工過程影響，僅考慮SMW 工法樁和地基加固土體的總荷載比原狀土增加的情況下，隧道發(fā)生沉降變形；

6）設(shè)計方案中采取的在隧道中心位置上方進(jìn)行基坑分期、地基加固及在一期結(jié)構(gòu)上進(jìn)行荷載補償配重等科學(xué)、合理，將基坑實施對隧道的不利影響控制在允許范圍內(nèi)。

3 工程建議措施

深層攪拌樁施工過程會在一定影響范圍內(nèi)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[4～8]。在軟土地區(qū)，由于土體的固結(jié)效應(yīng)和軟黏土流變性的特點，基坑工程的“時空效應(yīng)”明顯[9～12]；因此，合理利用“時空效應(yīng)”原理精心組織地鐵隧道上部基坑工程施工是保證工程順利實施的關(guān)鍵措施之一。

根據(jù)本工程特點并結(jié)合其他類似工程案例的經(jīng)驗，提出以下建議措施。

1）整個施工過程應(yīng)在地鐵保護(hù)監(jiān)測的指導(dǎo)下進(jìn)行信息化施工。

2）SMW 工法樁施工前應(yīng)進(jìn)行試樁，建議施工參數(shù)：鉆頭下沉及提升速度≯0.5 m/min，地基加固水灰比≯1.2，SMW 工法樁水灰比≯1.5。通過檢測及監(jiān)測結(jié)果確定合理的施工參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3）SMW 工法樁施工過程中若出現(xiàn)型鋼插入困難的情況，應(yīng)攪拌后重新插入，嚴(yán)禁采用錘擊或靜壓法沉樁。

4）基坑開挖應(yīng)嚴(yán)格遵循“先撐后挖、分期、分層、分段”的原則進(jìn)行。

5）為減少坑底暴露時間，應(yīng)在基坑開挖至基底后8 h內(nèi)完成墊層混凝土澆筑，24 h內(nèi)完成底板混凝土澆筑。提前對鋼筋放樣，開挖前在規(guī)定的空間內(nèi)預(yù)演綁扎；墊層及底板澆筑時，建議采用早強混凝土。

6）合理規(guī)劃起重、吊裝及大型施工機械在地鐵正上方的行走路徑及操作位置，必要時設(shè)置路基箱或厚鋼板等措施，確保隧道上部受力均勻。

4 信息化監(jiān)測

對箱涵施工過程中隧道變形進(jìn)行信息化監(jiān)測。

1）地基加固及SMW 工法樁施工期間，A#箱涵下臥地鐵隧道發(fā)生最大約2.9 mm的隆起變形，后隨時間回落至1.0 mm；B#箱涵下臥地鐵隧道產(chǎn)生最大約2.1 mm 的沉降變形，后隨時間回彈至1.0 mm；C#、D#箱涵下臥地鐵隧道發(fā)生的隆沉變形基本在±1.5 mm 之內(nèi)，變形量相對較小。主要因為A#、B#箱涵為第一批施工，各項施工參數(shù)指標(biāo)尚在研究中，故出現(xiàn)了較大變形波動，當(dāng)C#、D#箱涵施工時，各項施工參數(shù)已趨于相對合理。

2）地基加固及SMW 工法樁施工期間，B#、C#箱涵下臥地鐵隧道有較大的水平位移，最大達(dá)到了3.1 mm且同一箱涵位置處左右線地鐵隧道豎向位移也存在一定差異。該結(jié)果考慮為上部地基加固單一施工順序產(chǎn)生的擠土效應(yīng)所致。

3）在卸載（基坑開挖）工況下，箱涵下臥地鐵隧道隆起，在加載（基坑回筑及配重）工況下，箱涵下臥地鐵隧道沉降，與計算分析趨勢基本一致。

4）在卸載工況和加載工況轉(zhuǎn)換完成后，下臥地鐵隧道仍將維持上一工況的變化趨勢一段時間后才發(fā)生轉(zhuǎn)換，存在一定的滯后性，進(jìn)一步驗證了“時空效應(yīng)”的發(fā)生。

5 結(jié)論

1）攪拌樁存在一定的擠土效應(yīng)，但可通過調(diào)整、優(yōu)化施工參數(shù)的方式來減小其不利影響；關(guān)于對其最優(yōu)參數(shù)的選取仍是下一階段需要重點研究的方向。

2）軟土存在一定的彈塑性，卸載產(chǎn)生隆起，加載產(chǎn)生沉降，隆沉變形在荷載穩(wěn)定后會發(fā)生一定量的回落。

3）軟土存在一定的流變性，“時空效應(yīng)”明顯，可利用時空效應(yīng)原理，對施工期間下臥隧道的變形進(jìn)行輔助控制。

4）本工程所采用的基坑分期、基底加固及配重等處理措施能有效控制明挖基坑下臥地鐵隧道的安全，可為后續(xù)類似工程項目提供參考及借鑒。□■