門式抗浮框架對(duì)隧道變形控制效果實(shí)測分析*

陳福斌，祁恒遠(yuǎn)，藍(lán)淦洲，許嘯鵬

(1.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518040； 2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

為了緩解交通擁堵帶來的巨大壓力，我國各大城市修建了越來越多的地鐵隧道，形成了密集的快速交通網(wǎng)絡(luò)[1-2]。同時(shí)，隨著近年來地下商場、地下快速化道路等大量地下空間的開發(fā)，鄰近既有地鐵隧道進(jìn)行近距離開挖的工程越來越多。開挖會(huì)擾動(dòng)坑底及隧道周邊土體的地應(yīng)力，導(dǎo)致隧道向開挖方向變形[3]。若隧道變形過大，可能引起隧道管片開裂、接頭破壞、地下水滲漏，甚至影響地鐵運(yùn)營安全[4]。通常情況下，地下通道和地鐵線路一般沿城市主干道敷設(shè)，在既有隧道上方進(jìn)行地下通道基坑長距離開挖，會(huì)引起隧道發(fā)生顯著的上浮變形[5]。

為了分析相鄰開挖對(duì)既有隧道的影響，許多學(xué)者通過理論分析、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測等方法展開研究[6-9]。在這些方法中，現(xiàn)場實(shí)測能夠最直接地反映地層和隧道的響應(yīng)，具有分析價(jià)值和可靠性。基于現(xiàn)場實(shí)測，許多學(xué)者對(duì)鄰近開挖引起的地層位移場變化以及既有隧道變形展開了研究，其中大部分都集中在基坑旁側(cè)隧道的影響上[10]。Meng等[11]報(bào)道了深圳市桂廟路工程長距離共線開挖引起的下臥地鐵隧道變形響應(yīng)。結(jié)果表明，盡管對(duì)基坑進(jìn)行了分段分區(qū)開挖，但隧道仍呈現(xiàn)出明顯的上浮變形。

為控制開挖對(duì)鄰近既有隧道的影響，工程中采用了一系列的隧道變形控制措施。基于時(shí)空效應(yīng)理論[12]，現(xiàn)場采用分段分塊分區(qū)的方法進(jìn)行基坑開挖，從而減小卸載范圍并縮短開挖時(shí)間。對(duì)變形隧道周圍的土體進(jìn)行加固，可提高加固區(qū)土體的強(qiáng)度和剛度，減少了開挖過程中地基變形，從而提高隧道的抗隆起能力，土體加固的方法通常有三軸水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁、MJS水平樁和注漿處理等[13-14]。然而，現(xiàn)有研究較少提到當(dāng)基坑與既有地鐵隧道長距離共線時(shí)，所應(yīng)采取的隧道變形控制措施。

本文以深圳某城市快速化改造工程為依托，介紹一種在長距離開挖條件下的隧道上浮控制措施——門式抗浮框架。結(jié)合現(xiàn)場自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得下臥隧道在門式抗浮框架施工階段和主體工程施工階段的變形響應(yīng)。同時(shí)，基于實(shí)測數(shù)據(jù)，本文評(píng)價(jià)了門式抗浮框架對(duì)于上覆開挖引起的隧道上浮的控制效果。

1 工程概況

深圳某城市快速化改造工程按照我國城市快速路的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，主路段采用地下通道的形式下穿既有主干道。桂廟路在振海路至南海立交段與已開通運(yùn)營的深圳地鐵11號(hào)線存在平面共線，長約3.09km。共線段共分為3個(gè)標(biāo)段進(jìn)行施工，三標(biāo)位于二標(biāo)以東，樁號(hào)為K3+167—K4+130，總長度963m，均為閉合框架，基坑與隧道平面位置關(guān)系如圖1所示。三標(biāo)基坑寬度為25.7～42m，最大開挖深度為14m，基坑底部與隧道頂部的平均距離僅6.4m。

圖1 基坑與隧道平面位置關(guān)系

在桂廟路工程前期施工過程中，左線隧道部分?jǐn)嗝娴淖畲笊细×窟_(dá)到21mm左右，超過了20mm的控制值。為了控制后續(xù)基坑開挖所引起的隧道上浮，在三標(biāo)K3+247—K3+476采取了門式抗浮框架聯(lián)合豎井跳挖的隧道變形控制措施。

圖2為本文研究區(qū)段的地層剖面，淺層土層主要為①2填砂，局部含有②2淤泥質(zhì)黏土、粗砂⑤2，厚度為3.1～6m。地鐵隧道及地下通道穿越的土層為⑧礫質(zhì)黏性土，土層厚度為25～31.1m，礫質(zhì)黏性土也是場地區(qū)域的主要覆蓋土層。區(qū)段范圍內(nèi)，隧道的下臥土層主要為礫質(zhì)黏性土。

圖2 地層剖面

2 門式抗浮框架

門式抗浮框架由鋼筋混凝土抗拔樁和鋼筋混凝土抗浮板所組成，抗拔樁布置在隧道的兩側(cè)，并與抗浮板在樁頂剛性連接，從而在隧道上方形成門式抗浮框架。

門式抗浮框架總體施工工序?yàn)椋菏┳魉淼纼蓚?cè)抗拔樁→土體開挖→澆筑抗浮板。因此抗浮板需在基坑土方開挖至指定標(biāo)高后，方能與抗拔樁剛性連接成門式抗浮框架。為了減小門式抗浮框架施作期間對(duì)于下臥隧道的影響，采用開挖豎井的方法施作門式抗浮框架。豎井是將隧道上方大范圍的基坑劃分為獨(dú)立的小型基坑，因此豎井的開挖過程也是隧道上方的卸載過程，若對(duì)豎井進(jìn)行連續(xù)開挖，勢(shì)必會(huì)增加隧道上方單次卸載量，引起隧道較大的隆起變形。為了限制豎井開挖期間隧道變形，對(duì)豎井采用間隔開挖的方式施工，即“跳挖”。抗浮板達(dá)到指定強(qiáng)度后，對(duì)豎井進(jìn)行回填，待全部抗浮板施作完畢并完成豎井回填，將對(duì)基坑進(jìn)行二次開挖，從而施作地下通道。

圖3為三標(biāo)K3+247—K3+476里程段隧道與基坑的平面位置關(guān)系及豎井布置，受場地施工條件影響，實(shí)際的豎井布置范圍為K3+258—K3+476。雙線隧道的中心距離為13～17m，左線隧道在里程段內(nèi)位于基坑內(nèi)側(cè)，而右線隧道從K3+280—K3+300段開始，由基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)逐漸進(jìn)入基坑內(nèi)側(cè)并平行于基坑中線。

圖3 三標(biāo)豎井布置

抗拔樁直徑均為1m，中心間距為3m，開挖深度13～15m，豎井平面尺寸在隧道縱向?yàn)?～6m，垂直隧道方向約為15m。A區(qū)域?yàn)閱呜Q井布置，B，C區(qū)域由于右線隧道位于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以內(nèi)，故為雙豎井布置。以C區(qū)域?yàn)槔Q井與隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 C區(qū)域豎井與隧道相對(duì)位置關(guān)系

3 自動(dòng)化監(jiān)測布置方案

為了獲得項(xiàng)目施工中既有地鐵隧道的變形情況，對(duì)地鐵與基坑共線段進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測。在隧道縱向范圍內(nèi)每間隔約10 m布置1個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面分別在隧道頂部(P4)、隧道兩側(cè)(P1，P3)及隧道底部道床(P2)分別布置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖5所示。根據(jù)深圳地鐵要求，監(jiān)測的內(nèi)容包括隧道結(jié)構(gòu)的豎向及水平變形。

圖5 隧道自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)位置示意

4 隧道變形響應(yīng)分析

在門式抗浮框架施作階段及主體工程施作階段，下臥隧道經(jīng)歷了“豎井開挖卸載→回填加載→基坑再開挖卸載→地下通道加載”的過程。基于現(xiàn)場實(shí)測，下文將探究下臥隧道在該過程中的變形響應(yīng)。

4.1 隧道縱向變形

三標(biāo)于2018年12月17日開始進(jìn)行豎井施工，為了分析豎井開挖對(duì)既有隧道的影響，對(duì)2018年12月17日的隧道變形進(jìn)行歸零，并分析隧道的相對(duì)變形情況。圖6描繪了下臥隧道在豎井開挖階段的縱向變形情況，圖中虛線表示豎井所在范圍，“B”表示已對(duì)豎井進(jìn)行回填。

圖6 隧道豎向位移(2019年1月10日)

如圖6所示，當(dāng)8號(hào)、12號(hào)、16號(hào)豎井同時(shí)開挖(隔三挖一)，且16號(hào)豎井開挖接近到底，左線隧道頂部的最大上浮量為2mm。單個(gè)豎井開挖影響范圍約為20m，這也說明隔三挖一可以有效避免豎井同時(shí)開挖累積效應(yīng)導(dǎo)致過大上浮。隧道在K3+440—K3+476區(qū)段有沉降發(fā)生，這可能是由現(xiàn)場堆載或地下水位的變化所引起。在2019年4月3日，左線隧道上方共有8個(gè)豎井同時(shí)進(jìn)行開挖(大致為隔三挖一)，且3號(hào)、29號(hào)豎井開挖到底，左線隧道頂部的最大上浮量為4.7mm(見圖7)。進(jìn)入6月上旬，施工單位在已完成門式抗浮框架施工的區(qū)段進(jìn)行主體基坑的開挖，由圖8可看出三標(biāo)左線的隧道上浮在2019年6月上旬有較大增長，6月13日的最大累積上浮變形約為6.9mm，7月8日的最大累積上浮變形約為8.6mm。如圖9，10所示，右線隧道在豎井開挖期間的最大上浮變形為6.9mm。綜上，在豎井開挖(隔三挖一)及回填后，隧道最大上浮變形不超過8mm。在主體基坑開挖階段，雖有抗浮框架約束，隧道仍呈上浮趨勢(shì)，上浮變形能控制在10mm左右。對(duì)比前期未采用抗浮框架時(shí)主體結(jié)構(gòu)施工基坑開挖引起上浮量超過20mm，門式抗浮框架對(duì)于控制上方基坑開挖隧道上浮效果顯著。

圖7 隧道豎向位移(2019年4月30日)

圖8 隧道豎向位移(2019年7月8日)

圖10 隧道豎向位移(2019年8月16日)

4.2 隧道斷面變形

選擇3個(gè)工況記錄完整的橫斷面進(jìn)行觀測，并將隧道斷面P1～P4點(diǎn)在門式抗浮框架和主體工程施工階段的豎向位移分析如圖11所示。隧道的斷面豎向變形分為4個(gè)階段進(jìn)行分析。①階段1 豎井開挖，斷面各點(diǎn)因豎井開挖產(chǎn)生豎向位移，其中隧道頂部P4點(diǎn)的豎向位移顯著大于底部P2點(diǎn)位移；②階段2 豎井回填加載，隧道上浮產(chǎn)生一定程度的回落，但未回落至初始大小，這是由于填土的重度一般小于開挖前原位土體的土重，因此填土加載荷載小于開挖荷載；③階段3 主體基坑開挖，由于卸載量大，隧道腰側(cè)和底部的上浮變形明顯大于豎井開挖階段，隧道斷面呈現(xiàn)出整體上浮趨勢(shì)。其次，左線K3+277和K3+407斷面的上浮值在基坑開挖到底前便已趨于穩(wěn)定，說明門式抗浮框架發(fā)揮了抗隆起作用；④階段4 地下通道施工引起的再加載，結(jié)構(gòu)加載引起隧道上浮產(chǎn)生一定程度的回落，但并無回落至初始大小。上述實(shí)測結(jié)果表明，階段2抗浮框架施工完成，回填土使得隧道上浮量回落，對(duì)于控制隧道總上浮量至關(guān)重要。

圖11 隧道斷面豎向位移

4.3 隧道結(jié)構(gòu)收斂變形

隧道的收斂變形值是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，它可以反映隧道在橫向或豎向上的拉伸或壓縮。此處規(guī)定隧道的豎向收斂變形值等于P4點(diǎn)的豎向位移值減去P2的點(diǎn)豎向位移值，正值表示拉伸，負(fù)值表示壓縮。隧道的橫向收斂變形值等于P1點(diǎn)的水平位移值減去P3的水平位移值，正值表示拉伸，負(fù)值表示壓縮。3個(gè)斷面在門式抗浮框架和主體工程施工階段的收斂變形值如圖12所示。

圖12 隧道收斂變形

由于監(jiān)測儀器安裝后，受鄰近擾動(dòng)，豎井開挖前，隧道斷面存在一定的變形。隨著豎井的開挖，隧道在豎直方向逐漸拉伸、水平方向逐漸壓縮，斷面均呈現(xiàn)“豎鴨蛋”的變形模式。豎井回填后，隧道上方豎向土壓力增大，隧道在豎直方向上逐漸壓縮、水平方向上有所拉伸，“豎鴨蛋”的變形模式部分恢復(fù)。基坑開挖后，隧道在豎直方向逐漸拉伸、水平方向逐漸壓縮，斷面仍呈現(xiàn)“豎鴨蛋”的變形模式。隨著后期地下通道結(jié)構(gòu)施工的進(jìn)行，隧道上方的豎向應(yīng)力由于底板和主體結(jié)構(gòu)的重力加載作用而增大，使得隧道的收斂變形值有所減小。

5 結(jié)語

本文基于深圳某城市快速化改造工程，對(duì)一種應(yīng)用在長距離開挖條件下的隧道上浮控制措施——門式抗浮框架展開研究。基于自動(dòng)化監(jiān)測，獲得了下臥隧道在門式抗浮框架施工階段和主體工程施工階段的變形響應(yīng)，評(píng)價(jià)了門式抗浮框架對(duì)于上覆開挖引起的隧道上浮的控制效果，主要結(jié)論如下。

1)在門式抗浮框架施工階段，豎井開挖主要引起隧道頂部產(chǎn)生豎向位移，引起的隧道水平變形較小。隧道在豎井隔三挖一的影響下，引起的最大上浮變形不超過10mm，說明豎井隔三挖一能夠減小豎井開挖對(duì)于隧道變形的疊加效應(yīng)。

2)隧道的斷面變形可分為4個(gè)階段，分別為豎井開挖、豎井回填、主體基坑開挖、地下通道結(jié)構(gòu)加載。豎井開挖前，隧道呈現(xiàn)出豎向壓縮、水平拉伸的“橫鴨蛋”變形模式。隨著豎井開挖，“橫鴨蛋”的變形模式向“豎鴨蛋”的變形模式發(fā)展。豎井回填或地下通道結(jié)構(gòu)加載可使“豎鴨蛋”變形模式恢復(fù)一部分。

3)在主體基坑開挖階段，隧道呈現(xiàn)出整體上浮的趨勢(shì)。其次，左線K3+277和K3+407斷面的上浮值在基坑開挖到底前便已趨于穩(wěn)定，說明門式抗浮框架發(fā)揮了抗隆起的作用。