河道开挖对邻近既有隧道变形影响分析

2022-03-25祁伏成

现代交通技术 2022年1期

祁伏成

[上海市地矿工程勘察(集团)有限公司，上海 200072]

随着城市轨道交通的发展以及地下空间的大规模开发建设，在既有地铁隧道周边将会不可避免地出现各种近距离施工活动，如开挖基坑、建设隧道、新修河道等。在既有地铁盾构隧道上方进行近距离地下工程施工，会导致大量土体卸载，土体产生的卸荷作用将改变周围土体的应力状态，使下方既有地铁隧道结构产生竖向隆起变形，影响既有地铁隧道的安全[1]。因此，如何控制土体开挖卸载过程中地铁隧道的上浮和变形是各方关注的重点。用FLAC3D、PLAXIS等数值模拟软件进行变形影响分析，科学预测基坑开挖、顶管施工对既有隧道安全方面的影响，有助于指导地铁保护措施实施、有效控制隧道结构变形[2-8]。邹伟彪等[9]实时监测了近距离下穿既有地铁隧道的过程，并结合现场实测数据与数值模拟结果分析了下穿既有隧道的竖向变形规律。

本文以针对河道开挖工程对下方既有隧道影响的安全监测为背景，采用MIDAS数值分析方法对河道开挖过程进行模拟，通过现场实时监测结果与计算数值相互验证分析，总结出河道开挖对既有地铁隧道变形影响规律，以期为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

浙江某新修河道上跨既有轨交区间隧道，开挖河道主要影响区位于现状宁穿路口，自然地坪标高为黄海高程2.3～3.0 m。河道设计宽度51～65 m，挖深4.67 m，河底设计标高-1.87 m，常水位标高+1.27 m，枯水位标高+0.80 m。下方运营轨交隧道区间为双线，隧道直径6.2 m，管片顶标高约-12.793～-12.611 m，河底至盾构顶10.741～10.923 m。

河道开挖对既有区间隧道的影响主要涉及淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉砂、粉质黏土夹粉砂、粉质黏土和粉土土层。

上述土层具有孔隙率大、压缩性大、沉陷大、触变性强等特点，工程性能和渗透稳定性差。土体物理力学参数见表1。

表1 土体物理力学参数

2 地铁保护措施

为了保证既有隧道结构安全、运营正常，采用三轴搅拌桩进行门式土体加固，采用临时压重、分块开挖等措施，辅以自动化监测手段来减弱轨道上方土体开挖对盾构结构的影响。

1) 门式土体加固

盾构区间正上方重点影响区域采用∅650@450 mm三轴水泥搅拌桩进行门式加固，桩长为11.6 m和28 m两种，均位于河道内，上部采用水泥掺量8%的弱加固，其余区域采用水泥掺量25%的强加固，以提高土体强度，降低河道开挖时土体的隆起。河道门式加固示意如图1所示，区间隧道竖向剖面图如图2所示。

图1 河道门式加固示意

2) 临时压重设计

在门式加固区域挖土至-1.87 m时须及时压重(26 kPa)，通过压重来抵消部分挖土卸载，施工完成后河道恢复常水位过程中，逐步将压重减少并最终清除压重。

3) 分块分层开挖

采用分块跳仓开挖，化大为小，弱化尺寸效应。施工时先开挖加固区河道，后开挖加固区以外的河道，临时压重如图3所示。

4) 自动化实时监测

在施工过程中，对影响范围内的既有隧道结构安全状态进行安全监测，监测范围为开挖河道平面投影覆盖区及两侧延伸3倍开挖深度内。隧道内监测总长约为105 m，共计18条监测断面，既有隧道监测布置示意如图4所示。采用精度为0.01 mm的静力水准仪监测隧道竖向位移，同时布设0.5″全站仪有棱镜测量机器人开展隧道水平位移及收敛自动化监测。

图3 临时压重

图4 既有隧道监测布置示意

3 有限元数值分析

3.1 计算模型建立

借助MIDAS有限元分析软件，模拟明湖工程河道开挖施工工程中对既有区间隧道变形影响的分析。根据实际地形、开挖河道、盾构区间实际尺寸和位置关系，建立了全面的真三维模型，模型包括河道开挖区域、土体加固区域及轨交区间隧道，三维有限元模型如图5所示。河道位于盾构区域正上方区域为重点影响区域，旁侧河道开挖20 m范围内为次重点影响区域，20 m以外为非影响区域。重点影响区域位于轨交区间隧道正上方，故在此区域采取分区开挖及压重的施工措施。

3.2 计算参数

土体及加固土体本构关系采用HS-Small模型(小应变硬化模型)，此模型能更好地反映河道开挖过程对隧道结构位移、变形的影响。通过相似土层合并，土层力学参数采用加权平均方法获取，模型计算土体参数如表2所示，模型结构体计算参数如表3所示。

表3 模型结构体计算参数

3.3 计算工况设置

数值计算按照施工步骤来模拟整个施工过程，考虑施工过程中的空间位移变化，暂不考虑时间效应。计算采用动态模拟施工过程的计算方法，其中，在河道区域开挖至河道底时，施工配重以荷载形式表示，施工配重按设计26 kPa计算，共设置了48个施工工况。施工步骤如下：

①初始地应力平衡(位移清零)；②重点影响区域清表(场地标高整平至2.0 m)；③门式加固施工(三轴水泥搅拌桩施工)；④分区分块开挖重点影响区域并及时压重(共33个分块)；⑤同步对称分区开挖南、北侧河道次影响区域并及时压重(共16个分块)；⑥开挖其余普通段河道；⑦河道通水，逐步卸除压重。

3.4 安全控制值

在既有轨道交通盾构侧面及上方开挖土体，必然会导致坑底土体回弹和盾构上浮，当盾构变形超过一定范围，就会影响轨道的安全运营。参照《城市轨道交通结构安全保护技术规程》(DB33/T 1139—2017)[10]，并考虑到轨交隧道投入运营时间较短，本方案轨道保护控制指标按照轨道交通结构安全状况Ⅱ类考虑，故河道开挖时盾构的竖向位移控制值为10 mm，水平位移、相对收敛累计变形控制值为8 mm。

3.5 计算结果分析

地铁隧道结构随着河道开挖工况会产生沉降变形，本文节选5处重点工况下区间隧道变形结果分析如下：

1) 工况2：重点影响区域清表

该区域水平位移最大值为+1.39 mm；竖向位移最大值为+4.36 mm。

2) 工况3：门式加固施工

该区域水平位移最大值为+0.66 mm；竖向位移最大值为-2.86 mm。

3) 工况37：开挖次影响区并压重26 kPa

该区域水平位移最大值为+1.65 mm；竖向位移最大值为+4.27 mm。

4) 工况46：普通河道开挖

该区域水平位移最大值为-2.74 mm；竖向位移最大值为+9.54 mm。

5) 工况47：河道通水，逐渐消除压重

该区域水平位移最大值为-2.37 mm；竖向位移最大值为+8.31 mm。

由各工况位移情况可知：

(1) 整个河道开挖过程中，在工况46开挖河道两侧非影响区域时，区间隧道水平位移最大值为2.74 mm，说明既有隧道旁侧向河道开挖会导致隧道结构水平位移逐渐增大。

(2) 在工况3门式加固阶段，区间隧道沉降最大值为-2.86 mm。拟建河道土方清表、卸荷开挖会打破原有的应力平衡状态，引起隧道竖向变形。在三轴水泥搅拌桩施工时，水泥掺入土体内，会导致土体重度提高，土体自重增大，进而导致下方隧道结构出现下沉。

(3) 工况46时，区间隧道上浮累计最大值为9.54 mm，且上浮值随着河道开挖施工工况而逐步增加，其中区间盾构隧道正上方重点影响区域河道开挖引起的隧道累计上浮值为3.36 mm，次重点影响区河道开挖引起的隧道累计上浮值为8.67 mm，整个河道开挖引起的隧道上浮累计值为9.54 mm。当河道通水时，区间盾构隧道上浮最大值为8.31 mm，当河道处于枯水期时，区间盾构隧道上浮最大值为9.23 mm。综上，河道开挖引起隧道变形小于安全控制值10 mm，符合相关规范及工程技术的要求。

4 实测效果验证分析

通过现场实时监测值与计算模拟值对比分析，科学评价河道开挖全过程对既有区间地铁隧道的综合变形影响，区间隧道水平位移实测值与计算结果对比如图6所示。由图6可知：

(1) 二者曲线变化规律基本相同，区间隧道变形特征基本一致，实测水平位移最大值发生在工况46河道开挖结束时，与计算模拟一致。说明数值模拟对施工关键节点的有效控制具有指导作用。

(2) 区间隧道水平位移实测值小于计算值，实测最大位移量为1.92 mm，小于2.74 mm(计算值)。

(3) 整个河道开挖对区间盾构隧道水平变形的影响较小，当整个河道开挖完毕时，区间盾构隧道的水平变形累计达到最大。当河道开挖处在不同施工工况下时，会导致盾构区间水平位移逐渐增大。

图6 区间隧道水平位移实测值与计算结果对比

区间隧道竖向位移实测值与计算结果对比如图7所示，由图7可知：

(1) 总体上盾构隧道竖向位移变化量处于较低位水平，区间隧道竖向位移最大量为+4.03 mm。在河道开挖前期(清表和门式加固阶段)，区间隧道最大沉降量为2.85 mm，由于三轴搅拌桩加固后形成门式土体强化体，在河道开挖土体卸载时能够抑制隧道的上浮变形。隧道上方土体在三轴搅拌桩加固后，土体重度增加，导致正下方区间隧道下沉。

(2) 随着河道开挖土体卸荷较少，隧道出现不同程度的上浮，但土体加固、压重和分区对称开挖等保护措施，能够有效抵消部分后期河道开挖引起的上浮量，使隧道变形得到有效控制。

(3) 后期河道通水后，监测曲线趋于平缓，隧道结构变形已趋于稳定状态。