不同施工阶段上覆工程对浅埋地铁结构安全的影响

2022-06-16方泓杰屈川翔韩浩吴应雄

南昌大学学报（工科版） 2022年1期

方泓杰，屈川翔，韩浩，吴应雄

(1.福州大学土木工程学院，福建福州 350108；2.世茂集团股份有限公司工程管理部，福建福州 350000；3.香港科技大学土木与环境工程系，香港 999077)

近年来中国国内地铁建设体量飞速增加[1]，同时，如何在地铁上方建筑的施工过程中，对已完成的地铁隧道进行有效保护成为近年来工程施工领域的热门话题。目前，各城市对于地铁保护范围及范围内的建筑垂直荷载、施工行为引起的变形限值都颁布了明确的规定。如《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》针对既有隧道，规定了结构设施绝对沉降量及水平位移量应≤20 mm。这条规定在我国沿海地区得到了广泛借鉴与应用[2]，《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[3]中也提出了隧道位移10 mm的预警值和20 mm的控制值。

目前针对隧道变形控制的方法主要有理论解析法[4-6]、实时监测分析[7]、有限元数值模拟法[8]，其中将监测与数值模拟两者结合[9]对隧道变形的过程进行分析控制也日益受到重视。例如，宗翔[5]在分析地铁结构变形时采用了Kerr地基模型，得到了单基坑开挖对隧道的纵向变形解答。Zhang等[4]通过了引入Pasternak模型的解析法，分析了单侧基坑开挖及降水对隧道结构危害，所得结果与深圳某区间地铁施工的实际变形较为一致。基于Pasternak模型的解析法也被张治国等[6]用于双基坑开挖对于隧道变形的影响的分析，指出了不同基坑的布置形式及开挖深度下隧道的变形规律。

就数值模拟和监测分析而言，郑刚等[9]考虑土体小应变刚度特性，通过有限元分析与实时监测数据对比，研究了基坑相对位置和围护结构变形形式对既有隧道的影响区，并指出单基坑开挖坑外变形影响区大致可简化为直角梯形形状。Chen等[10]建立了某实例工程的3D有限元模型，对隧道单侧基坑的开挖顺序、支护结构的选型进行分析，结果表明在纵向上合理的分块开挖方式对地铁结构保护的贡献甚至超过了土体加固与防渗墙两项措施。

以上研究对隧道变形控制进行了较为详细的分析，但理论解析法对土体剪切效应和连续性的考虑不足，无法反应开挖时的施工组织及施工行为造成的隧道变形[6]。而隧道的监测、有限元模拟多针对基坑开挖阶段，对上部结构建设全周期的研究较少。此外，现有的研究多针对位于地铁隧道单侧基坑工程，未考虑到邻近隧道工程的施工布置，及多基坑开挖的共同作用对地铁隧道的变形影响。

本文根据某市地铁1号线下穿的某项目建设实例进行深入研究。通过有限元软件MIDAS模拟了区间内从支护施工开始到上部结构施工完成4种不同施工阶段的隧道变形，并使用自动化监测系统控制徕卡TM50全站仪进行了长达600日的实时监测，全面地分析了多基坑分批次开挖及施工建设全周期内邻近工程不同施工阶段对现有深厚淤泥质土浅埋地铁隧道的影响。得到了区间内地铁沿线观测点的位移分布曲线，及典型断面的位移实测曲线。从工程实际与数值模拟两方面揭示了邻近施工对软土地铁隧道的影响，从而为指导类似地质条件和施工措施提供参考。

1 算例概述

1.1 算例工程概况

该项目坐落于该市地铁1号线(二期)，区间内上行线全长150.3 m，下行线全长157.6 m。隧道采用盾构法施工，项目内地铁上方覆土埋深约6.79～13.2 m，沿地铁分布有7栋高层住宅，楼栋与地铁隧道结构外侧最近距离仅5 m，地下室裙楼工程桩至盾构隧道结构外缘最近距离均在6.8 m，具体布置详图1。在项目开始施工前，区间内地铁隧道及轨道铺设已施工完成，处于空载试运行阶段。

图1 施工现场及隧道位置图

据CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》3.2.2条[3]，外部作业影响等级通过表1中所划分的接近程度和影响区判定，本工程基坑边线距离区间隧道最近约5 m，基坑与隧道相对净距处于1倍隧道外径内，接近程度判定为非常接近，基坑开挖深度最深约7.29 m，地铁隧道处于0.7倍开挖深度影响范围内，综合判定外部作业影响等级为特级。

表1 轨道交通结构安全等级表[3]

如狄宏规等[11]的分区控制理论所示，特级作业区内的施工荷载的控制及地下室基坑开挖时地基的加固、隔离桩的设置都需结合地质条件进行严密的规划，以确保施工荷载、施工行为对于隧道结构外壁上的附加荷载不大于20 kPa，施工过程中隧道变形速率不超过2 mm·d-1。附加荷载的要求在很大程度上限制了施工机械的选项及现场可采用的水平运输模式，增加了工程建设难度。

1.2 工程及水文地质条件

项目施工范围内典型地层分布为：①杂填土、②粉质黏土、③淤泥、④粉质黏土、⑤淤泥质土、⑥粉质黏土、⑦全风化凝灰熔岩、⑧强风化凝灰熔岩Ⅰ等，各土体参数见表2。基坑开挖范围内主要地层为粉质黏土、淤泥、淤泥质土等软弱土，具有高含水率、高压缩性、低承载力等特征，是造成地铁周边支护结构位移变形的主要土层。对于区间内地下水的补给主要通过降雨、周边河道渗流等形式。

表2 土体分层及土体参数

本项目施工前，通过组织专家论证综合分析，认为施工过程中对地铁隧道结构安全可能存在如下影响：场地表层分布的软弱土层填土层、局部分布软塑黏土层，为工程建设不良土层；基坑开挖时，侧壁土层主要为填土层、粉质黏土、淤泥质土(见图2)，土层的侧壁稳定性差，基坑开挖时可能对地铁隧道产生侧向变形现象；地铁保护区以下淤泥层层顶埋深较浅，在施工过程中场地内堆载过多会导致附加应力过大，从而导致淤泥层处于欠固结状态产生超孔隙水压力，可能会对地铁隧道结构的侧向变形和沉降变形，与文献[12-13]在软土深基坑中的变形分析一致；因此，通过分析以上可能存在的风险，项目以最不利因素组合进行综合计算，进行了专项的基坑支护方案设计和施工组织方案设计。

图2 隧道、土层剖面图

1.3 加固和支护方案

考虑到项目地铁隧道埋深较浅，所处位置为淤泥、粉质黏土等软弱土层，为减少开挖带来的侧向位移，采取水泥搅拌桩沿地铁隧道两侧外扩5～12 m范围内施工水泥搅拌桩加固土体；在上、下行地铁沿线均采用终孔深度不低于19 m孔径1000 mm的旋挖灌注桩进行支护，隔离隧道周边及基坑范围内的土体；并在建筑平面上每隔6 m浇筑C30混凝土水平拉梁、冠梁将排桩联结，限制地铁上方及两侧的土体变形，具体布置见图3。

图3 支护结构及隧道位置剖面图

1.4 施工过程

在完成地铁沿线支护及加固施工14 d后，对被动区搅拌桩及支护排桩进行取芯并完成抗压试验，达到设计要求开挖强度1.5 MPa后进行开挖；为避免因一次性开挖出现大量临空面导致的土体侧向变形，现场在施工分为2个批次，如图1所示：第1批次开挖区间1(X405～X445)、区间3(X506～X551)、区间6(S514～S559)范围内土方，第2批次进行区间2(X449～X501)、区间4(X556～X599)、区间5(S449～S509)、区间7(S564～S604)4个区间土方开挖，各区间对应监测点位置详图见图4；但因现场实际施工时条件限制，区间4开挖进度滞后。

图4 监测系统布置图

在两个施工区间内土方遵循由远及近、中间向两端开挖原则。先开挖远离轨道交通一侧，靠近地铁一侧最后开挖。考虑到基坑施工的时空效应问题，为避免坑底淤泥层产生蠕变，在无支撑情况下尽量减少保护区内土方临时放坡面及基坑底暴露的时间，当挖至基底设计高程时，立即施工做垫层、防水层及地下室底板，并在基坑内侧预留反压土，减小基坑土方开挖卸载对轨道交通的不利影响。

综上，隧道下行线方向采用了沿地铁中轴线方向跳仓开挖的控制措施，区间1、区间2、区间3、区间4基坑开挖时两侧均有留设反压土；上线方向未进行跳仓开挖，由区间6开始向两侧区间5及区间7方向进行基坑开挖。区间3与区间6、区间2与区间5范围内的施工同步进行，为对称施工关系；而区间1、区间4及区间7范围内的工程为独立施工。

2 有限元模拟

2.1 几何模型建立

在安全评估阶段，项目采用有限元分析软件MIDAS/GTS NX对项目全施工过程进行有限元计算，全项目模型(见图5)尺寸为360 m×280 m×50 m，单元数92 588个，模型节点数为56 919个。坐标系定义如下：X轴沿隧道中轴线方向，且向大里程方向为“+”，Y轴垂直于隧道中轴线方向，靠近上行线方向为“+”，Z轴沿竖向方向，且向上为“+”。

图5 模型及网格划分图

有限元模型中，采用三维实体单元模拟土层，采用板单元模拟基坑围护结构、隧道衬砌结构，隧道考虑接头的影响需进行刚度折减；采用梁单元模拟基坑支撑、格构柱及立柱桩；模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移，顶部边界为地表自由面；模型以基坑外轮廓外扩一定距离(>3倍的基坑开挖深度，7.29 m)后而建立以消除边界条件对计算结果的影响。

土体材料本构模型取用修正莫尔-库伦模型各项参数详表2，结构材料按线弹性考虑，混凝土及水泥等材料参数依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》。

将初始地应力及地铁完工时的计算结果叠加作为有限元计算初始条件，共计模拟4种施工阶段：(1) 基坑围护结构施工完成；(2) 土方分批开挖；(3) 地下室侧墙回填；(4) 项目完工，竖向荷载施加完成。

2.2 数值模拟结果分析

MIDAS/GTS的施工阶段分析采用累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果。隧道结构X，Y，Z方向最大位移均发生在阶段4(项目完工，竖向荷载施加完成)，各方向沿隧道中轴线分布详见图6、图7。

施工对于地铁隧道变形的影响较为明显，在区间中部、项目施工主要位置处，地铁上行、下行隧道处，X方向上均有相互错动的趋势，表现为上行隧道向大里程方向，下行隧道向小里程方向变形；在Y方向上，由于基坑开挖产生的临空面及应力释放，隧道周边土体沿临空面法向蠕变，造成隧道远离中轴线方向变形；在Z方向上，由于地面建筑物荷载的增加，区间中段下沉明显，区间两侧略有上浮。

地铁上行线隧道中X，Y，Z各方向变形峰值均集中在观测点S504～S524(图4所示)所在断面范围内，X方向、Y方向最大变形值分别为2.2，3.3 mm，Z方向最大沉降约-5.2 mm；地铁下行线隧道中X，Y，Z各方向变形峰值均集中在下行观测点X486～X516(图5所示)所在断面范围内。X方向、Y方向最大变形值分别为-2.5，-2.9 mm，Z方向最大沉降约-4.5 mm。各方向变形的影响均在安全范围内，未超过控制值±20 mm，满足地铁保护要求。

3 变形实时监测

3.1 监测系统布置

本项目测量仪器主要有徕卡TM50全站仪、监测小棱镜。徕卡TM50全站仪的测角精度为0.5″。相邻工作基点间设置4个双面直角小棱镜，搭接点按“高低相错，均匀布设”原则进行埋设。测站150 m范围内可保证1 mm的测量精度。

为了高效、准确地获取监测信息，及时分析预报地铁隧道结构的稳定状况，项目采用一套具有变形监测数据采集、存储、处理、管理决策及成果发布等功能的自动化监测系统。

系统由测量机器人、采集系统、通信设备、自动化监测平台、智能化监测大数据平台部分组成。通过自动化监测软件向测量机器人发布监测指令，使用徕卡高精度自动全站仪按照学习测量顺序自动进行测量，观测基准点组，按后方交会方法平差计算工作基点三维空间坐标，再观测变形监测点。

为确保观测数据精确、有效，共设置16个观测基准点，分别布设在监测区域南北两端的稳定位置。监测区域以多个测站共同测量组成整体统一的动态监测基准网，根据基坑影响区域，按照深度越浅布置越密的原则及软弱地层的分布监测点，区间上行线隧道结构监测区域共布设48个断面，合计240个监测点；区间下行线隧道结构监测区域共布设48个断面，合计240个监测点。

3.2 隧道区间位移分布

通过项目进行的为期600 d的施工监测，截取出各观测点的峰值变形绘制包络图如图6、图7所示，与有限元模拟结果进行对比，可得出在项目施工对地铁隧道的影响规律如下。

测点位置/m

首先，上行隧道X方向的监测结果与有限元模拟结果一致，向大里程方向变形，但实际监测变形最大值仅为1.2 mm，为有限元模拟最大值(2.2 mm)的46.2%，监测结果较有限元模拟结果偏小的现象在区间7范围内最为显著；下行隧道X方向上有限元模拟结果与现场监测结果分布趋势基本一致，在区间2、区间3内，由于主体楼栋分布集中、荷载显著增加，隧道变形显著增大在-2.1～-2.6 mm范围内波动，两者在数值上的基本一致。

其次，在Y方向上，不论是现场监测数据还是数值模拟结果，都表明采取跳仓开挖进行控制的隧道下行侧的变形值要明显小于正常开挖的隧道上行侧的变形值，两者水平变形绝对值相差约25%。但数值模拟结果与现场实测的变形在区间3、区间4、区间7范围内差异较大，上行、下行隧道均沿中轴线法向向上行侧变形，与数值模拟的结果相差约2.0 mm。这是由于现场实际施工时，4号、7号基坑因场地原因未能对称开挖，且由于地下室侧墙混凝土龄期不足无法回填，导致区间7范围内软弱土层暴露时间过长，区间4内的土压力导致隧道垂直于中轴线向上行方向偏移。基坑的非对称开挖及地下室回填滞后是造成隧道垂直于中轴线方向变形增大的主要原因。

最后，现场实测的数据以及有限元模拟表明地铁上方基坑开挖、侧墙回填等造成的施工荷载以及后期地铁上方1 m的回填土是引起沉降变大的主要原因。如图6、图7所示，上行与下行隧道的Z方向监测结果中，下行隧道变形存在两个峰值-5.5，-5.2 mm(上行为-6.1 mm与-5.6 mm)，在上下行隧道前50 m范围内观测沉降远超过数值模拟结果，存在约4.5 mm的差异。其原因在于区间1内的地质条件差，隧道从软弱土层中穿过，其变形受上部荷载影响大以及由于淤泥、粉质黏土等软弱土的弹性模量很低，在受到挤压时会产生较大的侧向变形。建立有限元模型时，由于模型两侧设置的边界条件约束侧向变形，从而使沉降的数值偏小，与实际相差较大。

3.3 典型剖面位移分析

从隧道变形的峰值包络图来看，对于已建成隧道的变形控制，主要是控制竖直方向及垂直于中轴线方向的变形。考虑到区间1、区间3内均含17～19 m的深厚软弱土层，且在隧道埋深、施工概况等方面均较为接近，截取区间1及区间3范围内的地铁下行Y，Z方向在不同阶段下的监测结果，来研究地铁隧道两侧对称开挖对于变形控制的影响。区间1在基坑施工阶段采取单侧开挖的形式，而区间3内地下室基坑开挖则采取对称开挖，区间3、区间6范围内同时卸荷，具体参数详表3。

表3 区间施工工况

如图8、图9所示，根据区间1、区间3不同阶段下的变形情况，可看出基坑开挖阶段是地铁隧道变形发展的主要阶段，这与郑刚等[2]的研究一致。但不论是Y方向还是Z方向的隧道变形并没有因为基坑开挖结束而趋于稳定，即使进行了隔离桩与土体加固的施工，只要地下室侧墙未回填完成，变形仍以一定的速度进行发展。在上部荷载未增加的情况下，区间1、区间3内的各沉降观测值均增大了约-1.2 mm；而水平变形则以区间1较为明显，两个阶段下,同一观测点的数值几乎成倍增长，从-1.6 mm增至-3.1 mm。

测点位置

对比区间1及区间3，从两个区间的Z方向变形发展图来看，对称开挖卸荷对于减轻隧道沉降方面的效果并不明显；但在Y方向上区间1内的观测点位移最大值为-3.1 mm，而在区间3范围内仅为-1.4 mm。除此之外，区间3范围内的隧道受施工阶段影响的程度明显较轻，这说明在地铁中轴线两侧进行对称施工不仅能够在土方开挖阶段降低施工对于临近隧道的影响，还能降低隧道对于施工阶段转换的敏感度。

3.4 峰值点时程分析

基于3.3节，现选取区间1、区间3内的峰值点X445、X516(观测点位置详图5)，对其Y，Z方向上隧道变形的时程曲线进行进一步分析(见图10)。其中X445与X516所处位置的地质条件、开工时间基本一致，每隔15 d进行一次观测(1期=15 d)，5～10观测周期内为支护、桩基施工阶段，10～15观测周期内进行基坑开挖及地下室施工，15～25观测周期内为地面建筑施工阶段，地下室侧墙于20期完成回填。

t/d

项目施工过程中采用由远及近的方式对地铁隧道两侧上方进行开挖，X445剖面的Y方向变形从第5期开始随着开挖范围的扩大而增大，当基坑开挖完成时(第10期)达到第1个波峰约-1.6 mm。而后Y方向的变形继续发展，在地下室侧墙完成回填后，达到峰值-3.1 mm，之后30 d内逐渐趋于稳定。

而X516剖面隧道埋深较浅，土体受到上部荷载挤压产生的水平位移对其影响较为明显，故从地下室侧墙回填开始，受回填土挤压隧道有向中轴线收拢的趋势。对比X445剖面，X516剖面在Y方向的位移最大值为-2.0 mm，表明在隧道两侧对称开挖，卸除地铁两侧一定范围内的荷载的措施对于垂直于中轴线方向的变形控制是有效的，能够降低隧道30%左右的最大变形。

其次，Z方向变形X445剖面、X516剖面的时程曲线有较高的吻合度：在主体开始施工前(15期之前)，受上部施工荷载的影响，包括桩基、支护施工设备的重量及土方工程施工的扰动，Z方向的变形逐步增大。在10～15期之间，即地下室开挖完成到上部结构施工前，淤泥处于超固结状态，在吸水后有对外膨胀的趋势[14]，地基淤泥上浮，基坑底部隆起，若无抗浮措施，会使隧道向上位移，造成约1 mm的回弹；在隔离桩外侧回填土施工时，隧道因回填土自重及施工机械荷载产生突变，Z方向上的变形达到峰值分别为-5.5 mm与-5.2 mm，在侧墙完成回填后30 d(即第22期)变形趋于稳定，后续主体结构施工对隧道在Y方向及X方向上位移的影响很小。