砂卵石地层地铁隧道上方基坑开挖卸载影响与对策分析

戴志仁, 王天明, 杜 宇, 汪 珂, 向 阳

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043；2. 陕西省铁道及地下交通工程实验室, 陕西 西安 710043)

砂卵石地层地铁隧道上方基坑开挖卸载影响与对策分析

戴志仁1, 2, 王天明1, 2, 杜 宇1, 汪 珂1, 向 阳1

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043；2. 陕西省铁道及地下交通工程实验室, 陕西 西安 710043)

在富水砂卵石地层条件下，地铁盾构隧道上方基坑大范围开挖卸载会对下卧盾构隧道产生不利影响。为确保地铁运营安全，对下卧盾构隧道隆起与变形趋势进行研究，从减小基坑开挖卸载的影响程度与增大隧道纵向刚度2方面着手，通过在盾构隧道内设置预应力锚索、轨道道床内设置暗梁结构并与管片叠合处理以及临时槽钢纵向固定等措施的综合应用，减小纵向不均匀变形趋势，同时采用管幕法超前支护形成压顶梁，并对上方基坑开挖采用“竖向分层、纵向分段、先支后挖”的基本原则，将盾构隧道的变形控制在毫米级范围，满足了地铁正常运营要求。

砂卵石地层； 基坑开挖； 卸荷； 地铁隧道； 隧道管片； 预应力锚索； 叠合构件

0 引言

近年来，随着国家新一轮基础设施建设规划在各地的逐步落实，城市轨道交通建设又迎来了新一轮建设高潮，同时城市轨道交通周边环境的保护问题更需要引起重视[1]。为确保地铁运营安全，地铁隧道周边50 m范围内属于建设控制地带，邻近3 m范围内不能进行任何工程建设[2]；但由于地铁运营可显著带动周边地块价值的上升，地铁隧道正上方或邻近工程的建设屡见不鲜[3]，对地铁的正常运营形成安全隐患。刘淼[4]对西安地铁出入段线上跨盾构区间进行研究，明确了基坑开挖与回填对下卧盾构隧道的卸载与加载效应影响较大；李平等[5]提出了可利用坑底地层加固与抗浮板桩相结合的措施，抑制下方隧道的隆起位移；李瑛等[6]对基坑下卧地铁隧道的变形进行了研究，提出了坑底地层加固与分层分块开挖的控制措施；于加新[7]提出了软土地层基坑开挖引起坑底的回弹变形量的估算方法；俞缙等[8]肯定了基坑底部地层加固处理对抑制下方隧道隆起的控制效果；王俊等[9]指出用作隧道上方高层建筑荷载转换构件的支撑桩传递的水平向荷载对隧道衬砌而言属于有利荷载。

纵观国内外文献资料与工程案例，地铁与其他市政工程或地块开发建设的协调问题，一般应在规划阶段予以解决。本文基于富水砂卵石地层条件下，成都地铁某盾构隧道，面临上方市政框架隧道施工，市政框架隧道基坑开挖期间，下卧盾构隧道覆土将由14 m减少至2.1 m，卸载比超过80%，隧道完全位于基坑底部卸载影响范围内,将从减小基坑开挖卸载影响程度、提高隧道抵抗纵向不均匀变形能力2方面着手，将基坑开挖期间下卧盾构隧道的变形控制在毫米级范围。

1 工程概况

1.1工程简介

成都地铁某区间隧道主要分布在富水砂卵石地层，在里程DK17+360～+400内穿越宝成铁路(咽喉区)。隧道拱顶埋深10.8～17.8 m，铁路咽喉区涉及6股道，碎石道床。地层物理力学参数如表1所示。地下常水位约为-6 m。在管棚施工期间，需将水位降至-20 m(群井降水要求)。

表1 地层物理力学参数

地铁建成通车后，对铁路咽喉区进行改造，同时市政框架隧道也将同步实施。市政基坑平面尺寸为53 m×59 m，盾构隧道与基坑底部最小竖向净距为2.1 m(基坑开挖深度为11.9 m)，具体如图1—3所示。

图1 区间纵断面示意图(单位： m)

图2 基坑与隧道平面关系图(单位： m)

图3 地铁隧道与市政框架隧道断面关系图

1.2安全控制标准

为确保地铁正常运营与公众安全，基于既有工程经验与相关规范[10-11]，同时考虑到富水砂卵石工程经验相对欠缺，从严制定了已运营盾构隧道风险控制标准，具体如表2所示。

表2 已运营地铁安全控制标准

2 基坑开挖卸载影响分析

本工程基坑开挖深度约为12 m，由于隧道与坑底距离较近，坑底的变形在一定程度上可以体现盾构隧道的变形情况，现有条件无法保证地铁隧道运营期的安全。

卸荷模量Euf与土体应力路径密切相关，具体可用式(1)和式(2)表示。

(1)

(2)

对于本工程而言，当基坑开挖深度为12 m时，将相关参数代入式(1)和式(2)，相应的卸荷模量约为35.2 MPa，与卵石土的变形模量(中密卵石土可按30 MPa考虑)基本相当，这可能是基坑开挖后坑底地层存在回弹隆起趋势的主要原因。

既有研究表明，基坑开挖必将导致坑底土体卸载，在软塑性黏土地层条件下，坑底土体回弹量可达到基坑开挖深度的0.5%H～1.0%H。成都地区富水卵石土地层，由于土体压缩模量与卸载模量相差不大，同时卸载模量较大，坑底土体隆起变形相对较小。现场实测结果显示，坑底隆起变形不超过开挖深度的2.0‰。即在常规设计方案(即未采取特殊保护措施的基坑设计方案)与施工技术水平条件下，本工程基坑底部隆起变形最大值约为24 mm(数值计算相关分析详见第5部分)，对应的隧道竖向位移最大值已经超出表2的控制要求(14 mm>10 mm)。常规方案下坑底与隧道竖向位移等值线图如图4所示。

图4 常规方案下坑底与隧道竖向位移等值线图(单位： m)Fig. 4 Contour map of longitudinal displacements of foundation pit bottom and tunnel(unit: m)

3 盾构隧道纵向刚度加强措施及其效果评价

由于管片环纵向接缝的存在，导致盾构隧道的纵向刚度相对较小，容易出现纵向不均匀变形。在采取管片加强配筋、提高接缝螺栓等级的情况下，如何进一步提高隧道纵向刚度，提高纵向不均匀荷载的承载能力，是本工程必须要解决的核心问题。

3.1超前管幕及其压顶梁实施效果

区间隧道下穿铁路咽喉区，采用管幕法超前支护，确保盾构掘进引起的扰动与地层损失在可控范围内。地铁隧道上方管幕布置断面如图5所示。

图5 地铁隧道上方管幕布置断面图(单位： cm)Fig. 5 Cross-section showing layout of pipe curtain above metro tunnel (unit: cm)

由图5可知： 管幕纵向长度为51.5 m，直径为800 mm，间距为850 mm，上下设置2道，下穿框架隧道底板以下与隧道拱顶左右180°范围内设置，管幕间设置锁扣，总计67根，在桥墩基坑内由南向北打设。管幕打设完毕后，在内灌注微膨胀水泥砂浆，加强纵向刚度。

在基坑开挖期间，实施分块、分层、分区域开挖，已实施管幕可在一定程度上起到压顶梁的作用，从而限制基坑下方隧道的隆起变形趋势。

3.2抗拔锚索设置及其效果评估

基于成都地铁盾构管片限界条件，在建筑限界与隧道内径之间仅预留了100 mm的富余。为确保地铁运营安全，所有的附加措施不能突破此预留空间。

针对性地提出预应力锚索处理措施，即每环管片设置7个张拉点(相应位置管片需要预留孔洞条件)，100 m范围内共计933个张拉点，每根锚索长约10 m，固定端长约8 m。预应力锚索设置断面如图6所示。

图6 预应力锚索设置断面图

预应力锚索属于柔性结构，可以在一定程度上抑制隧道的隆起变形，但无法从根本上消除隧道的隆起趋势，通过计算分析，每个位置处设置3根直径15.2 mm钢绞线。预应力锚索如图7所示。

图7 预应力锚索详图

3.3道床内纵向暗梁与叠合式构件

道床结构一般是在隧道洞通后浇筑的，虽与拱底处隧道结构紧密接触，但两者之间并不存在剪力与弯矩的传递，可按常规复合式构件考虑，故道床结构型式对隧道的纵向整体刚度影响不大。

道床基础主要承受来自列车运营产生的竖向荷载，横向受力为主，纵向受力为辅，故纵向可按构造配筋考虑。通过加强结构配筋，形成纵向暗梁结构，加强纵向刚度。对道床基础与拱底处隧道接触部位进行界面处理，先将隧道内表面进行凿毛处理，随后涂刷环氧树脂，最后浇筑道床基础，将道床基础与隧道粘合为一个整体构件，形成具有整体承载效应的叠合式构件。特殊减振道床整体情况如图8所示。道床内暗梁设置示意如图9所示。

图8 特殊减振道床整体情况

图9 道床内暗梁设置示意图

道床基础采用C40混凝土，纵向采用28根φ20 mm的HRB400E级螺纹钢，最大程度提高其纵向刚度。

3.4隧道纵向槽钢拉结方案

在隧道运营期间，为进一步加强纵向刚度抵抗不均匀荷载的能力，在隧道内部设置纵向槽钢(主要在“10点钟”与“2点钟”方向)，每段槽钢长约9 m，采用I22b槽钢(截面高度为79 mm，满足限界要求)。隧道内槽钢拉结实景如图10所示。

图10 隧道内槽钢拉结实景图

槽钢主要通过管片螺栓孔进行固定，具体位置可能会根据螺栓孔进行调整。对于管片采用预埋滑槽的隧道而言，可实现任意角度槽钢的纵向拉结。

4 基坑开挖卸载控制措施研究

在地层条件、基坑深度一定的情况下，基坑支护与开挖方式对坑底地层的卸载与隆起趋势起到控制性作用。1)必须结合建设工期、基坑深度、地层条件，基于分层、分块、分区域的理念，严格按照“竖向分层、纵向分段、先支后挖”的原则开挖，同时采用“桩+内支撑”支护方式; 2)隧道正上方6 m范围内土体开挖设置试验段，视监测情况确定相应处理方案; 3)在基坑施工期间，地下水位需控制在隧道结构底板以下1 m。隧道上方基坑分区域开挖示意如图11所示。

图11 隧道上方基坑分区域开挖示意图Fig. 11 Sketch of longitudinal segmentation excavation of foundation pit

市政通道基坑分为南北2部分实施，南段基坑在地铁隧道施工前完成，北段基坑由西向东分为4部分(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)开挖。

步骤1： 北段第Ⅰ部分基坑开挖。围护桩施工、施工降水、基坑分层开挖(2 m/层)，施作主体结构。

步骤2： 北段第Ⅱ部分基坑开挖可参考第Ⅰ部分。

步骤3： 北段第Ⅲ部分基坑开挖。分层开挖至基坑底部以上6 m，坑底以上6 m范围内土体采用竖向分层、纵向分段方式开挖(设置6 m长试验段)。隧道上方6 m覆土基坑开挖试验段示意如图12所示。

图12 隧道上方6 m覆土基坑开挖试验段示意图(单位： mm)Fig. 12 Sketch of excavation test of foundation pit 6 m above tunnel (unit: mm)

步骤4： 北段第Ⅳ部分基坑开挖可参考第Ⅲ部分。

5 数值模拟分析

为确保地铁运营安全，采用MIDAS/GTS进行模拟分析，模型尺寸为320 m×110 m×56 m(长×宽×高)，共由60万4 154个单元、57万1 573个节点组成，采用位移边界条件，数值模拟关键技术如下。

1)本构模型采用修正摩尔-库仑，地层采用实体单元模拟，盾构隧道与市政框架隧道结构采用梁板单元模拟，管棚与基坑围护结构采用植入式锚杆单元模拟。

2)隧道上半断面注浆加固通过地层力学参数的改变来体现，按水泥土参数考虑。

3)道床线荷载按17.5 kN考虑。

4)盾构管片采用C50钢筋混凝土，预应力锚索采用3φ15.2 mm钢绞线，基坑围护结构采用φ1 200 mm@2 000 mm，C35灌注桩(围护桩嵌入比为0.3)，内支撑采用φ169 mm钢管撑。

三维计算模型和最不利断面处计算模型如图13所示。

5.1竖向位移等值线图

基坑开挖完成后的竖向位移等值线图如图14所示。基坑开挖中下卧盾构隧道竖向位移变化如表3所示。

由图14和表3可知： 通过综合运用多种措施，最终将隧道正上方基坑开挖卸载的影响控制在毫米级(隧道拱顶最大隆起值为9.6 mm，拱底最大隆起值为7.5 mm)，达到了规范的控制要求，满足了地铁安全运营的要求。

同时，通过进一步分析发现，沿隧道纵向，任意10 m范围内差异变形不大于4 mm，满足了纵向变形曲率≤1/2 500的要求。

(a) 三维计算模型

(b) 最不利断面处计算模型

图14 东侧辅道基坑开挖完成时竖向位移等值线(单位： m)Fig. 14 Contour map of vertical displacement of tunnel after east foundation pit excavation (unit: m)

表3基坑开挖中下卧盾构隧道竖向位移变化
Table 3 Vertical displacements of tunnel during excavation of upper foundation pit

mm

5.2锚索应力分析

东侧辅道基坑开挖完成后(最不利工况)，预应力锚索的轴力如图15所示。

图15 锚索轴力分析(单位： kN)Fig. 15 Axial force analysis of prestressed anchor rope (unit: kN)

由图15可知: 基坑开挖完成后，预应力锚索轴力最大值将近100 kN，小于锚索承载能力。

5.3管片内力与配筋分析

东侧辅道基坑开挖完成后(最不利工况)，盾构隧道管片内力与配筋情况如图16、图17和表4所示。

图16 管片弯矩图(单位： kN·m)Fig. 16 Bending moment diagram of tunnel segment (unit: kN·m)

图17 管片轴力图(单位： kN)

管片部位内力弯矩/(kN·m)轴力/kN配筋/mm2计算实际拱顶30．5249．1600拱腰47．6114．3600拱底82．6383．99101625(8@16mm)

由图16、图17和表4可知： 基坑开挖完成后，盾构隧道管片最大内力值出现在隧道拱底附近，相应最大弯矩值为82.6 kN·m，最大轴力值为383.9 kN，每延米配筋为8@16 mm，即1 625 mm2即可满足要求。

进一步观察发现，基坑开挖卸载会导致下卧盾构隧道内力出现一定的偏转(向基坑方向)，尤其是右线隧道弯矩值(见图16)，这会导致相应位置处管片纵缝接触方式发生变化： 拱顶处接缝内侧张开量会减小甚至闭合，加剧管片的裂缝与破碎风险；接缝外侧张开量会增大，不利于接缝防水，在实际工程中应引起重视。

6 结论与建议

本文基于成都地铁某区间隧道工程建成通车后，上方基坑施工导致大范围卸载，对下方已运营地铁隧道造成安全隐患，主要结论如下。

1)针对基坑开挖对下卧盾构隧道的影响，可从减小基坑开挖卸载的影响(竖向分层、纵向分段、先支后挖，坑底以上6 m范围内土体单次开挖范围大于2 m)、提高隧道抵抗纵向不均匀变形能力2个方面综合考虑。

2)管幕法压顶梁、抗拔锚索、道床内纵向暗梁并与管片叠合处理措施，能在一定程度上增大盾构隧道的纵向刚度，进而减小基坑开挖卸载引起的隧道隆起变形。

3)基坑开挖卸载会引起下卧盾构隧道内力出现偏转，导致相应位置处管片纵缝接触方式的变化，对管片裂缝控制与防水不利，故实际工程中应加强监测，及时处理，以免影响行车安全。

4)市政工程应尽量在规划阶段统筹考虑，先期工程需为后期工程预留必要实施条件，本文研究结论可为类似工况下盾构隧道预留后期工程实施条件提供参考，后续研究可进一步从盾构管片结构设计方面考虑，以期提高盾构隧道纵向整体刚度。

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InfluencesofUnloadingofFoundationPitExcavationonLowerMetroTunnelinSandy-gravelStrataandItsCountermeasures

DAI Zhiren1, 2, WANG Tianming1, 2, DU Yu1, WANG Ke1, XIANG Yang1

(1.ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi′an710043,Shaanxi,China; 2.KeyLaboratoryofShaanxiRailwayandUndergroundTrafficEngineering,Xi′an710043,Shaanxi,China)

The unloading of foundation pit excavation would affect the lower metro shield tunnel in water-rich and sandy-gravel strata. As a result, the deformation rules of the shield tunnel are studied in terms of reducing the influencing degree of unloading of foundation pit excavation on lower metro tunnel and increasing longitudinal stiffness of tunnel. The uneven longitudinal deformation of the tunnel is reduced by setting prestressed anchor rope in tunnel, setting hidden beam in the road bed and composited with segment and longitudinal fixing the U-steel. Meanwhile, the top beam is formed by advanced support of pipe curtain. The basic principle of vertical stratification, longitudinal segmentation and excavation after support is adopted for foundation pit excavation. The results show that the deformation of the tunnel has been effectively controlled and the normal operation of the metro has been guaranteed.

sandy-gravel strata; foundation pit excavation; unloading; metro tunnel; tunnel segment; prestressed anchor rope; composite structure

2017-06-20;

2017-08-28

陕西省2016年度科学研究与发展计划(2016KCT-07)

戴志仁(1981—)，男，江苏溧阳人，2010年毕业于同济大学，隧道及地下建筑工程专业，博士，高级工程师，主要从事城市轨道交通工程设计与研究方面的工作。E-mail： dzrzss@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.008

U 45

A

1672-741X(2017)10-1255-07