填海區(qū)運(yùn)營地鐵上方深基坑施工技術(shù)研究

繆紹勇

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道交通項(xiàng)目與地下空間的開發(fā)迅速興起。地鐵上蓋空間、站點(diǎn)及周邊建設(shè)項(xiàng)目越來越多，施工帶來的風(fēng)險也越來越大，許多新建、改建和擴(kuò)建工程離地鐵非常近。施工過程中對土體的擾動，不可避免地將引起下臥土層和隧道結(jié)構(gòu)的變形。因此，施工過程中對鄰近地鐵隧道變形的影響，是我們需要密切關(guān)注的問題。不僅關(guān)系到地鐵隧道的正常使用及安全性，同時也決定了項(xiàng)目的進(jìn)程[1-10]。

1 工程概況

雙界河水廊道工程位于雙界河寶安大道橋—出?？诙危谏钲谑星昂：献鲄^(qū)的最北端，是前海合作區(qū)和寶安區(qū)的界河。雙界河水廊道總長約1.69 km，主槽寬度30～35 m，堤距155～263 m。本工程基坑主要為形成河道主槽，保證河道行洪及防風(fēng)暴潮安全。水廊道主槽底高程－2.00～－1.95 m，采用矩形布置形式。水廊道下方有多條運(yùn)營地鐵線路，如圖1所示。施工期間地鐵保護(hù)要求極高，地鐵隧道上浮不得超過10 mm。設(shè)計(jì)方案采用門式支架對地鐵隧道進(jìn)行保護(hù)。

圖1 雙界河與運(yùn)營地鐵線路立面空間關(guān)系

2 基于不同開挖條件下的有限元分析

2.1 初始條件設(shè)置

采用Plaxis有限元分析軟件進(jìn)行分析。Hardening-Soil模型采用3個不同的輸入剛度，即：三軸加載剛度、三軸卸載剛度和固結(jié)儀加載剛度，該模型使用了一條雙曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，所有的剛度隨著壓力的增加而增加，從而更符合實(shí)際情況。

1）分析對象。本次研究對象為前海市政工程三標(biāo)的雙界河水廊道進(jìn)行基坑開挖對下方地鐵保護(hù)區(qū)的影響。

2）分析模型。針對不同分析對象采用不同的單元類型和本構(gòu)關(guān)系，具體見表1，分析模型的底部采用全自由度約束，即水平、豎直向固定約束，側(cè)面采用法向約束，允許豎向變形。

表1 分析單元類型與本構(gòu)模型

采用圖2所示的典型門式加固進(jìn)行建模分析。

圖2 門式加固計(jì)算剖面示意

3）施工工況模擬。

① 初始應(yīng)力條件。初始應(yīng)力條件的確定是模型建立的一個關(guān)鍵問題。根據(jù)分析問題的不同，采用不同的初始應(yīng)力場?；娱_挖前場地存在初始應(yīng)力場，故首先按土體自重應(yīng)力場來模擬場地存在的初始應(yīng)力場。對于水平土層條件的初始應(yīng)力場可以采用KO系數(shù)法。在上述應(yīng)力場基礎(chǔ)上，初始化所有位移與應(yīng)變?yōu)榱悖瑑H保存其變化的應(yīng)力場作為基坑施工模擬的初始應(yīng)力場。

② 初始應(yīng)力狀態(tài)。采用有限元軟件中“單元生死”的方法，在基坑開挖前激活，考慮其對初始應(yīng)力場的影響，同時在場地現(xiàn)狀模擬對初始位移歸零，更直觀地反映出本次基坑開挖對下方地鐵保護(hù)區(qū)的影響。

③ 基坑開挖過程利用有限元軟件“單元生死”技術(shù)模擬，通過分步殺死土體單元，模擬土體開挖的全過程。

2.2 無措施開挖引起的地鐵隧道隆起

模擬無任何加固措施的情況下，進(jìn)行主槽基坑開挖時，基坑坑底隆起對地鐵隧道的影響。計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 下方左線地鐵變形（最大變形17.78 mm）

圖4 下方右線地鐵變形（最大變形17.83 mm）

根據(jù)上述模擬分析，主槽開挖引起的基底隆起對地鐵隧道會產(chǎn)生較大的影響，地鐵隧道向上隆起約17.8 mm。

2.3 頂部土體加固對地鐵隧道的影響

模擬打設(shè)完抗拔樁及采取地鐵隧道上方土體加固措施的情況下，進(jìn)行主槽基坑開挖時，基坑坑底隆起對地鐵隧道的影響。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 下方左線地鐵變形（最大變形13.47 mm）

圖6 下方右線地鐵變形（最大變形13.55 mm）

根據(jù)上述模擬分析，主槽開挖引起的基底隆起對地鐵隧道產(chǎn)生的影響略有減小，地鐵隧道向上隆起約13.6 mm。

2.4 有限元分析結(jié)果

綜合上述不同工況下的有限元分析，主槽開挖引起的坑底隆起對地鐵隧道的影響如表2所示。

表2 不同施工情況下基坑開挖對地鐵隧道變形的影響分析

由此可見，在地鐵隧道上方進(jìn)行土體地基加固，雖然會對隧道的抗隆抗浮產(chǎn)生一些有利作用，但效果并不顯著；當(dāng)?shù)罔F隧道上方門式結(jié)構(gòu)起抗浮作用時，隧道變形效果明顯。

然而，按原方案分2次開挖，開挖至標(biāo)高1.0 m處時，土體已經(jīng)卸載，開始施工抗拔樁、高壓旋噴樁，以及二次開挖再形成門式結(jié)構(gòu)需要較長的工期，地鐵隧道變形仍然很可能會超過10 mm的限值。

因此，需要改進(jìn)施工方案，首先要確?？拱螛?、高壓旋噴樁施工期間的隧道穩(wěn)定，其次要加快地鐵隧道上方門式結(jié)構(gòu)的形成，并使其盡快起到抗浮抗隆作用。

3 綜合抗浮防變形措施及實(shí)施效果

如何加快地鐵隧道上方門式結(jié)構(gòu)的形成，并快速起到抗浮抗隆作用是本工程的關(guān)鍵。因此，在門式結(jié)構(gòu)形成并起到抗浮抗隆作用之前，需要采用相應(yīng)的抗浮措施，盡可能降低地鐵隧道的不均勻隆起變形，起到保護(hù)地鐵運(yùn)營線路的作用。

3.1 提高地鐵隧道上方抗拔樁和土體地基加固措施作業(yè)面

先進(jìn)行抗拔灌注樁和高壓旋噴樁土體地基加固施工，再進(jìn)行分期分層開挖。該段地鐵上方原有填海區(qū)覆土厚度本身較少，由于一期開挖后因灌注樁施工工期導(dǎo)致地鐵上方卸載時間較長，造成隧道結(jié)構(gòu)變形值增大。減少地鐵因上方深基坑開挖卸土，加固形式未能及時有效形成期間產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素，保證運(yùn)營地鐵線路的安全可靠。此優(yōu)化方案雖然增加了少量空樁造價，但是對地鐵保護(hù)施工卻起到了極大的作用。

3.2 降水抗浮措施

通過布置降水井實(shí)施基坑降水，有效降低隧道所受向上浮力。同時，降水能夠加快土體的固結(jié)，起到抑制隧道上浮的作用。優(yōu)化取消原各地鐵線路采用的電滲降水方案，改為井點(diǎn)降水，并加密降水井布置的措施，同時將降水井深度加深1～2倍。此處理措施主要考慮該區(qū)域鄰海，早晚期間潮汐漲落導(dǎo)致水位變化較大，水頭差壓力變化明顯，特別是鄰近出?？趦H500 m的5號地鐵線，為保證基坑開挖期間水位穩(wěn)定，減少地鐵保護(hù)范圍內(nèi)的水位影響。該措施落實(shí)施工一個月后，水位最多較原方案降低了5 m，針對流砂對降水井產(chǎn)生的堵塞、埋井等影響也得到有效改善，且各地鐵線路上浮數(shù)值有所降低，優(yōu)化措施效果明顯。

3.3 分塊開挖卸荷措施

將原來的放坡開挖形式改為地鐵保護(hù)區(qū)兩端同時采用豎井進(jìn)行開挖。此處理措施主要考慮放坡開挖一方面需要增大地鐵上方的土方卸載量，造成基坑加固不穩(wěn)定性，另一方面放坡開挖需要施工時間相對較長，給門式抗浮結(jié)構(gòu)的加固造成一定的延后，增加了地鐵保護(hù)的不穩(wěn)定性。此優(yōu)化方案不僅大量減少了地鐵上方的卸土量，還能適當(dāng)縮短地鐵上方基坑開挖過程地基加固處理的時間，減少施工挖土卸荷對地鐵上浮的影響，確保地鐵能盡早得到保護(hù)。通過此優(yōu)化挖土方式，將原來單塊地鐵保護(hù)區(qū)段的施工卸土作業(yè)時間12 d（不包含灌注樁施工暴露時間）縮短至8～10 d，有效縮短了門式抗浮結(jié)構(gòu)起到加固作用的時間，地鐵上浮監(jiān)測數(shù)據(jù)有效降低，并更早地趨于穩(wěn)定數(shù)值。

3.4 “門式結(jié)構(gòu)”快速形成技術(shù)

從若干不同開挖條件下的基坑開挖引起地鐵隆起的有限元分析結(jié)果可知，當(dāng)“門式結(jié)構(gòu)”形成并開始起作用后，對地鐵隧道抗隆起等的整體保護(hù)作用十分顯著，如何加快“門式結(jié)構(gòu)”的形成，使其盡快參與對地鐵的保護(hù)作用，是十分必要的。因此需結(jié)合現(xiàn)場條件，總結(jié)形成“門式結(jié)構(gòu)”快速形成技術(shù)。每一分區(qū)豎井開挖到底后采用預(yù)制裝配式混凝土梁和蓋板安裝理論上只需要2 d的時間就能完成一塊施工段的門式抗浮結(jié)構(gòu)段，且其僅需澆筑節(jié)點(diǎn)部位混凝土，澆筑方量小，通過摻入早強(qiáng)劑或提高混凝土強(qiáng)度等級等措施，能夠大大加快“門式結(jié)構(gòu)”的形成并縮短其起作用的時間。

4 施工效果

施工過程中通過此優(yōu)化挖土方式，將原來單塊地鐵保護(hù)區(qū)段的施工卸土作業(yè)時間12 d（不包含灌注樁施工暴露時間）縮短至8～10 d，有效縮短了門式抗浮結(jié)構(gòu)起到加固作用的時間，地鐵隧道始終處于穩(wěn)定和安全的可控狀況。施工過程各項(xiàng)地鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，累計(jì)變形均控制在7 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求的10 mm以內(nèi)，地鐵結(jié)構(gòu)變形得到有效控制，施工工期得到有效加快。本工程于2017年年底順利完成所有4條已運(yùn)營地鐵線路保護(hù)區(qū)段內(nèi)的施工內(nèi)容，并回填土至設(shè)計(jì)河槽底標(biāo)高。

5 結(jié)語

單一的加固方式無法控制地鐵隧道變形影響，更無法保證上方地鐵運(yùn)營的安全。利用基坑開挖“時空效應(yīng)”，加快土方開挖，配合預(yù)制裝配式工藝，及早形成門式結(jié)構(gòu)，顯著提高對地鐵隧道的保護(hù)作用。實(shí)際過程中，門式結(jié)構(gòu)應(yīng)與其他綜合抗浮防變形措施相互配合。該綜合門式結(jié)構(gòu)加固可應(yīng)用于其他類似工程，在運(yùn)營中的地鐵隧道加固方面應(yīng)用前景廣闊。