復雜工況在安全保護區(qū)的疊加影響控制分析

劉 芳

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200237]

0 引言

隨著中國城市建設的快速發(fā)展，建設用地資源緊張，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，施工過程都會對周圍地層產生擾動，影響臨近既有地鐵隧道結構的受力狀態(tài)，使其產生位移、變形和局部應力集中，影響過大時將會干擾地鐵列車正常運行甚至導致地鐵隧道結構破壞和運營安全事故[3]。因此，有必要對鄰近地鐵的工程進行分析總結，為以后的工程提供有價值的參考。

1 工程概況

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

圖1 軌交保護區(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 號線盾構區(qū)間邊線6.1～10.9 m，距軌交15 號線車站結構邊線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 范圍內基坑均位于在建15號線車站及區(qū)間軌交保護區(qū)，與在建15 號線車站最小凈距為1.7 m。K2+850～K3+010 范圍內基坑段位于7 號線軌交保護區(qū)，距離7 號線病害段最小凈距為11 m，見表1，基坑設計見表2。

表1 地道與7 號線、15 號線距離

表2 地道設計情況

本工程施工期間地鐵7 號線正常運營，地鐵15號線車站結構住體已完成，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 保護范圍內。頂管斷面尺寸9.9 m×8.15 m；設計頂力12 615 t。頂管以暗埋段（K2+780～K2+850）整體結構作為后靠.始發(fā)井與15 號線區(qū)間隧道同步施工，東側頂管頂進時15 號線區(qū)間隧道已貫通。

1.2 工程地質及水文條件

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

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1 m 左右?？辈炱陂g，實測潛水水位埋深為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，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

施工嚴格遵守“上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定”對有關地鐵沿線工程相關要求：

（1）地鐵結構設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）兩側的鄰近3 m 范圍內不能進行任何工程；

（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、爆炸產生的震動對隧道引起的峰值速度不大于2.5 cm/s[1]；

（7）需滿足設計院之圍護設計總說明內的相關要求及地鐵審批部門的要求；

（8）各分部分項工程施工質量驗收規(guī)范；

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

2 擾動工況分析及采取的針對性施工措施

2.1 路堤橋樁基施工機械擾動和塌孔風險影響

路堤橋樁基距離7 號線病害段僅8 m，且作業(yè)空間狹小，施工風險等級較高。處于運營中的7 號線地鐵區(qū)間隧道雖然其土層沉降已基本穩(wěn)定，但其隧道結構體系為預應力管片拼裝而成，整體強度剛度相對較低，會對周邊巖土體的擾動變形較為敏感，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，采用內徑20 m 長，880 mm 型鋼套管跟進施工，打入至5①或6 層土，深度穿過地鐵結構底標高3 m 以上。

選用28RF 免共振液壓振動錘（配備600series動力站）進行套筒施工，高頻液壓振動錘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），消除在開啟和關閉時刻的振動影響。在經(jīng)過土壤頻率區(qū)域后，偏心塊自動調節(jié)，偏心塊同步后產生偏心力矩形成振動頻率。

鋼套管施工在地鐵停運期間進行，單樁施工總時間1 h 左右，每日成樁5 根左右。工期短，擾動小。套筒施工時候，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 鉆機站在桁架上進行鉆孔灌注樁施工，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 路堤橋上部結構及道路排水工程的加卸載影響

采取措施：上部結構每15 m 設置1 道沉降縫，大部分位于現(xiàn)狀地面以下，施工時采用逐跨現(xiàn)澆施工，減少施工產生的加卸載效應；鋼筋進行模塊化制作，現(xiàn)場吊裝綁扎，減少開挖面暴露時間；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）。

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

2.3 基坑圍護結構的施工擾動影響，圍護接頭處漏水風險

采取措施：圍護結構施工時，合理跳打，先西后東，并由北向南進行（總體原則：先近后遠）。各專業(yè)施工時，施工機械始終站在遠離軌交一側。單幅地墻施工時間控制在24 h 內。

優(yōu)化設備選型。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，減少了擾動風險。

保障圍護結構施工質量，避免因質量問題造成圍護坍塌或滲漏。

一旦滲水口要及時封堵，緊急情況下可采取坑內灌水平衡內外水土壓力，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封堵處理，未產生大的影響。

2.4 基坑開挖及結構回筑時的加卸載影響，基坑變形

采取措施：

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

圖4 基坑水平分區(qū)分塊圖

（2）分層分塊開挖，及時支撐：土方開挖按照距軌交由遠及近，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，把握加設橫撐時間。采取該方法可縮短軌交一側基坑開挖暴露時間，減小同時開挖基坑的面積，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，單塊挖土時間控制在3 h 內，開挖后6 h 內安裝好支撐。

（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，隨時對支撐預應力進行監(jiān)測，當預應力損失時，補加預應力至設計值。

2.5 不良地質潛水因素，及坑底管涌等風險

在開挖土層范圍內存在③④淤泥質粉質黏土，開挖易受擾動，開挖卸荷后會產生較大回彈。③T黏質粉土當開挖揭露時在一定水頭動水壓力作用下易產生流砂現(xiàn)象。開挖過程中加強坑底隆起監(jiān)測，地基加固、井點降水等措施嚴格按要求施工，坑內布置降壓備用井，對⑦層承壓水進行抗突涌驗算，根據(jù)開挖工況，計算降壓工況，做到按需降壓，嚴禁超降。

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)護單位對鄰近運營地鐵進行了沉降和收斂變形監(jiān)測布點。數(shù)據(jù)處理說明：7 號線共設132 沉降個監(jiān)測點，386 個收斂監(jiān)測點。15 號線共設58 個沉降個監(jiān)測點，48 個收斂監(jiān)測點。軌道沉降及收斂數(shù)據(jù)會根據(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變量。以下表格中給出的數(shù)值范圍，為累計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，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 號線累計最大沉降值為2.45 mm，累計最大抬升值為2.00 mm，均小于報警值±5.0 mm。

7 號線下行線結構收斂值在-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，施工時未啟用降壓井，同時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，未對軌交產生明顯影響。沉降未達到報警值。

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，期間伴隨頂管頂進施工，及重載車輛經(jīng)路堤橋進出，出現(xiàn)頻繁報警情況。

表6 EF 區(qū)基坑施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

其中EF 區(qū)圍護施工及E 區(qū)西側開挖期間，出現(xiàn)最大報警值-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)西側開挖深度10.53～7.23 m。

E 區(qū)東側及F 區(qū)的施工未對7 號線產生較強影響。

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，粗略推算本工程實施對其產生的影響，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)東線頂管頂進對15 號線有明顯影響。

4 結語

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，項目施工過程中，7 號線沉降和收斂變形監(jiān)測指標未超出20 mm，滿足地鐵技術管理要求。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)驗總結如下：

（1）當多個工程同期在軌交保護區(qū)范圍施工時，應考慮每個工程對軌交變形的疊加影響。注意控制單個工程的變形影響量，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，但對擾動更為敏感，一旦產生損害修復也更加困難，即便工程距離病害軌交在10 m 之外，也要注意減少擾動，控制加載卸載量。本項目E 區(qū)西側基坑距離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生一定的卸載，導致7 號線沉降最高達到8.68 mm。

（3）如不能改變樁基形式，那么設備選型和優(yōu)化非常重要。本項目距離7 號線病害段較近的路堤橋樁基，因采用了較先進的免共振液壓振動錘進行鋼套筒跟進施工，軌交產生的沉降僅為2.45 mm，稱得上是微擾動施工。EF 區(qū)西側圍護采用常規(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，造成最高7.33 mm 沉降。

（4）基坑支護采用的伺服系統(tǒng)對控制基坑變形有良好效果?；幼裱瓡r空效應進行分區(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，是軌交安全保護區(qū)基坑施工的黃金法則。

（5）重載車輛應盡量遠離軌交。如不能避免，應在靠近軌交側增加圍護隔離，或增設棧橋，通過樁基將車輛荷載和震動傳到地下。本項目進出通道在靠近7 號線側，最近距離8 m，重載車輛及大型頂管機及管節(jié)運輸。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結構，將車輛荷載有效和7號線隔離，減少了擾動。

工程前期與軌交管理部門做好溝通，在設計方案和施工籌劃上做好優(yōu)化，施工過程中加強監(jiān)控，精細化管理，動態(tài)調整施工措施，可以有效保障工程安全。