軟土深基坑開挖及微擾動注漿引起盾構隧道變形分析

文／賈亞杰 上海陸家嘴金融貿易區聯合發展有限公司 上海 200126

引言：

盾構隧道收斂變形按發生階段可分為施工階段收斂變形和運營階段收斂變形兩部分。其中運營階段收斂變形主要由隧道上方加載或隧道側方卸載引起。規范要求盾構隧道拼裝成環后，外部荷載作用下的隧道直徑累計變化量小于5‰D。然而，設計僅能考慮引起盾構隧道收斂變形的部分因素，如隧道埋深、隧道所處位置土層的物理力學性質等。對運營之后的因素，如地鐵運行振動荷載的幅值和頻率、隧道周圍土體的動力特性、工程建設活動等可能考慮不足。實測數據顯示，上海地區隧道多處位置收斂變形超過30mm，部分位置甚至超過150mm。為減小隧道收斂變形，目前常采用微擾動注漿方法。針對這一工藝，張冬梅等分別通過數值模擬、室內試驗現場實測等方法研究了微擾動注漿修復的效果。

目前案例大多基于隧道周圍工程建設已完成、土體變形達到穩定狀態為前提研究注漿加固效果，針對隧道周邊施工情況下的注漿修復效果研究較少。本文以某深基坑工程為例，分析地下結構施工不同階段注漿加固改善隧道收斂變形，為相似工程設計及施工提供參考。

1、工程概況及地質條件

1.1 基坑及隧道概況

本工程位于上海市浦東前灘區域。基坑占地面積約2.4萬平方米，分3個大坑、5個小坑共8個分坑分區開挖。大坑開挖面積3500 m～8000m，開挖深度約 20m，圍護采用深55m、厚1.2m地下連續墻，支撐采用五道鋼筋混凝土支撐。臨地鐵側設置的小坑開挖深度約12.4m，單坑面積約650m，寬約14m。

基坑緊鄰運營地鐵6、11號線。6號線隧道頂埋深約12.5m，與小坑水平凈距最近處約24m。與大坑水平凈距最近處約38m。11號線隧道頂埋深約15.5m，與小坑水平凈距最近處約9m，與大坑水平凈距最近處約24m。基坑及地鐵相對位置如圖1所示。由剖面圖可知，6號線隧道頂埋深位于第四、第五道混凝土支撐之間，11號線隧道頂埋深位于第第五道混凝土支撐與底板底部之間。本文主要分析基坑開挖及地下結構施工階段，11號線的收斂變形過程及注漿效果。

圖1 基坑與地鐵相對位置

1.2 工程地質條件

工程地質剖面圖如圖1所示，其中11號線下行線上覆土層為⑤1層，腰部及下臥層為⑤2-1 層。各土層物理力學參數可參考文獻。

1.3 水文地質條件

區域微承壓水主要賦存于第⑤2-1 層、第⑤2-2 層中，該兩層含水層直接相連，合并為微承壓水層。水位埋深約5m，頂板埋深17.8m～30.2m。第⑦層灰色粉砂、第⑨層灰色粉砂分別為第一、第二承壓水含水層，11號線埋深約15～23m，隧道腰部及以下位置處于微承壓含水層。

2、基坑開挖及注漿方案

2.1 基坑開挖方案

分析1c分坑土方開挖前、開挖中及地下結構施工階段，鄰近運營地鐵11號線下行線的實測收斂變形。

1c分坑開挖面積6081m，開挖深度約22m，設有5道鋼筋混凝土支撐。1c區施工過程如表1所示，其中2020年10月至2021年1月為土方開挖及底板施工階段。2021年1月至2021年8月為地下室結構回筑階段。

表1 基坑開挖及回筑工況

2.2 注漿方案

11 號線下行線注漿范圍為120 環至 305環（共計 186 環），按每環注漿 4 孔（每側各 2 孔）的原則進行注漿，總計 744孔的工作量。平面上，在垂直隧道走向的方向上距管片外側 2.4m 和 1.8m 位置設兩個注漿孔，另外一側對稱設置兩個注漿孔。注漿孔沿隧道走向方向的間距為1.2m。深度上，注漿起始深度為隧道對應環外底標高，每孔的注漿總高度為 5.2m。

3、隧道收斂變形分析

各階段隧道收斂變形最大值均位于基坑中部對應位置（圖2）。第二道支撐施工前，測點ZXSL22收斂變形為9.1mm。此部分變成主要由首層土開挖及首道撐施工、基坑封閉性試驗引起。第二道、第三道、第四道、第五道支撐及底板完成時，測點ZXSL22累計收斂變形分別為12.5、14.0、15.6、21.2和42.3mm，各階段引起的收斂變形分別為3.4，1.5，1.6、5.6和21.1mm，平均速率分別為0.24、0.15、0.12、0.43和0.64 mm/d。測點ZXSL23平均速率分別為0.16、0.27、0.22、0.47和0.63 mm/d。第五道支撐施工階段，隧道收斂變形速率約為二、三、四道支撐施工階段的2～3倍，底板施工階段，隧道收斂變形速率約為二、三、四道支撐施工階段的3～4倍。底板施工持續時間長，收斂變形速率大，此階段發生的隧道收斂變形約為整個基坑開挖階段收斂變形的50%。

圖2 地鐵收斂變形（開挖階段）

第二、三、四、五道支撐及底板完成時，P1最大深層水平位移分別為5.4、6.0、7.7、11.9和38.7mm（圖3）。因各階段最大水平位移埋深各不相同，為方便對比，選擇隧道腰部埋深處對應的地墻位置，即測點P1埋深18.5m處的各階段變形進行分析。測點P1在各階段完成時地墻埋深18.5m處的最大水平位移分別為5.3、6.0、7.1、11.3和36.6mm。第三道、第四道、第五道支撐及底板施工階段引起的水平位移分別為0.7、1.1、4.2和25.3mm，平均速率分別為0.07、0.08、0.32和0.77 mm/d。第五道支撐施工階段，水平位移速率約為三、四道支撐施工階段的4倍。底板施工階段，水平位移速率約為三、四道支撐施工階段的10倍。底板施工階段發生的水平位移約為整個基坑開挖階段收斂變形的70%。

圖3 基坑開挖階段地墻測斜

綜合分析基坑開挖各階段地鐵收斂變形及地墻測斜結果，地鐵收斂變形變化規律與地墻測斜變化規律相似。地墻累計變形及隧道各階段的累計變形相關度R2高達0.98（圖4）。由此可知開挖階段地鐵收斂變形主要原因是開挖卸載引起地墻產生水平位移。

圖4 地下室回筑階段地墻測斜變形及地鐵收斂變形

因基坑開挖階段，隧道收斂變形持續增加，且底板施工階段收斂變形速率較大，底板完成時，對應區段 11 號線下行線收斂變形最大約 43mm，遠超地鐵保護要求（一般為20mm）。且根據現場檢查，部分位置出現滲漏，急需開展注漿修復。

2021年1月26 日開始，11號線下行線開始注漿，至2021年5月30日， 1C區對應位置的125 環（對應測點編號ZXSL16）至175環（對應測點編號ZXSL27）的注漿工作完成。在此期間，1c區同時進行地下室回筑施工。

底板、地下室B4、B3、B2和B1完成時，ZXSL2 2累計收斂變形分別為42.3、40、32.1、28.4和31.0 mm，ZXSL23累計收斂變形分別為41.6、38.9、31.1、29.3和30.0mm。其中注漿完成時，地下室結構處于B2施工階段，此時ZXSL22和ZXSL23收斂變形分別為27.6和27.5mm。與底板完成時相比，ZXSL22和ZXSL23收斂變形分別降低了14.7mm和14.1mm，降低幅度較小（一般為30～50mm）。推測原因，除了地鐵埋深較大、土體不易被擠壓外，可能與地下室回筑施工有關。下面分析地下室施工階段鄰地鐵側地墻的測斜變形。

同樣分析地鐵腰部埋深處地墻的變形。底板、地下室B4、B3、B2和B1完成時，測點P1埋深18.5m處的水平位移分別為36.6、40.3、45.0、46.6和47.7m m，從底板完成至地下室結構回筑完成，P1水平位移分別增加了11.1m，增加幅度約30%。由圖4可知，此部分水平位移可能引起約10mm的隧道收斂變形。因為此階段已開始注漿，故此部分變形并未實際發生，但導致注漿完成后隧道收斂變形降低幅度較小。

進一步分析基坑開挖、地鐵注漿修復及地下室回筑各階段隧道的收斂變形（圖5）。由圖可知，第五道支撐施工開始，隧道收斂變形速率顯著增加。底板完成后，地墻變形速率降低，且因采取注漿措施，收斂變形有所降低。直至注漿結束、地下室回筑完成，收斂變形降低約15mm，降低幅度較小，但及時注漿有效遏制了隧道收斂變形的發展。地下室施工完成后，隧道收斂變形約30mm，仍超過有關地鐵變形要求（約20mm），后續可能需要采取進一步措施，減小隧道變形。

圖5 ZXSL22及ZXSL23收斂變形

結語：

本文以上海軟土地區某緊鄰運營地鐵的深基坑工程為例，分析地下結構施工不同階段注漿加固改善隧道收斂變形的效果，得到的主要結論有：

（1）底板施工階段地墻變形速率增加，導致隧道收斂變形速率增加。底板施工階段隧道收斂變形速率為淺部支撐施工階段的3～4倍，收斂變形約占整個基坑開挖階段收斂變形的50%。

（2）隧道收斂變形與相鄰地墻測斜變形相關度很高，地墻水平位移是導致隧道收斂變形的主要原因。

（3）地下室回筑階段，地墻變形可增加約30%，此階段地墻變形可能引起的隧道收斂變形應引起足夠重視。

（4）地下室施工階段進行地鐵注漿修復，因拆撐等引起地墻變形增加可能導致隧道收斂變形進一步發展，注漿對收斂變形修復效果較差。如隧道變形速率可控，建議待地下室全部完成后再進行注漿修復。