臨近既有地鐵區(qū)間隧道基坑設(shè)計方案研究

宋 偉

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100010)

1 概述

在大城市地鐵建設(shè)中，地鐵線路多沿城市主要道路下方敷設(shè)，若道路改造為下穿隧道或高架橋梁的形式，勢必出現(xiàn)隧道基坑或橋梁基礎(chǔ)基坑施工臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)的情況。基坑開挖引起周邊土體變形，易對既有地鐵結(jié)構(gòu)的受力及位移控制產(chǎn)生不良的影響。早在20世紀(jì)80年代，Kusakabe等[1]就針對基坑開挖對臨近既有管道的影響進(jìn)行過離心模型試驗研究；李志高等[2]通過有限差分法數(shù)值模擬，得到鄰近大剛度地鐵車站基坑開挖位移場的位移傳遞規(guī)律；高廣運(yùn)[3]等通過研究發(fā)現(xiàn)，對緊貼基坑地下連續(xù)墻的土體進(jìn)行二次加固及結(jié)構(gòu)逆筑施工，可有效控制相鄰隧道變形；張治國等[4]提出鄰近開挖對軟土隧道縱向受力變形影響的簡化計算方法；郭典塔等[5]分析近接隧道基坑開挖施工力學(xué)特征，并探討基坑開挖對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形以及地鐵列車振動對基坑施工力學(xué)行為的影響；黃兆緯等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，地鐵上蓋基坑開挖會對既有地鐵隧道的變形產(chǎn)生影響，土體加固、基坑分塊開挖等技術(shù)措施能夠有效控制地鐵隧道的變形，其中土體加固技術(shù)的效果最為明顯。還有很多學(xué)者[7-10]基于工程實例，對臨近地鐵基坑工程影響機(jī)理和控制措施進(jìn)行研究，研究方法主要為經(jīng)驗公式法、解析法、實測分析法和有限元模擬法等[11]。

以往文獻(xiàn)對新建基坑側(cè)上方臨近地下結(jié)構(gòu)的研究較多，對平行施工的研究較少。以下所研究的工況為道路明挖隧道基坑平行于既有地鐵區(qū)間隧道工程，針對多種設(shè)計方案，對隧道結(jié)構(gòu)位移控制的敏感性要素進(jìn)行分析排序，確定最優(yōu)支護(hù)方案。

2 工程概況

長春市某下穿公路隧道基坑側(cè)方臨近既有地鐵區(qū)間隧道，采用明挖法施工，“鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐”支護(hù)，樁間旋噴樁止水，基坑走向與區(qū)間隧道走向基本平行，與既有地鐵隧道最近部分水平距離為4.06 m，深約14 m。區(qū)間隧道為盾構(gòu)法施工，管片內(nèi)徑為5.4 m，外徑為6 m，埋深約5 m。二者平立面位置關(guān)系見圖1、圖2。

圖1 基坑與地鐵平面位置關(guān)系(單位：m)

圖2 立面位置關(guān)系(單位：m)

擬建場地地貌為波狀臺地，基底巖系為白堊紀(jì)泥巖，上覆地層為黏性土層、砂土層及雜填土，無巖溶、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地下水為表層孔隙性潛水及巖石裂隙水，具微腐蝕性。

3 支護(hù)參數(shù)與位移控制敏感性研究

為研究各種常規(guī)基坑支護(hù)措施對地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移控制的效果，在基坑支護(hù)設(shè)計中，主要考慮了5種可變參數(shù)：基坑壁土體加固參數(shù)、圍護(hù)樁截面尺寸參數(shù)、鋼支撐型號、支撐豎向布置和橫向布置參數(shù)。

支護(hù)參數(shù)研究的主要思路為，首先擬定一個常規(guī)支護(hù)方案，對此支護(hù)方案進(jìn)行試算，若此方案的位移計算結(jié)果接近容許范圍，則確定此支護(hù)方案為基準(zhǔn)方案。在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)或削弱一個或兩個參數(shù)，以此設(shè)定其他比較方案。通過多方案對比分析，得出位移控制與各支護(hù)參數(shù)的相關(guān)性，進(jìn)而確定最優(yōu)方案。

方案一：基準(zhǔn)方案。張立明[12]等通過研究發(fā)現(xiàn)，袖筏管注漿可以有效地控制地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移，在方案一中，對盾構(gòu)隧道與基坑之間的3 m土體進(jìn)行袖閥管注漿加固，豎向范圍為從地表到基坑底部。圍護(hù)樁采用直徑1 200 mm、間距1 500 mm的混凝土鉆孔灌注樁，樁長18 m，設(shè)置三道支撐，首道支撐采用混凝土支撐，截面為800 mm×600 mm，間距6 m，第二、第三道采用直徑800 mm的鋼支撐，間距3 m。支護(hù)示意如圖3所示。

圖3 兩道鋼支撐方案

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上取消注漿加固(用來判定該工程中注漿加固的效果)。

方案三：在方案一的基礎(chǔ)上弱化圍護(hù)樁，減小樁徑(改為直徑1 000 mm)，間距不變。

方案四：在方案一的基礎(chǔ)上弱化鋼支撐，減小鋼支撐直徑(改為直徑609 mm)。

方案五：在方案一的基礎(chǔ)上強(qiáng)化注漿體強(qiáng)度。依據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，高壓旋噴樁加固后的土體強(qiáng)度要高于袖閥管注漿加固，計算參數(shù)見表2。

方案六：在方案五的基礎(chǔ)上增加一道鋼支撐，同時調(diào)整豎向支撐的間距。方案示意如圖4所示。

圖4 三道鋼支撐方案

方案七：在方案六的基礎(chǔ)上調(diào)整各類支撐水平間距，混凝土支撐水平間距由6 m縮小到5 m，鋼支撐由3 m縮小到2.5 m。

為了更加直觀表述，所有研究方案參數(shù)變化見表1，調(diào)整的參數(shù)以字體加粗表示。

根據(jù)以上方案，利用巖土數(shù)值模擬軟件FLAC3d建立三維數(shù)值模型，模型長寬高分別為25 m×100 m×18 m，巖土體及地鐵隧道采用實體單元模型，符合摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。地鐵隧道管片結(jié)構(gòu)為彈性模型，考慮接頭作用，在C35混凝土參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行30%的剛度折減。圍護(hù)樁、全部內(nèi)支撐及鋼圍檁采用梁結(jié)構(gòu)模型(彈性模型)，與土體變形相協(xié)調(diào)。以方案一為例，地鐵管片結(jié)構(gòu)模型示意及網(wǎng)格劃分如圖5。

表1 研究方案

圖5 模型網(wǎng)格劃分

模型中巖土體和人工結(jié)構(gòu)物力學(xué)參數(shù)參考地勘報告、相關(guān)設(shè)計規(guī)范[13]及相關(guān)工程經(jīng)驗。取值如表2所示。

表2 巖土體及結(jié)構(gòu)物理學(xué)參數(shù)

模擬施工中不考慮施工降水作用，先施工圍護(hù)樁及冠梁，分層開挖，隨開挖隨支護(hù)，施工工序及相關(guān)模型如下：

(1)建立土體及盾構(gòu)隧道模型，位移清零(如圖6)。

圖6 初始工序模型

(2)加固坑壁與隧道之間的土層(如有)，施工基坑圍護(hù)樁及冠梁結(jié)構(gòu)。

(3)分層開挖基坑，當(dāng)開挖至某道支撐高程下約0.5 m處時，施作該道鋼圍檁支撐，并繼續(xù)開挖，直至達(dá)到坑底(如圖7)。

圖7 開挖及支護(hù)工序模型

基坑開挖后，既有區(qū)間隧道會產(chǎn)生朝向基坑方向的位移，區(qū)間隧道與地鐵基坑基本為水平位置關(guān)系，對既有結(jié)構(gòu)的影響以水平位移為主(如圖8)，故重點對各個方案的水平位移進(jìn)行分析。

圖8 開挖完畢后模型

在支護(hù)方案一中，基坑開挖完畢后，基坑最大橫向位移為9.22 mm，隧道側(cè)坑壁最大橫向位移為7.37 mm，區(qū)間隧道最大橫向位移為5.61 mm，最大沉降為1.23 mm?！冻鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[14]規(guī)定：隧道水平位移、豎向位移和徑向收斂的預(yù)警值為10 mm，控制值為20 mm?！冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[15]則提出了更加嚴(yán)格的變形控制標(biāo)準(zhǔn)：隧道結(jié)構(gòu)沉降累計值不得超過3～10 mm，上浮限值為5 mm，水平位移限值為3～5 mm。方案一計算數(shù)值接近容許范圍，故以此方案作為比較基準(zhǔn)方案。土體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)橫向位移如圖9、圖10。

圖9 方案一巖土體橫向位移云圖

圖10 方案一隧道橫向位移云圖

各個方案計算結(jié)果統(tǒng)計如表3。

表3 各方案計算結(jié)果統(tǒng)計

4 方案分析

對比方案一、方案二可以看出，袖閥管加固坑壁土體對控制坑壁土體橫向位移效果顯著，對距離略遠(yuǎn)的盾構(gòu)隧道橫向位移控制也有一定的效果，如不加固，二者位移分別增大114%及14%。

從方案三、方案四可以看出，當(dāng)弱化一檔圍護(hù)樁或內(nèi)支撐參數(shù)，即圍護(hù)樁直徑由1 200 mm調(diào)整為1 000 mm，內(nèi)支撐直徑由800 mm調(diào)整為609 mm時，土體和盾構(gòu)隧道橫向位移均增大了約30%左右，故圍護(hù)樁尺寸及內(nèi)支撐直徑對橫向位移的控制比較敏感，不宜輕易削弱。

對比方案一與方案五，采用高壓旋噴樁進(jìn)行坑壁側(cè)土體加固后，雖然加固體力學(xué)參數(shù)得到進(jìn)一步提升，但土體和隧道橫向位移只減小6%和2%，效果比較微弱?？梢钥闯?，提高加固體力學(xué)性能的方法并不能有效控制隧道的橫向位移。

從方案六可以看出，增加一道橫撐并相應(yīng)調(diào)整支撐豎向間距后，坑壁和隧道位移分別減少了18%及13%，效果比較顯著。如果在方案六的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密支撐橫向間距(方案七)，其位移繼續(xù)減少5%左右，從控制內(nèi)支撐工程量、保證支撐間的空隙、方便吊車作業(yè)的角度考慮，方案七不可取。

根據(jù)地區(qū)概算定額，以上七種方案與基本方案一的每延米概算比值為：1，0.62，0.93，0.91，0.89，1.07，1.18。可以看出，方案二造價最低，即土體加固占據(jù)了顯著的投資比例；方案七造價最高則是由于增加了內(nèi)支撐的投入，其他方案與基礎(chǔ)方案相比，差值均在15%以內(nèi)波動。

綜合工程投資、工序繁簡等因素考慮，選擇方案六作為推薦方案。

5 結(jié)論

(1)為了達(dá)到控制周邊隧道位移的目的，基坑圍護(hù)樁橫截面尺寸及內(nèi)支撐尺寸等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度特性參數(shù)是最為敏感的設(shè)計要素。

(2)基坑支護(hù)方案加強(qiáng)措施排序為：圍護(hù)樁參數(shù)、優(yōu)化鋼支撐直徑、鋼支撐豎向間距及道數(shù)布置、支撐水平間距、坑壁土體強(qiáng)度、加固土體的力學(xué)參數(shù)。

(3)坑壁與隧道之間的注漿加固很有必要，一般通過常規(guī)注漿保持坑壁土體的整體性即可，一味提高該部分土體參數(shù)并不能有效控制坑壁及周邊隧道的位移。