深圳地铁11号线车公庙综合交通枢纽工程两相邻基坑开挖对下卧运营隧道的影响

丁加亮，陈 江，余富先，唐贤海

(1.中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518000;2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

进入21世纪以来，随着我国地下轨道交通事业的快速发展，既有隧道受到上方基坑开挖影响的问题越来越突出。在既有隧道上方开挖基坑，必然导致坑底土体回弹和隧道隆起，当隧道变形值超过一定范围，就会影响隧道的安全运营，所以对基坑开挖引起的隧道变形有着严格地控制。

目前国内外许多学者针对基坑开挖对既有隧道的影响做过一些研究，张治国等［1］采用2阶段分析方法分析了上海市闸北区某基坑开挖对隧道的影响，考虑了不同隧道直径、隧道与开挖基坑的距离和不同地质条件等因素。姜兆华等［2］采用 Mindlin理论计算基坑开挖引起的附加应力，并施加于既有隧道结构上，计算得到隧道位移和内力。黄栩等［3］提出了Kerr地基模型计算基坑开挖引起既有隧道纵向变形的方法。然而他们的计算方法都没有考虑土体的非线性，而且只适用形状规则的基坑。魏纲［4］收集了国内14个基坑下方有隧道的基坑开挖实例，经过实测数据统计分析，提出了基坑开挖引起隧道最大位移值的经验公式。郑刚等［5］根据天津西站交通枢纽基坑的监测数据，认为分段压载、分块开挖并结合信息化施工可以有效地控制隧道的隆起变形。文献［6－12］利用三维数值计算软件分析基坑开挖对既有隧道的影响，对坑内未加固和加固后2种工况进行了计算，结果表明坑内加固可以使隧道隆起位移量控制在结构安全范围内。

以上研究都仅考虑单一基坑开挖对既有隧道的影响，本文分析了2个紧邻基坑开挖对隧道隆起的影响。以深圳地铁11号线车公庙站交通枢纽工程为依托，分析西端风道基坑开挖和紧邻11号线车站基坑开挖对既有深圳地铁1号线隧道的影响，采用三维数值计算手段和实测数据分析隧道隆起的规律和旋喷桩加固效果。

1 工程概况

西端风道位于深圳地铁11号线车公庙站西侧，紧邻11号线地铁车站和丰盛町地下商业街，风道宽约19.4 m，长约 35.8 m，基坑深约 8.1 m，风道内设集水井，集水井基坑深约9.4 m，均位于既有的1号线车竹区间隧道上方。风道主要位于深南大道中央绿化带范围内，南侧部分位于深南大道范围内(约6.5 m)。风道距离1号线车站约17.7 m。11号线车站为地下2层2柱3跨和3柱4跨结构，宽26.8 m，长414.28 m，基坑深度16.6～21.5 m，采用盖挖逆作法施工。11号线车公庙站北侧部分围护结构与1号线车公庙站共用围护桩，其余围护结构采用800 mm厚地下连续墙作为围护结构。

车公庙地区主要为上软下硬地层，主要有砾质黏土层、全风化花岗岩层和强风化花岗岩层，风化花岗岩遇水自稳性较差，而施工现场地下水位埋深很浅，基坑降水和开挖时，地表沉降很难控制，会影响邻近建筑物的安全。

由于西端风道受场地限制，需布置在既有1号线区间隧道上方，为提高基坑底部土体性能，避免风道基坑开挖造成的踢脚、管涌和基坑隆起等风险，西端风道采用φ600@450全方位高压喷射加固，采用42.5R普通硅酸盐水泥。西端风道加固范围与1号线区间相对位置关系见图1所示，旋喷桩施工流程如图2所示。旋喷桩加固施工时的关键技术与注意事项如下:

1)根据现场放线移动钻机，使钻杆头对准孔位中心。同时为保证钻机达到设计要求的垂直度，钻机就位后必须作水平校正，使其钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置，保证钻孔的垂直度不超过1%。

2)钻孔前必须先确定该孔所属区域和钻孔深度，并统计好每台机所有的钻杆长度，做到下管心中有数。

3)钻进成孔，孔径为φ125 mm，严格按已定桩位进行成孔，平面位置偏差不得大于50 mm，采用原土造浆护壁，在泥浆性能指标不能满足施工要求时，添加适当泥粉或膨润土。钻孔过程中要严格控制好钻孔深度，不得超深。

4)当注浆管贯入土中，喷嘴达到设计标高时，即可按确定的施工参数喷射注浆。喷射时应先达到预定的喷射压力，量正常后再逐渐提升注浆管，由下而上旋喷注浆。

5)每次旋喷时，均应先喷浆后旋转和提升，以防止浆管扭断。

6)配制水泥浆时，水灰比要求按设计规定，不得随意更改，在喷浆过程中应防止水泥浆沉淀，使浓度降低。

7)当MJS工法高压喷射注浆完毕，应迅速拔出注浆管彻底清洗浆管和注浆泵，以防止被浆液凝固堵塞。移动旋喷机至下一孔位。

图1 旋喷桩加固区平面和剖面图(单位:mm)Fig.1 Scope of consolidation by jet grouting piles(mm)

图2 旋喷桩加固流程图Fig.2 Flowchart of jet grouting

2 基坑开挖的三维数值分析

根据《车公庙详勘报告》，选取土层及基坑结构力学参数如表1所示。采用ABAQUS有限元分析软件建立西端风道基坑模型，模型大小为160 m×50 m×80 m，截取隧道长度35 m，模型共250 801个单元，如图3和图4所示，土体采用实体单元模拟，围护墙采用壳单元模拟，抗拔桩、混凝土支撑均采用梁单元模拟。基坑开挖和连续墙施作采用model change、remove和add生死单元。围护墙、抗拔桩、混凝土支撑和土体之间均采用tie接触。

表1 土层及基坑结构力学参数表Table 1 Mechanical parameters of different strata and foundation pit structure

图3 基坑的三维数值分析模型Fig.3 Three-dimensional numerical analysis model

图4 基坑与隧道的空间位置关系图Fig.4 Spatial relationship between existing tunnel and foundation pits

数值模拟步骤按照现场施工顺序，如下:

1)模型的地应力平衡;

2)施作11号线车站基坑连续墙和西端风道基坑连续墙;

3)对西端风道地基进行旋喷桩加固;

4)开挖11号线车站基坑顶板覆土，施作车站结构顶板，并回填顶板覆土;

5)除去西端风道的顶板覆土;施作混凝土支撑;

6)明挖法开挖西端风道;

7)开挖11号线车站基坑负1层土体;

8)施作西端风道底板;

9)施作11号线车站基坑负1层中板;

10)施作西端风道顶板，并回填顶板覆土。

2.1 基坑开挖对地铁1号线的影响数值分析

每层土体开挖之前，进行基坑降水(水位下降到该层土体下方0.5 m处)。由于基坑降水的作用，1号线左线和右线隧道结构出现先沉降后隆起的情况，将数值计算结果与现场监测数据分别从拱顶、拱腰和仰拱3个位置进行对比分析，见图5。完全位于西端风道基坑下方的左线隧道断面各测点的模拟值和实测值均大于右线隧道。左线隧道最大隆起实测值6.80 mm，右线隧道实测最大隆起实测值4.67 mm;左线隧道最大隆起模拟值5.81 mm，右线隧道模拟最大隆起模拟值为4.25 mm;而 QB/SZMC－10102—2010《深圳城市轨道交通地下工程监测技术规范》规定结构绝对变形量的预警值为10 mm(见表2);左右两线隧道数值分析和实测结果均满足规范要求，按设计方案施工基本合理，在施工过程中需要加强监测。

分别对左线隧道监测断面和右线隧道监测断面进行分析(见图6)，由于隧道衬砌弹性模量很大，近似于刚体，拱顶、拱腰和仰拱3个位置的测点沉降值比较接近。从图中看出，开挖11号线车站基坑负1层土体后，左右两线的隧道隆起值达到最大，左线隧道拱顶测点隆起模拟值为5.62 mm，实测值6.21 mm;左线隧道拱腰测点隆起模拟值为5.85 mm，实测值6.37 mm;左线隧道仰拱测点隆起模拟值为6.32 mm，实测值6.57 mm。右线隧道拱顶测点隆起模拟值为3.53 mm，实测值4.45 mm;右线隧道拱腰测点隆起模拟值为3.89 mm，实测值4.67 mm;右线隧道仰拱测点隆起模拟值为3.73 mm，实测值4.16 mm。

西端风道基坑开挖和11号线车站基坑开挖，左线隧道隆起较大，断面测点隆起值的大小顺序依次为仰拱、拱腰、拱顶，右线线隧道隆起较小，断面测点隆起值大小顺序依次为拱腰、仰拱、拱顶，数值计算结果与实测数据相符。

图5 左线和右线隧道各测点沉降分析Fig.5 Analysis on settlement of crown，haunch and invert of existing tunnel

2.2 西端风道旋喷桩加固效果分析

对西端风道地基，在采取旋喷桩加固和未采取旋喷桩加固2种工况进行了数值分析，如图7所示。工况1是对西端风道采取旋喷桩加固，工况2是对西端风道地基不采取任何加固措施。以拱顶测点为研究对象，从图7看出，完全位于西端风道下方的1号线左线隧道拱顶测点的隆起值明显大于部分位于西端风道下方的1号线右线隧道的隆起值。第4分析步到第7分析步，拱顶隆起变化明显，主要因为开挖11号线顶板覆土、开挖11号线负1层土体和开挖西端风道土体，隧道隆起速度比较明显，在工况2对西端风道不采取任何土体加固措施情况下，左线隧道拱顶隆起的最大累计位移为6.83 mm，在工况1对西端风道采取旋喷桩加固措施情况下，左线隧道拱顶隆起的最大累计位移为5.62 mm。左线隧道拱顶隆起西端风道的最大累计位移比未采取旋喷桩加固情况下拱顶隆起的最大累计位移减少了21.5%;在工况2条件下，右线隧道拱顶隆起的最大累计位移为4.65 mm，在工况1对西端风道采取旋喷桩加固措施情况下，左线隧道拱顶隆起的最大累计位移为3.87 mm。右线隧道拱顶隆起西端风道的最大累计位移比未采取旋喷桩加固情况下拱顶隆起的最大累计位移减少了20.2%;结果表明在采取旋喷桩加固地基情况下，既有隧道隆起的最大累计位移可以减少20%以上;可以有效地减少西端风道基坑开挖对位于西端风道下方的地铁1号线的影响。

图6 左右线隧道断面各测点沉降分析Fig.6 Analysis on settlement of existing tunnel

图7 2种工况下左线和右线隧道拱顶测点沉降的对比分析Fig.7 Crown settlement of existing tunnel in the case of jet grouting consolidation Vs.that without jet grouting consolidation

3 自动化监测

3.1 自动化监测简介及优势

随着自动化监测技术的快速发展，自动化监测技术在隧道结构变形的监测中应用越来越广泛。车公庙交通枢纽工程自动监测系统(见图8)主要由徕卡TS30测量机器人(见图9)、棱镜、供电与通讯系统和远程计算机系统等组成。按照《深圳城市轨道交通地下工程监测技术规范》、《工程测量规范》等规范的要求进行监测。变形监测采用徕卡SmartMonitor自动监测系统配合测量机器人TS30进行自动监测。变形监测以隧道结构安全监测为主，根据现场情况选取隧道结构重要部位布设监测点并安装棱镜，建立24 h的自动化监测系统。

图8 自动化监测系统的主要构成Fig.8 Main composition of automatic monitoring system

图9 测量机器人TS30Fig.9 Georobot TS30

自动化监测系统的优点:1)实现24 h不间断的自动监测;2)测量精度高，可以实现结构测点的三维监测;3)设置测量次数、测量周期以及变形量、变形速度、报警限差值和报警等级，当某点的位移值超限时，系统通过E-mail、手机短信等方式自动报警，使管理人员实时掌握监测动态情况;4)通过监测数据分析和SmartMonitor软件的控制，利用实时差分改正技术，消除了外界温度、湿度等因素引起的测量误差，实现高精度测量;5)自动化监测系统包含SmartAnalyzer数据处理分析模块，具有强大的数据处理能力，可以对数据进行平差计算、粗差检验，以及可以直接输出图表和监测报告。

3.2 隧道测点布置

地铁隧道结构变形监测断面布点位置:地铁仰拱监测点1个、拱顶监测点1个、拱腰监测点1个。全站仪安装位置里程为DK11+750，后视点里程为DK11+850(位于无变形区)，监测点里程范围为 DK11+630～+810，详细见图10。

图10 隧道监测断面测点布置示意图Fig.10 Layout of monitoring points

3.3 监测项目控制标准

既有运营的隧道对变形的要求非常严格，关于基坑开挖引起既有地铁隧道变形方面的规范，国内尚无相应的规范和控制标准。深圳市地铁集团有限公司根据深圳市城市环境、工程地质条件、水文地质条件以及深圳城市轨道交通地下工程建设采用的不同工法制定了企业技术标准QB/SZMC－10102—2010《深圳城市轨道交通地下工程监测技术规范》，既有地铁变形控制标准如表2所示。

表2 既有地铁变形控制标准Table 2 Control standard of deformation of existing Metro

自动化监测系统实现了24 h不间断自动化观测，不仅保证了测量的精度，也满足工程建设的需要，节省了劳动力成本，提高了工程的经济效益，为工程管理人员提供了决策依据。自动化监测代表着未来工程测量的发展趋势。

4 结论与讨论

通过坑内土体进行高压旋喷加固，利用ABAQUS三维数值分析软件进行数值分析，并结合现场实测数据，可得到如下结论:

1)既有地铁1号线隧道处于规范允许值的控制范围，西端风道基坑开挖，左线隧道隆起值较大，断面测点隆起值大小顺序依次为仰拱、拱腰、拱顶，右线线隧道隆起值较小，断面测点隆起值大小顺序依次为仰拱、拱腰、拱顶，计算结果与实测相符。

2)旋喷桩加固可以有效减少隧道隆起的位移，使既有隧道隆起的最大累计位移可以减少20%以上。

3)西端风道基坑和11号线车站基坑的开挖引起隧道的不对称变形，表现为近基坑侧的左线隧道变形大于远基坑侧的右线隧道变形。

4)数值分析的结果与现场实测数据具有较好一致性，可为以后类似工程建设提供参考和借鉴。

5)自动化监测系统实现了24 h的自动化观测，节省了劳动力成本，提高了工程的经济效益，代表了未来工程测量的发展趋势;这次测试数据只收集了2个断面，纵向变形需在以后研究中进一步分析。

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