既有盾構(gòu)地鐵區(qū)間上方新建管廊基坑的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*

張海霞 段苒 李名淦

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

近年來，我國(guó)城市化進(jìn)程快速發(fā)展，對(duì)地下空間的開發(fā)和使用越來越多，其中，地鐵工程與綜合管廊最為常見。在地鐵工程和地下綜合管廊不斷建設(shè)的同時(shí)，地下工程之間會(huì)不可避免地發(fā)生規(guī)劃節(jié)點(diǎn)沖突的情況，由此產(chǎn)生大量的近接施工的工程［1-3］，使施工過程變得復(fù)雜且有風(fēng)險(xiǎn)性。

位于地鐵沿線上方的基坑，其開挖、降水等施工帶來的土體擾動(dòng)會(huì)使下臥土層和地鐵隧道不可避免地產(chǎn)生附加荷載，改變?cè)械膽?yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全。作為現(xiàn)代城市交通大動(dòng)脈、生命線工程，地鐵隧道、地下管線的結(jié)構(gòu)安全關(guān)系著城市居民的日常生活及生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)其變形的控制要求十分嚴(yán)格［4，5］。

由于隧道對(duì)不均勻變形的抵抗能力有限，尤其是目前軟土地區(qū)廣泛采用的盾構(gòu)法施工的地鐵隧道，若基坑開挖引起下方隧道縱向不均勻變形過大，則會(huì)造成管片開裂、滲漏或局部破壞，甚至?xí)斐傻罔F軌道縱向扭曲變形，嚴(yán)重威脅隧道結(jié)構(gòu)安全與地鐵運(yùn)營(yíng)安全。國(guó)內(nèi)外也曾出現(xiàn)過鄰近地鐵隧道的基坑開挖引起地鐵隧道產(chǎn)生大變形甚至破壞的工程實(shí)例：Burford［6］最早報(bào)道了地鐵隧道上方開挖卸荷導(dǎo)致隧道27年累計(jì)隆起50mm的工程案例；Chang［7］等分析了臺(tái)北某地鐵隧道因鄰近基坑開挖而引起的隧道結(jié)構(gòu)損壞的工程事故。因此，基坑開挖引起的隧道變形問題是當(dāng)前地下空間開發(fā)遇到的重要且必須加以解決的問題，已經(jīng)引起巖土工作者的關(guān)注和重視。目前，對(duì)近接施工影響的分析主要集中在兩個(gè)方面：一是在施工過程中產(chǎn)生影響的分析與控制；二是在施工完成后后續(xù)影響的分析與控制。

本文以北京軌道交通7號(hào)線東延工程既有盾構(gòu)區(qū)間上方新建7號(hào)線東延（萬盛南街）地下綜合管廊工程明挖基坑為工程背景，對(duì)比分析并確定管廊明挖基坑采用的支護(hù)方案；通過數(shù)值計(jì)算，分析基坑開挖卸荷對(duì)下方地鐵盾構(gòu)區(qū)間的影響，判斷管廊結(jié)構(gòu)基坑底與下方盾構(gòu)區(qū)間隧道頂之間安全距離要求，并通過工程實(shí)際試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 工程概況

北京軌道交通7號(hào)線東延（萬盛南街）地下綜合管廊工程位于通州區(qū)萬盛南街，西起萬盛南街與鋪頭西一路交叉路口東側(cè)（地鐵7號(hào)線東延萬盛南街西口站以東），沿萬盛南街路下向東至土橋中路。綜合管廊總長(zhǎng)度約5400m。管廊容納電力、通信、給水、再生水等四類管線。管廊設(shè)電力1艙、電力2艙、水信艙共3艙室。

萬盛南街道路紅線寬度60m，主路東西向機(jī)動(dòng)車道間綠化隔離帶寬度9m，主輔路之間綠化隔離帶寬度2m，輔路兩側(cè)有綠化帶。萬盛南街下有在建的地鐵7號(hào)線東延車站及區(qū)間。管廊工程與地鐵工程同步建設(shè)，綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段順行于路中位于地鐵區(qū)間隧道上方，在云景東路站、小馬莊站和高樓金站處與地鐵車站主體共構(gòu)，最上層為管廊層，以下為地鐵站廳、站臺(tái)層。部分與車站相接的明挖區(qū)間段也將管廊與明挖區(qū)間結(jié)合設(shè)置。其中，與地鐵車站主體共構(gòu)段長(zhǎng)度約1130m，在地鐵區(qū)間隧道上方共路由段長(zhǎng)度約4270m。

工程所處場(chǎng)地第四紀(jì)地層分布較平穩(wěn)，第四系覆蓋層厚度約100m～200m，整個(gè)場(chǎng)地位于沖積平原，沒有高大邊坡，不存在巖體崩塌、開裂、滑坡和土體邊坡失穩(wěn)等造成的地震地質(zhì)災(zāi)害問題，除填土外無其他特殊性巖土。基坑邊坡土層信息及參數(shù)見表1。

表1 地層物理參數(shù)Tab.1 Stratigraphic physical parameters statistics

根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》中現(xiàn)況地下水情況，管廊結(jié)構(gòu)均位于潛水（二）水位標(biāo)高以上，四通節(jié)點(diǎn)、集水坑等局部位置底板接近潛水（二）水位標(biāo)高，地下水處理采用局部坑底注漿止水結(jié)合坑內(nèi)明排方式。考慮到可能存在上層滯水、施工期間管廊局部埋深較深段潛水的影響，基坑開挖過程中，應(yīng)做好基坑內(nèi)的排水工作，如在雨季施工，必須準(zhǔn)備足夠的抽水設(shè)備。

2 共路由段基坑設(shè)計(jì)方案

2.1 共路由段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

1.綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段

共路由綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段位于地鐵盾構(gòu)區(qū)間上方，采用明挖法施工，基坑深5.3m～11.2m，開挖寬9.7m～11.9m，綜合管廊結(jié)構(gòu)底距離地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)頂間距大于6m，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段管廊結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of standard segments in pipe gallery

2.綜合管廊出線節(jié)點(diǎn)處

共路由綜合管廊出線節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)位于地鐵盾構(gòu)區(qū)間上方，采用明挖法施工，基坑深9.9m～12.7m，開挖寬14.4m～16.4m，綜合管廊結(jié)構(gòu)底距離地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)頂3.0m～7.5m。

2.2 共路由段基坑開挖及支護(hù)方案

地鐵區(qū)間范圍管廊明挖施工，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)綜合考慮周圍環(huán)境條件、地質(zhì)和水文情況、基坑特點(diǎn)、施工技術(shù)以及工程造價(jià)等諸多因素。因地制宜，選擇技術(shù)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)型式。

現(xiàn)狀萬盛南街道路紅線寬度60m，主干道為雙向6車道，中央隔離帶約9m，為保證“占一還一”導(dǎo)改原則及相關(guān)樹木伐移要求，管廊施工圍擋場(chǎng)地寬度僅約22.7m。區(qū)間段管廊除頤瑞東路以東600m范圍外，均位于現(xiàn)狀道路中心附近設(shè)置，結(jié)構(gòu)兩側(cè)距離圍擋距離分別約7m和3m～5m，基坑無放坡條件。

管廊區(qū)間明挖段施工位于城市主干路中部，基坑平均深度約8m，路兩側(cè)有若干現(xiàn)狀管線。若采用放坡開挖，基坑周邊道路地層變形大，且與附近管線存在部分沖突，需要增加管線改移費(fèi)用。為減小基坑開挖變形對(duì)周邊道路、管線的影響，基坑支護(hù)選擇鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐（或錨索）方案。而若采用錨索方案，遺留錨索對(duì)后期道路范圍內(nèi)大型污水管線的實(shí)施存在不利影響。采用鋼支撐可在管廊縱向分段施工時(shí)對(duì)鋼支撐進(jìn)行多次利用，降低鋼支撐費(fèi)用。

區(qū)間管廊標(biāo)準(zhǔn)段明挖結(jié)構(gòu)順行于現(xiàn)狀道路路中，位于地鐵盾構(gòu)區(qū)間上方，兩者豎向凈距約6m～13m，局部下沉段最近距離僅約3m。管廊基坑施工時(shí)，地鐵盾構(gòu)區(qū)間已建成，為盡量減小對(duì)既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形影響，需盡量減少基坑施工時(shí)的土方卸載。

綜合比選后管廊明挖施工采用鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐方案。管廊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面及相關(guān)尺寸參數(shù)如圖2所示。

圖2 管廊標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.2 Supporting structure of pipe gallery standard segments

3 共路由標(biāo)準(zhǔn)段管廊基坑結(jié)構(gòu)開挖對(duì)下方盾構(gòu)區(qū)間變形影響

3.1 數(shù)值分析

由于標(biāo)準(zhǔn)段管廊結(jié)構(gòu)施工時(shí)，下方地鐵區(qū)間已建成，故需對(duì)盾構(gòu)區(qū)間完成后在其上方開挖管廊基坑的工況進(jìn)行數(shù)值分析。本次通過Midas GTS有限元分析軟件，基于修正摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則及圖2所示的結(jié)構(gòu)斷面尺寸，采用地層-結(jié)構(gòu)模型（即復(fù)合整體模型），土層及主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2、表3所示。因工程地下水位較深，故管廊結(jié)構(gòu)豎向范圍不考慮地下水作用影響。

表2 土層參數(shù)Tab.2 Solum parameters

表3 主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.3 Main structural material parameters

以6m（一倍盾構(gòu)區(qū)間洞徑影響距離）間距為計(jì)算工況，管廊基坑開挖造成的地層沉降及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形情況如圖3、圖4所示。

圖3 開挖管廊基坑的地表沉降等值線（單位：m）Fig.3 Isoline of stratum deformation of the pipe gallery foundation pit（unit：m）

圖4 盾構(gòu)區(qū)間襯砌變位圖（單位：m）Fig.4 Lining deflection diagram of shield-driven tunnel（unit：m）

通過數(shù)值計(jì)算分析可知，盾構(gòu)施工完成后再開挖基坑施工管廊，基坑開挖時(shí)對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定影響，但影響較小，最大地表沉降值約為18mm，最大盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)變形值約為5mm，均在相關(guān)規(guī)范要求的變形限值范圍之內(nèi)。故管廊結(jié)構(gòu)底與盾構(gòu)隧道頂?shù)拈g距不小于6m處，可不需采取加固保護(hù)措施。

3.2 施工監(jiān)測(cè)

選取部分管廊已施工區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段的施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地表沉降及既有地鐵區(qū)間在管廊結(jié)構(gòu)施工過程中的變形值如表4、表5所示。

由表4、表5統(tǒng)計(jì)可知，在管廊施工過程中，地表沉降值最大約為16.25mm；下方既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的實(shí)際沉降或上浮值均在設(shè)計(jì)變形控制值，最大日變形值約為0.51mm，累計(jì)變形值約為2.02mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果（最大地表沉降值約為18mm，最大盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)變形值約為5mm）均吻合。

表4 試驗(yàn)段地表沉降監(jiān)測(cè)值Tab.4 Monitoring values of surface settlement in test section

表5 地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形值Tab.5 Lining deflections of subway interval

4 結(jié)語

北京通州地區(qū)軌道交通7號(hào)線東延工程既有盾構(gòu)區(qū)間上方新建萬盛南街綜合管廊結(jié)構(gòu)為明挖法施工，其基坑采用鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐支護(hù)體系。對(duì)共路由范圍單層標(biāo)準(zhǔn)段管廊施工工況進(jìn)行數(shù)值分析，管廊與盾構(gòu)區(qū)間間距為6m（一倍盾構(gòu)區(qū)間洞徑影響距離）時(shí)，盾構(gòu)區(qū)間最大地面沉降值約為18mm，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)最大變形值約為5mm，由此綜合判斷管廊基坑結(jié)構(gòu)底與下方盾構(gòu)區(qū)間頂之間滿足安全距離要求。經(jīng)管廊工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，數(shù)值分析數(shù)據(jù)正確、合理。