地鐵隧道變形控制門架式保護(hù)方案研究

彭 琦

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，518029，深圳∥高級(jí)工程師)

臨近地鐵的工程項(xiàng)目施工，不可避免地會(huì)對(duì)已建地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響[1-5]。在地鐵隧道上方開挖基坑，開挖卸荷引起坑底地層回彈變形，亦會(huì)造成下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形。大面積的基坑開挖引起隧道隆起變形現(xiàn)象更加突出，一方面因?yàn)榛娱_挖帶來的大范圍卸荷，引起地層和隧道產(chǎn)生較大隆起變形；另一方面會(huì)造成基坑底部地層擾動(dòng)，地層力學(xué)指標(biāo)降低，加劇隆起變形。目前，研究主要集中在理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算和工程措施等方面。文獻(xiàn)[6-8]采用數(shù)值模擬方法，對(duì)基坑開挖引起臨近既有隧道變形的影響規(guī)律、影響因素等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了改進(jìn)計(jì)算方法，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度；文獻(xiàn)[9-10]結(jié)合具體工程案例，針對(duì)既有地鐵隧道正上方基坑開挖引起的變形控制措施進(jìn)行了深入分析。一般而言，分段、分層、分步開挖，減小卸荷面積和強(qiáng)度，加固隧道上方土體等措施可有效減小下方隧道的隆起變形。對(duì)于地層條件差、開挖深度深、基坑底部與隧道間的夾土厚度薄、隧道隆起變形控制難度高的情況，地鐵隧道門架式保護(hù)方案是有效的控制措施[10]。

本文以深圳市前海市政工程雙界河水廊道工程為例，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，系統(tǒng)地分析了地鐵隧道門架式保護(hù)方案在工程中的運(yùn)用，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

雙界河水廊道工程位于深圳市前海合作區(qū)，該工程的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了河道防洪、水質(zhì)提升、生態(tài)景觀建設(shè)等目標(biāo)。雙界河水廊道工程將現(xiàn)狀雙界河主槽向南偏移35 m，主槽寬度為30～35 m，堤距為155～263 m，主槽開挖段地面平均高程為4.33 m，地下水平均高程約1.58 m，平均開挖深度約6.70 m。已建深圳地鐵1號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“1號(hào)線”)、5號(hào)線，前海車輛段左、右出入線，11號(hào)線與雙界河水廊道存在交叉關(guān)系，見圖1。交叉區(qū)段內(nèi)1號(hào)線隧道頂板高程約-8.0 m，5號(hào)線隧道頂板的平均高程約-6.3 m，11號(hào)線隧道頂板高程約-11.0 m。雙界河水廊道工程部分開挖區(qū)段位于地鐵隧道結(jié)構(gòu)的正上方，位置敏感，工程難度和風(fēng)險(xiǎn)較大[11]。

圖1 雙界河水廊道工程與地鐵線路平面位置關(guān)系圖

雙界河水廊道工程場(chǎng)地內(nèi)自上而下分布的巖土層如下：① 雜填土，局部分布，層厚約3.20 m；② 填石層，以塊石為主，其間隙充填礫質(zhì)黏性土、砂土或碎石土，平均厚度約5.17 m；③ 軟土，其性質(zhì)基本上同濱海相淤泥，平均厚度約3.5 m，原位十字板剪切試驗(yàn)強(qiáng)度平均值為8.9 kPa；④ 淤泥質(zhì)土，局部分布，平均厚度為1.87 m，標(biāo)貫平均擊數(shù)為4.5擊；⑤ 殘積土層，場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛、連續(xù)，為花崗巖風(fēng)化殘積而成，平均厚度為5.46 m，標(biāo)貫平均擊數(shù)為14.3擊；⑥ 下伏基巖地層，分布廣泛且連續(xù)穩(wěn)定，基巖多已風(fēng)化為全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、弱風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖，風(fēng)化較強(qiáng)烈，風(fēng)化帶較厚[11]。

地鐵隧道主要位于淤泥質(zhì)土和殘積土層中。

2 地鐵隧道門架式保護(hù)設(shè)計(jì)方案

1號(hào)線、5號(hào)線及前海車輛段左出入線同本工程水廊道平面上存在交叉關(guān)系，交叉段開挖深度為3～7 m。

地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，管片直徑為6.0 m，厚0.3 m。地鐵隧道采用門架式結(jié)構(gòu)的整體保護(hù)方案。如圖2～3所示，以1號(hào)線保護(hù)區(qū)段為例，地鐵隧道兩側(cè)打設(shè)截水旋噴樁。旋噴樁樁徑為800 mm，樁間距為650 mm，樁長(zhǎng)為6 m；實(shí)施井點(diǎn)降水，井深11 m。本工程實(shí)施分期、分段施工，分段長(zhǎng)度為10 m。首先進(jìn)行第1層土體開挖，再放坡開挖第2層土體至標(biāo)高1.0 m上，形成臨時(shí)施工平臺(tái)；在兩隧道兩側(cè)3.5 m范圍外共打設(shè)3排鉆孔灌注樁(樁頂標(biāo)高約-2.0 m)，灌注樁樁徑為1.2 m、間距為4 m、樁長(zhǎng)為16 m，樁體起抗拔作用；對(duì)標(biāo)高-2.0 m以下隧道上部土體進(jìn)行注漿加固；放坡開挖至主槽底設(shè)計(jì)標(biāo)高(約為-2.0 m)處時(shí)，在灌注樁樁頂澆筑鋼筋混凝土蓋板，灌注樁與蓋板澆筑固結(jié)，形成門架式結(jié)構(gòu)，以減小隆起變形；最后進(jìn)行大范圍的平層開挖，完成雙界河水廊道斷面范圍內(nèi)的土體開挖[11]。

注：除標(biāo)高以m計(jì)外，其余單位均為mm，圖3同。

圖3 地鐵隧道門架式保護(hù)結(jié)構(gòu)縱斷面Fig.3 Profile-section of metro tunnel door protection structure

3 地鐵隧道門架式保護(hù)方案數(shù)值分析

為了全面分析雙界河水廊道工程土方施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，以1號(hào)線保護(hù)區(qū)段為例，采用數(shù)值模擬方法，分別對(duì)門架式護(hù)方案、注漿加固保護(hù)方案和不采取加固保護(hù)方案等3種方案下地鐵隧道和巖土體的應(yīng)力、變形進(jìn)行了模擬，并對(duì)比分析了地鐵隧道變形及其分布特征。

3.1 基坑開挖流程

門架式加固保護(hù)方案、注漿加固保護(hù)方案和未采取加固保護(hù)方案3種方案下土層開挖都為由高到低逐層開挖。為了保證對(duì)比分析的可靠性，3種方案的分級(jí)逐層開挖方式都一致，僅在具體加固保護(hù)步驟不同。根據(jù)實(shí)際的施工步驟，首先進(jìn)行第1層土的開挖，土體厚約1.5 m；再放坡開挖第2層土，第2層土開挖完成后,根據(jù)門架式加固保護(hù)方案需進(jìn)行注漿和抗拔樁施工；而后進(jìn)行基坑下層土體的放坡開挖，最后進(jìn)行平層開挖至設(shè)計(jì)高程。每次開挖步完成后，進(jìn)行收斂計(jì)算來模擬該開挖過程土體的應(yīng)力釋放和變形過程，然后進(jìn)入下一個(gè)開挖步計(jì)算[12-14]。

3.2 模型的建立

以1號(hào)線保護(hù)區(qū)段為例，采用FLAC3D巖土數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析。巖土體物理力學(xué)參數(shù)參考地勘資料和《工程地質(zhì)手冊(cè)》，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)選取，見表1。

表1 1號(hào)線保護(hù)區(qū)段巖土體物理力學(xué)參數(shù)

土體開挖的降水過程通過model flnull單元來實(shí)現(xiàn)，抗拔樁通過FLAC3D自帶的pile單元來模擬；隧道盾構(gòu)管片和蓋板結(jié)構(gòu)通過實(shí)體單元來模擬，彈性模量取25 GPa。模型邊界采用法向位移約束，地面為自由面。在基坑開挖過程加載模擬中，巖土體均采用彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

以門架式保護(hù)方案為例，整個(gè)數(shù)值模擬流程可以分為以下5個(gè)步驟：① 建立1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行開挖施工；② 雙界河水廊道淺層第1層土的開挖；③ 雙界河水廊道淺層第2層土的開挖；④ 門架式結(jié)構(gòu)施工與土體開挖；⑤ 完成雙界河水廊道開挖和支護(hù)工程。

3.3 基坑開挖過程數(shù)值模擬分析

以門架式保護(hù)方案模擬為例，建立1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)模型，再按照實(shí)際施工流程進(jìn)行雙界河水廊道基坑開挖施工模擬。

3.3.1 基坑淺層土體開挖模擬

雙界河水廊道淺層(第1～2層)土體開挖至注漿施工平臺(tái)，開挖土體厚約3.33 m。開挖前，先降水后開挖。開挖時(shí)，首先進(jìn)行平層開挖，然后進(jìn)行放坡開挖，開挖土體主要為填石?；拥装寰嚯x隧道結(jié)構(gòu)約7 m，且此階段土體開挖未采取加固措施。通過模擬分析，基坑底板的回彈變形為10.63 mm，引起的隧道結(jié)構(gòu)的最大隆起變形為7.45 mm。

3.3.2 門架式結(jié)構(gòu)施工和基坑土體開挖模擬

開挖至注漿施工平臺(tái)后，進(jìn)行隧道上部土層的注漿加固和抗拔樁的施工；開挖至蓋板處后，再進(jìn)行蓋板的施工。該施工步完成后隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形為9.40 mm。

3.3.3 基坑大范圍平層土體開挖模擬

大范圍平層開挖為基坑土體開挖的最后一個(gè)施工步，此階段需進(jìn)行基坑兩側(cè)放坡坡體的大范圍開挖卸荷施工?；油馏w開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)的累積隆起變形為9.86 mm。這得益于平層土體開挖卸荷引起的隧道結(jié)構(gòu)變形本身就較小，以及門架式結(jié)構(gòu)和注漿土體的抗隆起變形能力。

3.3.4 抗拔樁加長(zhǎng)前后對(duì)比分析

門架式加固保護(hù)方案設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為19 m；而對(duì)比方案中擬增加樁長(zhǎng)5 m，樁長(zhǎng)達(dá)到24 m。對(duì)兩種樁長(zhǎng)下地鐵隧道的隆起變形進(jìn)行了比較分析。增加樁長(zhǎng)后，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最終變形為9.48 mm，相比未增加樁長(zhǎng)時(shí)減小了約0.38 mm，效果不明顯，綜合效益不高。

3.4 地鐵隧道保護(hù)方案對(duì)比分析

圖4為3種方案下地鐵隧道隆起變形對(duì)比。主要表現(xiàn)的現(xiàn)象和特征有：

1) 采用加固措施后，地鐵隧道隆起得到了抑制，變形明顯減小，尤其是采用門架式加固保護(hù)方案后，地鐵隧道隆起變形控制在10 mm以內(nèi)，滿足地鐵保護(hù)區(qū)的要求。

2) 相比另外兩種方案，門架式加固保護(hù)方案實(shí)施后，地鐵隧道及臨近巖土體隆起變形明顯比兩側(cè)變形小。說明該方案有效減小了地層和隧道的變形，驗(yàn)證了方案的有效性和合理性。

圖4 3種施工方案下地鐵隧道隆起變形對(duì)比圖

4 地鐵隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑開挖時(shí)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形，獲取隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，在隧道內(nèi)進(jìn)行了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，主要對(duì)開挖影響區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了斷面變形監(jiān)測(cè)。1號(hào)線保護(hù)區(qū)段監(jiān)測(cè)平面布置和監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置見圖5～6，每條隧道每10 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

注：S1—S8為監(jiān)測(cè)斷面。圖5 1號(hào)線保護(hù)區(qū)段監(jiān)測(cè)平面布置圖Fig.5 Layout of Line 1 protection section monitoring plan

注：R為曲線半徑，單位為mm。圖6 1號(hào)線保護(hù)區(qū)段隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

采取門架式加固保護(hù)方案后，對(duì)圖7和表2中地鐵隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合度較高?；訙\層土體開挖過程中，由于卸荷范圍和卸荷強(qiáng)度較大，且對(duì)下方隧道未采取相關(guān)的加固保護(hù)措施，該階段地鐵隧道隆起變形較大；進(jìn)行土體加固和門架式結(jié)構(gòu)施工后，地鐵隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為7.80 mm，比數(shù)值模擬結(jié)果小，隧道隆起變形得到明顯控制，滿足地鐵保護(hù)區(qū)隧道結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)規(guī)定。

圖7 地鐵隧道拱頂隆起現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比圖

表3 1號(hào)線隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

1) 相比注漿加固保護(hù)方案和未采取加固保護(hù)方案，門架式保護(hù)方案對(duì)地鐵隧道變形的控制針對(duì)性更強(qiáng)，效果更加明顯，安全保護(hù)性更可靠。

2) 門架式保護(hù)結(jié)構(gòu)中抗拔樁加長(zhǎng)到一定程度后，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)控制地鐵隧道變形的效果不明顯，綜合效益不高。

3) 后續(xù)需根據(jù)不同地質(zhì)條件、不同隧道型式等因素，深入分析門架式保護(hù)結(jié)構(gòu)的型式及其相關(guān)參數(shù)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。