地铁基坑放坡开挖引发下卧斜交盾构区间结构形变的研究

2018-11-14朱茂国

天津建设科技 2018年5期

□文/赵伟朱茂国尹凯

地铁基坑工程多数采用围护桩（墙）+内支撑等强支护形式，明挖放坡开挖作为一种重要的、经济便捷的施工方法，通常应用于地段空旷、地质条件简单的地块[1]，在下方有成型盾构隧道环境下应用较少。通过数值模拟仅能对基坑开挖过程引起下卧盾构隧道形变定性描述，还无法实现准确定量甚至指导信息化施工；而基坑开挖卸载会使得周边围岩移位，引发地铁区间位移场和应力场随之变化，严重时甚至威胁地铁结构与运营安全[2]。

本文通过监控量测技术实测某城市地铁1号线出入段线明挖放坡10 m试验段对下卧斜交盾构区间结构的定量变形分析，继而优化后续施工工序、优化变形控制措施、实现信息化动态施工，保证下卧地铁盾构区间安全。

1 工程概况

某城市地铁1号线出入段线与盾构区间左线斜交投影段长为60 m，基底距隧道顶垂直净距3.025 m，基坑开挖宽度40 m、深度10.3 m，采用明挖放坡开挖+坑内管井降水方式。见图1。基坑周边无建（构）筑物、地下管线，基坑范围地层主要为杂填土、素填土、淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粘土、基岩，孔隙水主要赋存于砂质粉土层中，富水性中等，基岩裂隙水（岩溶水）富水性中等丰富，属弱承压水。

预定控制隧道变形措施为：

1）基坑开挖过程需通过管井降水把地下水位保持在盾构隧道拱腰处；

2）60 m斜交段基坑分段开挖，先开挖基坑中部10 m试验段且完成该段底板浇筑后再顺次开挖两侧基坑土方；

3）通过高频次的监控量测措施，实现指导信息化动态施工。

图1 基坑工程与盾构隧道位置关系

2 隧道监测内容及技术标准

该盾构区间隧道监测等级为一级，针对隧道的监测内容及技术标准[3]见表1。

3 实测数据分析与隧道变形控制

3.1 基坑施工与隧道监测数据分析

从隧道各项实测数据来看，拱顶沉降监测为隧道上浮变形最大测项，水平径向收敛监测与隧道差异沉降等无明显变形，故选取隧道拱顶沉降典型监测点数据进行分析研究，见图2。

表1 隧道监测技术与控制标准

图2 斜交段盾构隧道拱顶变形发展曲线

从图2可知：

1）基坑降水施工至隧道拱腰部位对下卧盾构隧道无明显沉降或隆起变形影响，但削弱了地下水对盾构隧道上浮作用力，可减少盾构隧道隆起总的变形量；

2）基坑先行开挖段取土对隧道上浮变形作用分为两个阶段，当基坑取土深度在6～7 m时，盾构隧道基本处于稳定状态，但取基底上方3 m土层时，因盾构隧道上方覆土由6 m减至3 m厚度，隧道结构呈现急剧隆起变形，“时空效应”[4]非常明显，其中拱顶测点GDC-6隆起22.12 mm，两侧约10 m范围亦隆起5～8 mm；

3）基坑开挖卸载会使得周边围岩移位，引发地铁区间位移场和应力场随之变化，开挖卸载与地层应力释放对隧道作用力总体为向上，为隧道结构上浮变形主要作用力，当隧道上方覆土约6 m左右时是隧道在当前工况、施工措施下的变形临界点，一旦打破覆土临界点，便引发隧道整体隆起变形，隆起时限短、隆起速率大是平衡打破后的隧道变形最大特点，当开挖至基底以后，隆起变形能够收敛，即隧道周边围岩重新形成力的平衡。

分析基坑先行开挖段隧道变形数据后，议定了如下措施来应对东侧、西侧两段基坑开挖并实施高频次、高精度的监测验证[5]：

1）考虑施工结束后地下水恢复原位对隧道的变形影响因素，采取继续保持地下水位稳定在隧道拱腰部位的措施；

2）现场停止后续基坑开挖，限时、快速施工先行开挖段底板与主体结构直至封顶，先行开挖段对应隧道底部实施均匀压重，抑制后续隆起变形发展；

3）东侧、西侧两段开挖前，盾构隧道底部进行均匀压重，压重范围暂定25 m、按每延米2.5 t配重；

4）东侧、西侧两段开挖依然采取分层、分段开挖，尤其挖深距基底3 m后，要遵循“快速开挖、快速封底”的施工措施；

5）东侧、西侧两段底板完成后，根据隧道监测数据定夺后续土方开挖与开挖完成段主体结构施工工序安排。

3.2 东西侧基坑开挖对隧道变形影响效果评述

图2表明,采取了施工抑变形控制效果明显：以先行开挖段开挖阶段隧道最大隆起测点GDC-6为基准，东侧基坑土方开挖时，对应隧道拱顶测点GDC-7隆起量仅约11 mm，占比仅为52.4%；西侧基坑土方开挖时，对应隧道拱顶测点GDC-4隆起量仅约5 mm，占比仅为23.8%，较东侧开挖时下降了28.6%的基准变化量且隧道实施压重措施对隧道竖向拉伸变化极小；先行开挖段典型测点竖向差异变化量为5.71 mm，在东侧和西侧开挖实施隧道压重后竖向差异隆起量为5.80～5.87 mm，表明隧道底部配重量对隧道隆起变形的抑制作用明显，又未对隧道结构整体性产生明显损伤作用。