復(fù)雜工況在安全保護(hù)區(qū)的疊加影響控制分析

劉 芳

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200237]

0 引言

隨著中國城市建設(shè)的快速發(fā)展，建設(shè)用地資源緊張，大型城市市政工程愈加密集，新建工程在臨近軌交安全保護(hù)區(qū)范圍施工的情況愈加頻繁。無論采用何種施工方式，施工過程都會(huì)對周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，影響臨近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，使其產(chǎn)生位移、變形和局部應(yīng)力集中，影響過大時(shí)將會(huì)干擾地鐵列車正常運(yùn)行甚至導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)破壞和運(yùn)營安全事故[3]。因此，有必要對鄰近地鐵的工程進(jìn)行分析總結(jié)，為以后的工程提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

工程位于軌交保護(hù)區(qū)（車站和隧道外邊線外側(cè)50 m 內(nèi)）主要有以下部分，見圖1。

圖1 軌交保護(hù)區(qū)平面圖

（1）K3+010～K3+140 的路堤橋及道路工程，西半幅路堤橋樁基距軌交7 號線盾構(gòu)區(qū)間邊線6.1～10.9 m，距軌交15 號線車站結(jié)構(gòu)邊線7.6～10.5 m。橋長100 m，樁長45.0 m，共28 根。東半幅為道路。

（2）K2+765～K3+010 范圍內(nèi)基坑均位于在建15號線車站及區(qū)間軌交保護(hù)區(qū)，與在建15 號線車站最小凈距為1.7 m。K2+850～K3+010 范圍內(nèi)基坑段位于7 號線軌交保護(hù)區(qū)，距離7 號線病害段最小凈距為11 m，見表1，基坑設(shè)計(jì)見表2。

表1 地道與7 號線、15 號線距離

表2 地道設(shè)計(jì)情況

本工程施工期間地鐵7 號線正常運(yùn)營，地鐵15號線車站結(jié)構(gòu)住體已完成，始發(fā)井與15 號線區(qū)間隧道同步施工。

（3）東線頂管出洞195m 范圍（K2+765～K2+567）處于15 號線50 m 保護(hù)范圍內(nèi)。頂管斷面尺寸9.9 m×8.15 m；設(shè)計(jì)頂力12 615 t。頂管以暗埋段（K2+780～K2+850）整體結(jié)構(gòu)作為后靠.始發(fā)井與15 號線區(qū)間隧道同步施工，東側(cè)頂管頂進(jìn)時(shí)15 號線區(qū)間隧道已貫通。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

本工程基坑開挖范圍內(nèi)土層主要為：①1雜填土層、②1粉質(zhì)黏土層、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏層、③T黏質(zhì)粉土層、④淤泥質(zhì)黏土層。

潛水賦存于淺部黏性土層和淺部粉性土層中，水位埋深一般在0.3～1.5 m，年變幅可達(dá)1 m 左右。勘察期間，實(shí)測潛水水位埋深為0.6～3.6 m 之間，高程為2.06～4.02 m。

承壓水主要賦存于淺部⑤1T層中的微承壓水、中部⑦層及下部⑧2、⑨層等粉（砂）性土層中承層壓水，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，微承壓水埋深為3～11 m，承壓水埋深一般為3～12 m，并隨季節(jié)有所變化。經(jīng)觀測承壓水頭埋深3.84 m。

1.3 地鐵變形控制要求

施工嚴(yán)格遵守“上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定”對有關(guān)地鐵沿線工程相關(guān)要求：

（1）地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量20 mm（包括各種加載和卸載的最終沉降量）；

（2）在地鐵工程（外邊線）兩側(cè)的鄰近3 m 范圍內(nèi)不能進(jìn)行任何工程；

（3）隧道變形曲線的曲率半徑R≥l5 000 m；

（4）相對變曲不大于1/2 500；

（5）由于建筑物垂直荷載（包括基礎(chǔ)地下室）及降水、注漿等施工因素而引起的地鐵隧道外壁附加荷載不大于20 kPa；

（6）由于打樁振動(dòng)、爆炸產(chǎn)生的震動(dòng)對隧道引起的峰值速度不大于2.5 cm/s[1]；

（7）需滿足設(shè)計(jì)院之圍護(hù)設(shè)計(jì)總說明內(nèi)的相關(guān)要求及地鐵審批部門的要求；

（8）各分部分項(xiàng)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范；

本工程軌道交通對7 號線及15 號線沉降監(jiān)測報(bào)警值設(shè)置為5 mm。

2 擾動(dòng)工況分析及采取的針對性施工措施

2.1 路堤橋樁基施工機(jī)械擾動(dòng)和塌孔風(fēng)險(xiǎn)影響

路堤橋樁基距離7 號線病害段僅8 m，且作業(yè)空間狹小，施工風(fēng)險(xiǎn)等級較高。處于運(yùn)營中的7 號線地鐵區(qū)間隧道雖然其土層沉降已基本穩(wěn)定，但其隧道結(jié)構(gòu)體系為預(yù)應(yīng)力管片拼裝而成，整體強(qiáng)度剛度相對較低，會(huì)對周邊巖土體的擾動(dòng)變形較為敏感，其病害段已經(jīng)使用了注漿和鋼套環(huán)加固，對周邊施工擾動(dòng)更為敏感。七號線病害加固情況見圖2、圖3。

圖2 7 號線區(qū)間隧道鋼套環(huán)加固

圖3 7 號線區(qū)間隧道注漿加固（單位：m）

采取措施：為防止塌孔，采用內(nèi)徑20 m 長，880 mm 型鋼套管跟進(jìn)施工，打入至5①或6 層土，深度穿過地鐵結(jié)構(gòu)底標(biāo)高3 m 以上。

選用28RF 免共振液壓振動(dòng)錘（配備600series動(dòng)力站）進(jìn)行套筒施工，高頻液壓振動(dòng)錘28RF 型配置可變偏心力矩，它的工作頻率可以從0 直接到2 300 rpm，躍過土壤的固有頻率（一般在800～1 000 rpm），消除在開啟和關(guān)閉時(shí)刻的振動(dòng)影響。在經(jīng)過土壤頻率區(qū)域后，偏心塊自動(dòng)調(diào)節(jié)，偏心塊同步后產(chǎn)生偏心力矩形成振動(dòng)頻率。

鋼套管施工在地鐵停運(yùn)期間進(jìn)行，單樁施工總時(shí)間1 h 左右，每日成樁5 根左右。工期短，擾動(dòng)小。套筒施工時(shí)候，履帶吊站在7 號線45°影響線以外，剛套筒上部做牛腿，剛套筒之間用40 工字鋼連接成平面桁架，GPS10 鉆機(jī)站在桁架上進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，將施工荷載從樁基傳到地下，有效減少了對7號線的加載。每日1～2 根樁，施工周期20 d。

2.2 路堤橋上部結(jié)構(gòu)及道路排水工程的加卸載影響

采取措施：上部結(jié)構(gòu)每15 m 設(shè)置1 道沉降縫，大部分位于現(xiàn)狀地面以下，施工時(shí)采用逐跨現(xiàn)澆施工，減少施工產(chǎn)生的加卸載效應(yīng)；鋼筋進(jìn)行模塊化制作，現(xiàn)場吊裝綁扎，減少開挖面暴露時(shí)間；混凝土澆筑采用分段分層同步澆筑。總體施工順序：先北后南，先西后東（即先近后遠(yuǎn)）。

機(jī)動(dòng)車道結(jié)構(gòu)層共分為6 層，總厚度78.8 cm，分段、分層施工，對周邊土體不會(huì)出現(xiàn)明顯的加、卸載效應(yīng)。開槽埋管采用橫列板支護(hù)施工，與道路同期施工。施工時(shí)分槽分段施工。軌交15 號線頂板上管道，直接鋪設(shè)素混凝土混凝土墊層，以防止換填分層碾壓對頂板結(jié)構(gòu)的不利影響。

2.3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工擾動(dòng)影響，圍護(hù)接頭處漏水風(fēng)險(xiǎn)

采取措施：圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，合理跳打，先西后東，并由北向南進(jìn)行（總體原則：先近后遠(yuǎn)）。各專業(yè)施工時(shí)，施工機(jī)械始終站在遠(yuǎn)離軌交一側(cè)。單幅地墻施工時(shí)間控制在24 h 內(nèi)。

優(yōu)化設(shè)備選型。F 區(qū)明浜處距離7 號線病害段12 m，拉森鋼板樁選用靜壓植樁機(jī)，減少了擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

保障圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，避免因質(zhì)量問題造成圍護(hù)坍塌或滲漏。

一旦滲水口要及時(shí)封堵，緊急情況下可采取坑內(nèi)灌水平衡內(nèi)外水土壓力，施工過程中出現(xiàn)過輕微漏水現(xiàn)象，采用坑外引流和及時(shí)封堵處理，未產(chǎn)生大的影響。

2.4 基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑時(shí)的加卸載影響，基坑變形

采取措施：

（1）優(yōu)化圍護(hù)方案：通過增大圍護(hù)尺寸，減小支撐間距，加強(qiáng)坑低加固，增設(shè)隔離樁等形式，提高圍護(hù)的安全系數(shù)，同時(shí)把大基坑化為小基坑，方便分塊開挖[3]。本項(xiàng)目在K2+910、K2+950 位置增設(shè)封堵墻將敞開段和暗埋段分隔開來，加上不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將整塊區(qū)域分為7 個(gè)小的條形基坑，見圖4。

圖4 基坑水平分區(qū)分塊圖

（2）分層分塊開挖，及時(shí)支撐：土方開挖按照距軌交由遠(yuǎn)及近，先深后淺的次序依次施工，遵循“豎向分層，水平分段，隨撐隨挖”的原則[1]，控制合理的開挖速度，把握加設(shè)橫撐時(shí)間。采取該方法可縮短軌交一側(cè)基坑開挖暴露時(shí)間，減小同時(shí)開挖基坑的面積，有效地降低了深基坑施工對臨近軌交的影響.以E 區(qū)開挖的分層分塊情況為例，單塊土方量在200～250 m3，單塊挖土?xí)r間控制在3 h 內(nèi)，開挖后6 h 內(nèi)安裝好支撐。

（3）采用伺服系統(tǒng)：基坑K2+780～K2+930 區(qū)段的鋼支撐均采用伺服系統(tǒng)鋼支撐，隨時(shí)對支撐預(yù)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，補(bǔ)加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)值。

2.5 不良地質(zhì)潛水因素，及坑底管涌等風(fēng)險(xiǎn)

在開挖土層范圍內(nèi)存在③④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，開挖易受擾動(dòng)，開挖卸荷后會(huì)產(chǎn)生較大回彈。③T黏質(zhì)粉土當(dāng)開挖揭露時(shí)在一定水頭動(dòng)水壓力作用下易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。開挖過程中加強(qiáng)坑底隆起監(jiān)測，地基加固、井點(diǎn)降水等措施嚴(yán)格按要求施工，坑內(nèi)布置降壓備用井，對⑦層承壓水進(jìn)行抗突涌驗(yàn)算，根據(jù)開挖工況，計(jì)算降壓工況，做到按需降壓，嚴(yán)禁超降。

本基坑開挖期間未啟用承壓降水。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工前委托專業(yè)監(jiān)護(hù)單位對鄰近運(yùn)營地鐵進(jìn)行了沉降和收斂變形監(jiān)測布點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理說明：7 號線共設(shè)132 沉降個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，386 個(gè)收斂監(jiān)測點(diǎn)。15 號線共設(shè)58 個(gè)沉降個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，48 個(gè)收斂監(jiān)測點(diǎn)。軌道沉降及收斂數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場工況每3～7 d 采集一次，每次采集單次變量及累計(jì)變量。以下表格中給出的數(shù)值范圍，為累計(jì)變量高值的高頻范圍。

3.1 路堤橋施工階段

此階段15 號線尚未布置監(jiān)測點(diǎn)，七號線監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 路堤橋施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，路堤橋施工期間，7 號線累計(jì)最大沉降值為2.45 mm，累計(jì)最大抬升值為2.00 mm，均小于報(bào)警值±5.0 mm。

7 號線下行線結(jié)構(gòu)收斂值在-3.4～1.2 mm 之間，上行線收斂值在1.2～1.8 mm 之間，均小于報(bào)警值±5.0 mm。

3.2 始發(fā)井施工階段

監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4，7 號線累積最大沉降2.83 mm，最大收斂3.3 mm，15 號線累積最大抬升3.3 mm，最大收斂3.74 mm 始發(fā)井距離軌交距離較遠(yuǎn)，施工時(shí)未啟用降壓井，同時(shí)基坑自身變形控制較好，所以雖然挖深相對較深，但未對軌交產(chǎn)生明顯影響。

表4 始發(fā)井基坑施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3 A 區(qū)施工階段

監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5，A 區(qū)土方開挖量最大，但因分塊分層開挖，基坑控制較好，未對軌交產(chǎn)生明顯影響。沉降未達(dá)到報(bào)警值。

表5 A 區(qū)基坑施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.4 EF 區(qū)施工階段

此段期間工況較為復(fù)雜，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表6。A，E，F(xiàn) 區(qū)基坑分區(qū)開挖回筑，期間伴隨頂管頂進(jìn)施工，及重載車輛經(jīng)路堤橋進(jìn)出，出現(xiàn)頻繁報(bào)警情況。

表6 EF 區(qū)基坑施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

其中EF 區(qū)圍護(hù)施工及E 區(qū)西側(cè)開挖期間，出現(xiàn)最大報(bào)警值-7.33～-8.68。該段距離7 號線11～17 m，其中距離11 m 處有SMW 工法樁施工，E 區(qū)西側(cè)開挖深度10.53～7.23 m。

E 區(qū)東側(cè)及F 區(qū)的施工未對7 號線產(chǎn)生較強(qiáng)影響。

期間15 號線最大沉降接近10 mm，最大收斂接近20 mm，因15 號線區(qū)間隧道在安全保護(hù)區(qū)范圍之外監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示沉降5～10 mm，收斂15～20 mm，考慮這一數(shù)值為其貫通之后的有一定的工后自然沉降收斂。去除這部分影響后，粗略推算本工程實(shí)施對其產(chǎn)生的影響，大致為沉降0～5 mm，收斂0～5 mm。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)東線頂管頂進(jìn)對15 號線有明顯影響。

4 結(jié)語

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，項(xiàng)目施工過程中，7 號線沉降和收斂變形監(jiān)測指標(biāo)未超出20 mm，滿足地鐵技術(shù)管理要求。15 號線沉降及收斂變形數(shù)據(jù)去除其自身工后自然沉降收斂后在合理范圍。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

（1）當(dāng)多個(gè)工程同期在軌交保護(hù)區(qū)范圍施工時(shí)，應(yīng)考慮每個(gè)工程對軌交變形的疊加影響。注意控制單個(gè)工程的變形影響量，尤其要注意減少后續(xù)工程的影響。

（2）軌交病害段比正常軌交更加脆弱，雖有注漿及鋼套環(huán)加固，但對擾動(dòng)更為敏感，一旦產(chǎn)生損害修復(fù)也更加困難，即便工程距離病害軌交在10 m 之外，也要注意減少擾動(dòng)，控制加載卸載量。本項(xiàng)目E 區(qū)西側(cè)基坑距離7 號線26～48 m，開挖深度7.3～10.7 m，疊加了前階段施工影響后，在基坑開挖過程中因產(chǎn)生一定的卸載，導(dǎo)致7 號線沉降最高達(dá)到8.68 mm。

（3）如不能改變樁基形式，那么設(shè)備選型和優(yōu)化非常重要。本項(xiàng)目距離7 號線病害段較近的路堤橋樁基，因采用了較先進(jìn)的免共振液壓振動(dòng)錘進(jìn)行鋼套筒跟進(jìn)施工，軌交產(chǎn)生的沉降僅為2.45 mm，稱得上是微擾動(dòng)施工。EF 區(qū)西側(cè)圍護(hù)采用常規(guī)smw 工法樁，距離號線病害段11～17 m，因疊加了前階段施工的影響及自身存在一定施工擾動(dòng)，造成最高7.33 mm 沉降。

（4）基坑支護(hù)采用的伺服系統(tǒng)對控制基坑變形有良好效果。基坑遵循時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行分區(qū)分層分塊開挖有效避免了大規(guī)模加卸載對臨近軌交的影響，是軌交安全保護(hù)區(qū)基坑施工的黃金法則。

（5）重載車輛應(yīng)盡量遠(yuǎn)離軌交。如不能避免，應(yīng)在靠近軌交側(cè)增加圍護(hù)隔離，或增設(shè)棧橋，通過樁基將車輛荷載和震動(dòng)傳到地下。本項(xiàng)目進(jìn)出通道在靠近7 號線側(cè)，最近距離8 m，重載車輛及大型頂管機(jī)及管節(jié)運(yùn)輸。通道通過路堤橋樁基、棧橋樁基、地道敞開段抗拔樁基及圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將車輛荷載有效和7號線隔離，減少了擾動(dòng)。

工程前期與軌交管理部門做好溝通，在設(shè)計(jì)方案和施工籌劃上做好優(yōu)化，施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控，精細(xì)化管理，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工措施，可以有效保障工程安全。