基坑施工對下臥地鐵隧道影響與控制措施

林啟明

（廣州開發(fā)區(qū)財政投資建設(shè)項目管理中心 廣州 510663）

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)的大規(guī)模發(fā)展和軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，已建地鐵隧道與新建地下工程之間的沖突日益突出，在運營地鐵隧道上方進行的基坑工程不斷出現(xiàn)［1］。在已有地鐵隧道的上方建設(shè)基坑工程存在2個方面的問題：①由于基坑卸載引起土體回彈導(dǎo)致的地鐵隧道上抬；②由于上部結(jié)構(gòu)超載產(chǎn)生的附加應(yīng)力導(dǎo)致的地鐵隧道下沉。已運營地鐵隧道變形控制要求極為嚴(yán)格，運營地鐵上方基坑施工時，地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大位移不得超過10 mm。因此，基坑施工過程中必須采用嚴(yán)格的工程措施，以保障既有運營地鐵隧道的正常使用和安全［2-3］。近年來，眾多學(xué)者對地鐵上方基坑工程施工引起的隧道變形及控制措施，進行了大量的研究和實踐工作［4-11］。

本文以廣州某地鐵項目施工為工程背景，利用數(shù)值分析對圍護樁施工和明挖基坑開挖進行分析，評估了對地鐵隧道的影響風(fēng)險，提出了相關(guān)的控制措施，確保地鐵隧道安全和地鐵正常運營［12］。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某車站為地下3層島式站臺，上跨既有地鐵3號線。明挖段全長約332.0 m；暗挖段全長58.15 m，明暗挖段總長390.15 m。基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬23.0 m，開挖深度25.5～27.4 m，車站圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁+旋噴樁止水+內(nèi)支撐的組合式支護體系。鉆孔樁為φ1 200@1 400 mm，樁長24.5～47.5 m，嵌入基坑底1.5～2.5 m，樁間采用φ600 mm雙管旋噴樁止水。

1.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)工程勘察報告，場地內(nèi)地質(zhì)情況自上而下分別為：①雜填土層；②素填土層；③粉細砂層；④可塑狀粉質(zhì)黏土層；⑤硬塑狀粉質(zhì)黏土層；⑥全風(fēng)化碎屑巖層；⑦強風(fēng)化巖層；⑧含礫巖中風(fēng)化層；⑨礫巖中風(fēng)化層；含礫粉砂巖微風(fēng)化層礫巖微風(fēng)化層。某地鐵車站主體地質(zhì)縱剖面如圖1所示。

圖1 車站主體地質(zhì)斷面Fig.1 Main Geological Section of the Station

1.3 明挖基坑與地鐵隧道位置關(guān)系

明挖基坑與地鐵隧道交叉角度約80.5°，地鐵隧道橫跨基坑范圍北側(cè)為雙線+單線（渡線）隧道，南側(cè)為3條單線隧道，雙線隧道初支及二襯厚度約900 mm，單線隧道初支及二襯厚度約600 mm，初支錨桿長度3 m，位于〈9-3〉微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，明挖基坑坑底與地鐵隧道位置關(guān)系如圖2所示。明挖基坑坑底與地鐵隧道頂部最小距離約3.265 m，距離隧道錨桿最近距離約0.265 m，如圖3所示。

圖2 基坑基底（底板）與3號線隧道位置示意圖Fig.2 Schematic Location of Foundation Pit Bottom（bottom plate）and Line 3 Tunnel

圖3 基坑圍護樁樁底與地鐵隧道位置關(guān)系立面Fig.3 Elevation of the Position of Foundation Pit and Subway Tunnel（mm）

2 基坑施工對地鐵隧道影響分析

2.1 圍護樁施工對地鐵隧道影響分析

當(dāng)圍護樁鉆到樁底標(biāo)高，分析鉆孔樁施工對下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)圍護樁鉆到樁底時，鉆機對底部巖石的最大施加力為500 kN，考慮到土體挖除及泥漿自重，根據(jù)鉆樁工況及地鐵隧道二襯應(yīng)力最大值為9.31 kPa，經(jīng)計算分析，樁基施加到隧道上面的應(yīng)力所引起的最大位移為下沉0.86 mm，如圖4所示，滿足地鐵隧道自動化監(jiān)測安全控制指標(biāo)值中隧道沉降位移小于15 mm的設(shè)計要求。當(dāng)圍護樁施工完成后，實測到圍護樁施工過程對地鐵隧道所引起的最大豎向位移為下沉0.39 mm，小于設(shè)計值和計算值。

圖4 鉆孔鉆至樁底時地鐵隧道豎向位移Fig.4 Vertical Displacement of the Subway Tunnel at the Bottom of the Pile

根據(jù)鉆樁工況及地鐵隧道二襯應(yīng)力最大值計算彎矩，隧道上方的應(yīng)力所引起的最大彎矩為697 kN·m，如圖5所示，經(jīng)復(fù)核地鐵隧道原有配筋可以滿足隧道的安全。在圍護樁施工期間地鐵隧道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)因上方的應(yīng)力而引起受損的情況。

圖5 鉆孔鉆至樁底時地鐵隧道彎矩Fig.5 Moment Diagram of Subway Tunnel when Drilling to the Bottom of the Pile

2.2 基坑開挖對地鐵隧道的影響分析

明挖基坑在地鐵隧道正上方開挖，開挖深度每段從中間向兩端推進，開挖最大深度27.4 m，基坑坑底與地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向最小距離3.265 m，地鐵隧道為礦山法，設(shè)有3.0 m的錨桿。根據(jù)明挖基坑與地鐵隧道相交處的工程地質(zhì)情況，使用Midas GTS/NX軟件建立三維計算模型［12］，如圖6所示。

圖6 明挖基坑與地鐵隧道計算模型Fig.6 Calculation Model of Open Excavation Foundation Pit and Subway Tunnel

明挖基坑開挖到基底時，分析明挖基坑施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)工況計算結(jié)果，當(dāng)明挖基坑開挖到坑底時，由于卸載作用，地鐵隧道發(fā)生整體上浮，最大上浮值為2.19 mm，如圖7所示，滿足地鐵隧道自動化監(jiān)測安全控制指標(biāo)值中隧道沉降位移小于15 mm的設(shè)計要求。依據(jù)地鐵隧道自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，明挖基坑開挖至坑底時，地鐵隧道最大上浮值為3.95 mm，大于計算值，但在設(shè)計允許值范圍內(nèi)。

圖7 基坑開挖到坑底時地鐵隧道豎向位移Fig.7 Vertical Displacement of Subway Tunnel during Foundation Pit Excavation to the Pit Bottom

3 控制措施

3.1 圍護樁施工

⑴為避免由于圍護樁施工振動給地鐵線路運營帶來影響和確保成孔樁長的準(zhǔn)確性，減少鉆機對孔底隧道圍巖和錨桿的擾動，在地鐵隧道正上方圍護樁施工采用旋挖鉆孔樁，嚴(yán)禁采用沖孔施工。

⑵圍護樁施工前先做工藝性試樁，取得施工參數(shù)包括泥漿比重、含砂率、粘度，距離樁底2.0 m范圍內(nèi)的扭矩、油壓等，下籠效率和鋼筋籠分節(jié)長度，成樁質(zhì)量和灌注混凝土速度等才能施工后續(xù)圍護樁。

⑶采取跳5根樁（即1、6、11的順序）施工，并且在確認(rèn)相鄰圍護樁混凝土強度達到100%后方能進行下一條樁施工。

⑷為避免旋挖鉆孔樁施工過程中碰撞地鐵隧道的錨桿，應(yīng)嚴(yán)格控制樁長，在鉆進深度離終孔樁底2.0 m范圍內(nèi)，采用筒式取心鉆頭-錐形螺旋鉆頭-雙層底的旋挖鉆斗成孔，輕壓慢磨，最大限度減小對隧道圍巖擾動，鉆機壓力控制在50 t以內(nèi)。

3.2 明挖基坑施工

⑴基坑開挖提前1周跟隨開挖面分區(qū)域逐步降低地下水位，每次降水深度為該區(qū)域基坑開挖面以下1.0 m。并遵循“分期封閉、縱向分段、橫向分塊、豎向分層、每層分臺階、先撐后挖、嚴(yán)禁超挖、基坑底墊層隨挖隨澆、分段施作結(jié)構(gòu)”原則進行開挖，盡量縮短基坑的無支撐暴露時間，有效控制圍護結(jié)構(gòu)變形。

⑵基坑土方及強風(fēng)化巖層采用挖機直接開挖，中、微風(fēng)化巖層石方開挖采用靜力爆破。

⑶地鐵隧道保護區(qū)吊腳段基坑前3層開挖同標(biāo)準(zhǔn)段開挖程序，基坑第4層采用在基坑中部拉槽開挖至基底以上0.3 m，架設(shè)第5道支撐后，再開挖兩側(cè)剩余石方?；滓陨?.3 m及下翻梁區(qū)域最后開挖，嚴(yán)格控制靜力爆破鉆孔深度，減少對地伯線路結(jié)構(gòu)擾動。

⑷明挖基坑底部設(shè)置抗拔樁，抗拔樁設(shè)置在隧道左右線兩側(cè)及中間，通過澆筑底板與抗浮樁形成“保護箍”。

4 地鐵隧道監(jiān)測

地鐵隧道采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，圍護樁施工期間、基坑開挖前監(jiān)測斷面按10.0 m間距布設(shè)；基坑開挖期間、車站主體結(jié)構(gòu)混凝土澆搗到基坑土方回填期間監(jiān)測斷面按5.0 m間距布設(shè)，每個斷面布設(shè)5個監(jiān)測點。監(jiān)測項目為水平位移、豎向位移（沉降）、相對收斂、軌道橫向高差，監(jiān)測控制指標(biāo)值如表1所示。

表1 地鐵隧道自動化監(jiān)測安全控制指標(biāo)值Tab.1 Safety Control Index Value of Automatic Monitoring of Subway Tunnel

地鐵隧道在圍護樁與基坑開挖施工期間，均采用自動化監(jiān)測，每天定時上報監(jiān)測數(shù)據(jù)，相關(guān)單位收集監(jiān)測資料，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況及時調(diào)整施工工藝或施工順序。

5 效果評價

基坑挖至基底及基坑底板澆搗完成后1個月，明挖基坑與地鐵隧道重合段自動化監(jiān)測系統(tǒng)測得的累計最大變形值如表2所示，從表2中可以看出，不論是基坑挖至基底時，還量基坑底板澆搗后1個月，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)累計變化值均未達到報警值，滿足地鐵隧道自動化監(jiān)測控制指標(biāo)值的設(shè)計要求。

表2 地鐵隧道自動化監(jiān)測累計值最大變化量統(tǒng)計Tab.2 Statistics of Maximum Change of Automatic Monitoring of Subway Tunnel

6 結(jié)論

本文以地鐵某車站基坑的施工為工程背景，利用數(shù)值分析對施工過程進行動態(tài)模擬分析，通過嚴(yán)格控制影響地鐵隧道結(jié)構(gòu)范圍的樁基施工和基坑開挖，取得良好的效果，可為以后類似工程提供參考。得出的結(jié)論有［12］：

⑴圍護樁施工期間未碰撞既有線路礦山法隧道的錨桿和給隧道圍巖造成大的擾動。

⑵明挖基坑的開挖，由于卸載引起土體回彈導(dǎo)致下臥地鐵隧道上行線路隆起，下行線路沉降。

⑶設(shè)計上明挖基坑底部在隧道左右線兩側(cè)及中間設(shè)置抗拔樁，通過澆筑底板與抗浮樁形成“保護箍”。澆筑底板與抗浮樁后，一是可以阻止板底土體繼續(xù)回彈，避免地鐵隧道隆起；二是可以把上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞至樁基，避免地鐵隧道下沉［3］。

⑷地鐵隧道采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，定時反饋地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形數(shù)值，便于及時分析、處理，做到信息化施工。

⑸底板混凝土澆搗后1個月，從地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形實測值看出下行線為隆起，上行線為下沉，與明挖基坑挖至坑底時正好相反，這可能與此處的雙隧道交匯，交匯處隧道空間和跨度較大有關(guān)，同時應(yīng)關(guān)注同一斷面測點數(shù)值升降的幅度疊加對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，值得以后有類似工程的研究。目前，這種情況未對地鐵隧道結(jié)構(gòu)造成風(fēng)險。