盾構隧道上方大面積卸載時上浮控制措施研究

劉君偉

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

隨著我國城市建設的高速發展,土地及資源越來越顯稀缺,為了節省地上空間的使用,對地下空間的開發越來越緊促,而隨著經濟社會的發展以及人口的增長,已有建筑物的地下結構已經滿足不了人們的需求,因此需要對既有建筑物的地下結構進行擴建,但隨著城市地鐵的網絡化運營不斷發展,擴建工程鄰近既有地鐵的案例也越來越常見,而地鐵隧道多為盾構法施工的柔性結構,對周邊環境較為敏感。因此,各運營地鐵線路均對地鐵隧道提出變形保護要求,國標及各地地標也有關于隧道變形的具體限值。

況龍川[1]研究了深基坑施工引起旁邊地鐵隧道的變形,根據開挖工況與隧道監測數據分析影響隧道的主要原因,得出了結論；鄭剛[2]等人研究了基坑開挖引起的鄰近隧道影響變形區,劃分了不同圍護結構變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區；魏綱[3]等人針對基坑開挖對相鄰的隧道變形進行了實測分析,分析大型深基坑開挖對旁邊地鐵隧道的影響規律以及支護加固措施的效果,并提出隧道水平位移的預測經驗公式；呂高樂[4]等人采用數值模擬的方法研究了雙側深基坑施工過程對基坑坑內土體隆起與坑外土體沉降的影響,分析了雙側深基坑施工過程中地鐵車站及盾構隧道變形情況,得出地鐵車站及盾構隧道變形規律；李成巍[5]等人研究了深基坑施工對鄰近盾構隧道的影響,研究出了控制隧道變形的技術措施。

目前,國內關于緊鄰地鐵隧道基坑工程設計施工的研究和工程報道較多,但是對于隧道上方近距離、大量卸載的新建管溝開挖工程設計施工相關研究和工程報道相對較少。

本文以北京某地鐵上方某體育中心的管廊擴建工程為例,對管溝開挖引起的隧道結構和軌道結構的變形進行了數值模擬分析,提出地鐵盾構隧道上方大面積卸載時的變形控制措施,以期為地鐵隧道上方緊鄰管溝開挖工程提供參考。

1 工程概況

管溝擴建工程位于該體育館院內,西側為市內主干道,主干道下為正在運行的地鐵線路,平面關系圖如圖1 所示。圖中地鐵下穿了待建管溝,本文主要研究新建管溝開挖對地鐵隧道結構以及軌道結構的影響。

圖1 既有地鐵于新建管溝的位置關系平面圖

賽事中心基坑深度為7.90m～17.60m,基坑東西長度約為160m,南北寬度為70m。新增地下管溝整合地下管線,管溝長度約為715m,寬度7m。±0.00=50.80m,現狀地面標高為50.65m,即-0.15m,基坑深度為2.50m～7.00m,基坑深度小于4.75m(不含)采用掛網噴射混凝土支護形式,地鐵上方管溝基坑深度6.15m,采用土釘墻支護。

該地鐵隧道埋深最淺約10m,地鐵上方禁止打樁；地鐵范圍5m 內禁止施工圍護樁。穿越段地鐵右線為礦山隧道和盾構隧道；左線范圍內都為盾構隧道。

2 數值模擬預測

2.1 模型概述

根據地鐵隧道與新建管溝的位置關系以及賽事中心基坑的范圍,計算模型總尺寸為310m×420m×50m,計算模型中周圍土體采用實體單元,不同的土層采用不同的材料模擬邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界,其他面均采取法向約束。模型如圖2。

模型按照要求對隧道頂部的地基進行注漿加固；為了減少土體回彈釋放,對加固區域的槽底添加墊層進行筑底加固。

圖2 有限元數值模擬計算模型

2.2 計算參數

根據地勘資料將模型中的土分為5 層,各參數選取如表1所示。

表1 模型參數選取

2.3 計算假定

2.3.1 新建施工期間既有地鐵僅考慮正賞使用工況,不考慮地震、人防工況；

2.3.2 假定既有地鐵結構為線彈性材料；

2.3.3 假定既有地鐵及土體之間符合變形協調原則；

2.3.4 本評估分析的前提是施工處于正常良好控制的條件下。

2.4 施工步序

根據新建工程的施工步驟,在模型進行計算時,將施工模擬階段分為7 個階段,如表2 所示。

表2 施工階段

3 隧道沉降計算結果及分析

3.1 隧道結構變形分析

管溝的開挖使得隧道上方荷載大量卸載,改變了原有底層的初始平衡條件,造成了隧道變形。

使用數值模型計算得到的各施工階段中隧道的變形量如圖3。

圖3 隧道變形時程曲線

由沉降時程曲線圖可知既有隧道結構的最大豎向變形值為1.418mm(上浮)(發生在階段六和階段七),最大橫向變形值為0.879mm(發生在階段四),位移方向為管溝開挖側。其中最大的豎向變形發生在隧道穿越新建管溝處,最大橫向變形也發生在穿越處。施工階段六的豎向變形云圖如圖4。

圖4 豎向變形云圖

3.2 軌道結構變形分析

管溝開挖引起既有地鐵軌道結構也產生一定的變形。軌道結構最大的豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm,比隧道的變形要小,且變形值在容許范圍之內。

3.3 數值分析結果

3.3.1 經數值計算得到,隧道上方新建管溝施工期間隧道的最大豎向位移為1.418mm,最大橫向位移為0.879mm,隧道產生位移是因為管溝開挖后,隧道上部地層初始平衡條件發生改變,使得管溝土體回彈從而導致隧道產生位移。

3.3.2 軌道結構最大的豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm。

3.3.3 隧道和軌道結構的變形均在安全范圍內,說明采取隧道頂部注漿和管溝底部墊層的措施能夠有效控制隧道結構的變形,并且可以認為在正常施工條件下,對軌道采取一定的監測與軌道防護措施的條件下,能夠保證既有地鐵的安全運營。

4 隧道變形控制措施

該工程有效地控制了地鐵隧道結構及軌道結構的變形,滿足了地鐵對變形控制的要求,施工過程中采取的控制措施如下。

4.1 新建管溝分段施工

施工場地將綜合管溝本標段劃分為五個區域先后施工,2段結構施工完成后,開始1、4、5 段施工,結構完成后,再開始3、6 段施工。

如果先進行3、6 段管溝的施工,將會在進行其他分段的施工時造成隧道的二次變形,所以該方案主要先進行離隧道較遠的分段的管溝施工,再進行地鐵左右線上方的管溝分段的施工,能夠將最終變形控制在安全范圍內。

4.2 地基處理

4.2.1 注漿加固

為了控制好隧道的變形,對隧道上方地基進行了注漿加固,地基注漿處理范圍如,地基處理面積約1200m2,采用袖閥管注漿加固工藝,袖閥管注漿孔：607 個,孔深8.2m,共計4977.4m。

注漿孔孔徑：110mm,間距：1.5m×1.5m。

為防止漿液進入地鐵范圍內,注漿范圍嚴格控制,地外2m為保護區,注漿孔底不進入砂層。

注漿壓力0.2～0.5Mpa；當孔口泛漿或泵壓力大于1Mpa 時,停止注漿。

水泥采用P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥,水泥漿水灰比0.7～1.0；注漿量尚應通過現場注漿試驗確定,重點注漿加固區域不少于500kg/孔。

常規袖閥管注漿套殼料采用水泥、膨潤土或黏土和水的混合漿制成,比例為1:1.5:1.8,套殼強度必須兼備開環和防止串漿。

4.2.2 筑底加固

為了減少土體回彈釋放,對加固區域的槽底進行筑底加固。在人工清槽施工時,分段快速清理,清理完成后立即澆筑加厚墊層,墊層厚度為200mm,與槽底同寬。

4.3 土方施工

園區改造新增地下管溝整合地下管線,管溝長度約為715m,寬度7m,建筑面積5000m2,基坑深度為2.50m～7.00m,基坑深度小于5m(不含)采用掛網噴射混凝土支護形式,基坑深度大于5m 采用土釘墻支護,其中20 剖面采用微型樁復合土釘墻支護形式。基坑安全等級為三級,重要性系數為0.9。

樁錨支護：

首先進行護坡樁施工→第一步土方開挖至-3.15m→第一步土釘墻支護施工(方向由東向西)→護坡樁冠梁施工→第二步土方挖運至第一道預應力錨桿標高以下500mm→第一道預應力錨桿施工→錨桿達到張拉條件并張拉鎖定→進行下步土方的開挖至下道錨桿標高下500mm→進行第二道預應力錨桿施工→第二道錨桿達到張拉條件并張拉鎖定→進行開挖直至基坑底部→最后進行人工清槽。

土釘墻施工：

方開挖原則符合分層、分段、適時的原則,嚴禁超挖,與土釘施工密切配合,為保證施工完成后,施工區域穩定,因此管廊肥槽快速回填,但是要保證回填質量。

5 結論

對該穿越工程建立三維地層-結構模型,對既有地鐵的變形計算分析可以得出：

由于新建管溝的施工,既有地鐵結構產生了一定程度的豎向變形和橫向變形,根據計算結果得出隧道最大上浮為1.418mm,最大橫向位移為0.879mm。軌道結構最大豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm,隧道和軌道結構的變形均在安全范圍內,說明通過嚴格控制施工參數,如：(1)對新建工程進行分段施工；(2)對施工區域地基進行注漿加固的同時對管溝底部添加墊層減少土體回彈；(3)對基坑邊坡設置合理的錨固措施,有效的將既有地鐵的變形控制在安全范圍內；(4)進行軌道加固。

可以保證高速列車的運營安全,為隧道上覆荷載大量卸載造成隧道的變形控制積累了豐富、寶貴的成功經驗,可為相關工程提供借鑒。