基坑開挖引起下臥地鐵隧道上浮變形的控制研究

李 鵬 趙 偉 韓理想

(1.徐州地鐵集團有限公司， 221007， 徐州； 2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院， 221116， 徐州；3.徐州地鐵基礎(chǔ)設(shè)施工程有限公司， 221007， 徐州∥第一作者， 高級工程師)

隨著城市地鐵隧道建設(shè)的規(guī)模越來越大，不可避免地會出現(xiàn)基坑開挖工程位于既有隧道上方的情況，由此帶來的施工風(fēng)險也越來越大。

基坑開挖卸載，會使基坑影響范圍內(nèi)土體的應(yīng)力狀態(tài)改變而產(chǎn)生變形[1]，下臥于基坑的臨近既有隧道結(jié)構(gòu)會因基坑開挖后周圍土體卸載回彈而產(chǎn)生上浮變形，嚴(yán)重時可能會造成盾構(gòu)隧道管片開裂漏水，影響地鐵運營安全。國內(nèi)外專家[2-5]大多采用理論解析、數(shù)值模擬及實測分析等方法對此問題進(jìn)行了研究，分析了基坑開挖過程臨近既有隧道的變形規(guī)律，提出了基坑施工對地鐵隧道的工程風(fēng)險控制措施等，取得了一定的成果?？紤]到地質(zhì)條件的復(fù)雜性及施工方法的多樣性，本文以徐州地鐵1號線車輛段基坑施工為背景，針對地鐵基坑開挖引起下臥既有隧道上浮變形控制技術(shù)進(jìn)行了研究，可為同類工程提供參考。

1 工程概況

徐州地鐵1號線車輛段出入段線大致呈東南至西北走向布置，全長882 m，分為地下段、U型槽段與路基段。其中，車輛段出入段線地下段為明挖基坑，局部跨越既有地鐵盾構(gòu)隧道(已貫通，尚未通車)，開挖基底距離盾構(gòu)隧道頂面高程最小豎向凈距僅3.025 m。

1.1 出入段線明挖基坑

出入段線明挖基坑全長230 m，平面圖如圖1所示。里程K0+590～666段采用Φ850@600 mm SMW樁圍護開挖，基坑開挖寬度為10.8 m，局部擴大部分達(dá)到13.2 m；里程K0+666～820段直接放坡開挖，基坑開挖寬度約39.6～45.0 m不等，基坑開挖深度約為7.0～10.3 m。

綜合考慮居民建筑拆遷和管線遷改的情況，出入段線明挖基坑設(shè)計開挖分四段：第一段為K0+697～757交叉核心段；第二段為K0+757～820段，此段待交叉段施工完成后放坡開挖施工；第三段為K0+590～666段，此段待SMW圍護樁施工完成可進(jìn)行降水施工；第四段為K0+666～697段，此段待第三段主體結(jié)構(gòu)頂板施工完成后施工，具體情況如圖1所示。

1.2 既有隧道

既有地鐵盾構(gòu)隧道(已貫通，未通行)交叉下臥于出入段線明挖基坑，襯砌采用預(yù)制鋼筋砼管片錯縫拼裝，環(huán)寬1 200 mm，厚度為350 mm，每環(huán)管片由6塊管片通過縱向螺栓相連，管片混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為P10。其中，區(qū)間右線隧道自里程KX+697～757與出入段線斜交，既有地鐵隧道與出入段線基坑的位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 基坑平面示意圖

圖2 地鐵隧道與出入段線基坑位置關(guān)系示意圖

1.3 場地水文地質(zhì)情況

工程場地表層主要分布雜填土和素填土。地鐵隧道主要位于第四系全新統(tǒng)沖積層，主要包括②4粉質(zhì)黏土層和②3黏土層。①人工填土層結(jié)構(gòu)疏松，強度較低，壓縮性高；②4粉質(zhì)黏土層，軟塑至硬塑狀，層厚0.50～5.50 m；②3黏土層，可塑狀，局部夾薄層粉土，層厚0.8～3.0 m；隧道下臥段主要為⑤粉質(zhì)黏土層，可塑至硬塑狀，場地地質(zhì)斷面圖如圖2所示。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、現(xiàn)場調(diào)查、鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測及抽水試驗成果資料分析，場地水文地質(zhì)條件一般。根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露情況，上層滯水分布不均，局部富水性較好。在附近水井中量測承壓水穩(wěn)定水位埋深約18 m，高程約為21.5 m。

2 施工前風(fēng)險評估及控制措施

2.1 工程風(fēng)險評估

基坑開挖施工前，對車輛段基坑施工風(fēng)險管理采用綜合風(fēng)險分析方法，建立工程風(fēng)險矩陣如表1所示。通過專家調(diào)查法，利用專家經(jīng)驗對可能的致險因子的重要性進(jìn)行評價，綜合成整個項目風(fēng)險。具體步驟如下：① 確定每個致險因子的權(quán)重，以表征其對項目風(fēng)險的影響程度；② 確定每個致險因子的等級值，按風(fēng)險發(fā)生的概率和風(fēng)險發(fā)生的后果確定風(fēng)險的等級。

表1 車輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險矩陣

表1中，風(fēng)險等級參照GB 50652劃分，Ⅰ級表示風(fēng)險最大，Ⅳ級表示風(fēng)險最小，從Ⅰ級到Ⅳ級，風(fēng)險遞減[6]。對風(fēng)險概率值、風(fēng)險后果值劃分主要依據(jù)GB/T 20984[7]。

2.1.1 風(fēng)險評估指標(biāo)確定

風(fēng)險評估中風(fēng)險值計算涉及的風(fēng)險要素一般為資產(chǎn)、威脅和脆弱性，由威脅和脆弱性確定安全事件發(fā)生可能性，由資產(chǎn)和脆弱性確定安全事件的損失，以及由安全事件發(fā)生的可能性和損失確定風(fēng)險值[7]：

R=P×C

(1)

式中：

R——風(fēng)險值；

P——致險因子發(fā)生的概率；

C——致險因子發(fā)生時可能產(chǎn)生的后果。

將車輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險模型的指標(biāo)設(shè)為隧道上浮變形、基坑局部坍塌，通過風(fēng)險評估專家對基坑施工中涉及的資產(chǎn)、威脅和脆弱性進(jìn)行識別量化，實現(xiàn)風(fēng)險指標(biāo)的定量處理。具體結(jié)果如表2所示。

表2 車輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險指標(biāo)識別表

2.1.2 風(fēng)險發(fā)生概率和后果

根據(jù)風(fēng)險評估專家對風(fēng)險指標(biāo)識別定量，得到風(fēng)險發(fā)生的概率值Rp和后果Rc為：

Rp=αt+βv

(2)

Rc=ma+nv

(3)

式中：

α、β、m、n——常數(shù)。

根據(jù)計算得出風(fēng)險發(fā)生概率值與風(fēng)險結(jié)果值。結(jié)合車輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險矩陣表，明確施工風(fēng)險等級，如表3所示。

表3 車輛段基坑與下臥隧道交叉段施工風(fēng)險等級表

根據(jù)評估結(jié)果，出入段線基坑里程K0+697～757核心交叉段的隧道結(jié)構(gòu)變形與基坑坍塌風(fēng)險等級均為Ⅱ級，屬風(fēng)險最高區(qū)段。該段基坑開挖施工對既有地鐵隧道影響明顯，既有隧道上方基坑開挖卸載，易造成既有隧道縱向拉伸變形和位移，損傷既有隧道的拱作用，從而使既有隧道的襯砌荷載加大，存在既有隧道襯砌開裂、支護結(jié)構(gòu)變形、管片上浮風(fēng)險。因此，在基坑開挖前充分做好降水、地基加固等措施，開挖過程中應(yīng)控制開挖進(jìn)尺，嚴(yán)格分層分段放坡開挖，做好邊坡支護，密切關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 風(fēng)險控制措施

2.2.1 基坑降排水施工

為提高坑內(nèi)土體強度，解決基坑開挖施工期間結(jié)構(gòu)抗浮的影響，設(shè)計降低基坑范圍內(nèi)淺層地下水水位至基坑底部以下1.0 m。

基坑降水采用大管井法降水，圍護樁段K0+590～666設(shè)置降水疏干井5口，縱向每隔15 m左右；放坡開挖段K0+666～820縱向每隔15 m設(shè)置一排疏干井，疏干井橫向間距約15 m，每排4口，兩側(cè)坡頂和坡底各1口。結(jié)合出入段線基坑開挖深度，綜合考慮地質(zhì)水文情況及開挖深度確定疏干井基底深入不透水層即可(約底板下4 m)。

考慮到基坑降水對下臥隧道可能造成的影響，在盾構(gòu)區(qū)間兩側(cè)各設(shè)置3口備用觀測井，井深為底板以下10 m。同時加強降水過程中的水位監(jiān)測，如出現(xiàn)盾構(gòu)隧道隆起超過預(yù)警值的情況，則啟動備用觀測井，如圖3所示。

2.2.2 監(jiān)控量測

該基坑監(jiān)測項目主要包括坡頂豎向位移、水平位移、周邊地表沉降、地下水位等?？紤]到基坑施工可能引起下臥地鐵隧道上浮，應(yīng)增加對既有盾構(gòu)隧道的監(jiān)測，在交叉核心段范圍內(nèi)，右線隧道每隔約10 m(部分區(qū)間監(jiān)測點加密)設(shè)一個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布置5個變形測點，以便對既有隧道進(jìn)行凈空收斂、拱頂沉降及上浮變形監(jiān)測。

2.2.3 基坑開挖施工

基坑采用漸進(jìn)式放坡開挖，首先施工交叉核心段中間部分，及時澆筑底板和部分側(cè)墻，再開挖交叉段核心段兩側(cè)基坑，減少基坑暴露時間。

考慮單側(cè)開挖對盾構(gòu)隧道偏壓的影響，交叉核心段采用兩臺長臂挖機從南北兩側(cè)對稱開挖，土方開挖時按1∶1放坡，自上而下開挖，先開挖至鋼板樁位置，進(jìn)行鋼板樁施工，分層厚度為2 m，直至基坑底部挖至坡腳線；底部30 cm土方采用人工配合小挖機進(jìn)行施工，一次性開挖到位，嚴(yán)禁來回碾壓擾動和超挖。

圖3 降水井布置示意圖

2.2.4 坡體防護

為保證基坑穩(wěn)定，放坡開挖時，及時掛網(wǎng)并噴射混凝土(厚度10 cm)，同時在坡面設(shè)置一排鋼板樁和二排松木樁以穩(wěn)固坡面。鋼板樁規(guī)格為600 mm×210 mm，長度為9 m；松木樁徑為15～20 cm，長度為3.0～5.5 m不等。

2.2.5 既有隧道保護

為了確保出入段線明挖基坑開挖過程中地鐵隧道上浮變形滿足控制要求，在基坑開挖前對既有盾構(gòu)隧道內(nèi)交叉段設(shè)置縱向加強聯(lián)系條，以增加盾構(gòu)隧道整體穩(wěn)定性。在隧道拱腰以上布設(shè)加強聯(lián)系條，聯(lián)系條采用Q235熱軋槽鋼，加強范圍為核心段及兩側(cè)各20 m，安裝時聯(lián)系條根據(jù)節(jié)長焊接。

3 隧道上浮變形分析及控制措施

出入段線交叉核心段基坑于2018年1月12日開挖，1月14日12:00左右，基坑開挖深度約6 m，距基底設(shè)計標(biāo)高約3 m。1月15日，里程K0+723～733范圍內(nèi)基本開挖至8 m，基坑下方盾構(gòu)隧道上浮監(jiān)測點日變速率最大值3.5 mm/d(控制值2 mm/d)，上浮累計值最大4.9 mm(控制值5 mm)；開挖至9 m時(到基底設(shè)計標(biāo)高)，日變速率最大值6.7 mm/d，上浮累計值8.5 mm，達(dá)到監(jiān)測紅色預(yù)警[9]，如圖4所示。

3.1 監(jiān)測預(yù)警分析

在里程K0+697～757范圍內(nèi)跨越既有隧道，隧道拱頂與開挖基底相距2.8～3.5 m。鑒于1月14—19日核心區(qū)地下水水位、地表沉降數(shù)據(jù)穩(wěn)定可控，而隧道上浮、拱頂沉降均超出監(jiān)測控制值，達(dá)到監(jiān)測紅色預(yù)警。綜合分析，主要原因是隧道上方基坑土體卸載，損傷既有隧道的拱作用，從而使既有隧道的襯砌荷載加大，造成既有隧道縱向拉伸變形和上浮位移。

圖4 K0+723～733段隧道上浮實測數(shù)據(jù)

3.2 處理措施

立即停止基坑開挖，加強現(xiàn)場降水管理，24 h不間斷降水，將交叉核心段水位降至隧道底部以下；加密監(jiān)測頻率，及時準(zhǔn)確反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)；對既有盾構(gòu)隧道進(jìn)行壓重，減小基坑開挖卸載的影響，壓重采用成型軌排，每段軌排長度25 m，質(zhì)量約13 t，共堆載4層；對既有盾構(gòu)隧道管片增加6道縱向聯(lián)結(jié)板，以增強既有隧道整體性。同時，加快已開挖至基底部分的主體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)程，加大資源配置，確保底板結(jié)構(gòu)盡快完成。

1月18日，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道上浮速率已減緩，日最大上浮變形量為0.9 mm，數(shù)據(jù)已基本趨于穩(wěn)定，如圖5所示，表明應(yīng)急處理措施有效。

3.3 基坑開挖與隧道變形規(guī)律分析

經(jīng)對基坑K0+723～733里程下部隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)不同卸載率和隧道上浮變形量存在線性關(guān)系，如圖5所示。在卸載率較小的時候，隧道上浮變形量很小，這是由于在卸荷初期，卸荷比很小，此時土體的回彈模量很大，由此而產(chǎn)生的回彈變形較小；隨著基坑開挖深度的增加，卸荷比逐漸增大，回彈模量則相應(yīng)線性減小，回彈變形開始明顯增大。在卸載率較大時，土體卸荷回彈造成隧道上浮變形量與卸載率基本呈線性相關(guān)。

圖5 K0+723～733段隧道上浮變形量與

基坑K0+720～740里程段開挖期間，下臥盾構(gòu)隧道的典型上浮發(fā)展曲線如圖6所示，主要包含3個上浮段和3個回落段。上浮段的主要原因是基坑開挖卸載導(dǎo)致隧道周圍土體回彈變形，回落段主要是由于基坑結(jié)構(gòu)施工及覆土回填。從圖6可以看出，在第一次開挖出現(xiàn)預(yù)警后，采取控制措施減小盾構(gòu)隧道上浮，后面兩次開挖引起盾構(gòu)隧道上浮變形量均小于第一次開挖時引起的上浮變形量，且整個開挖過程中上浮變形量均未達(dá)到警戒值，表明對既有隧道進(jìn)行壓重及降低地下水位等措施對控制隧道上浮具有較好的效果。

圖6 K0+720～740段隧道上浮變形量隨時間變化曲線

4 結(jié)論

1) 基坑開挖對下臥既有隧道有明顯的影響?；娱_挖卸荷使下方土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，隧道周圍土體發(fā)生回彈變形。在土體卸載率較大時，卸荷回彈造成隧道上浮變形量與卸載率基本呈線性相關(guān)。

2) 分層分段基坑開挖的同時，采用合理科學(xué)的降水，在既有盾構(gòu)隧道內(nèi)采用壓重與縱向聯(lián)結(jié)等措施，可以有效控制基坑開挖卸荷引起的隧道位移變形。

3) 為保護既有隧道的結(jié)構(gòu)安全，基坑開挖過程中需要對其進(jìn)行嚴(yán)格的變形監(jiān)測。通過實施信息化監(jiān)測施工，可以有效地掌握既有隧道的變形情況，從而能夠及時采取合理有效的工程措施。