管廊基坑施工对正交地铁隧道的影响及控制措施研究

2023-08-17陈金刚李金伟槐文宝马猛北京住总集团有限责任公司北京100101

安徽建筑 2023年8期

陈金刚，李金伟，槐文宝，马猛（北京住总集团有限责任公司，北京 100101）

0 引言

随着城市基础设施建设投入的增加，城市综合管廊与隧道纳入同期或先后建设，且相距较近，位置关系主要为上下平行、斜交或正交，这样不可避免后施工会对已成型结构产生影响，相关变形过大将对结构产生安全隐患。隧道变形过大，轻则引起接缝漏水、管片开裂，重则导致地铁无法安全运营，所以对已运营地铁隧道的变形控制要求极为严格，隧道变形的控制好坏决定着工程的成败。因此准确预测和有效控制地铁隧道的变形已经成为此类工程成功的关键。针对此类问题，相关学者[1-5]针对基坑开挖对既有地铁隧道内力和变形的影响进行了大量研究，也积累了相当丰富的理论和实践经验，相关研究主要通过理论分析、现场监测、模型试验、数值分析等，评估拟建结构基坑开挖对既有地铁隧道的影响，并采取了相应的保护措施。

本文在综合前人大量研究的基础上，以北京某主干道十字路口管廊深基坑开挖对正交既有地铁隧道影响为背景，采用MIDAS-GTS 软件进行数值分析，确定的相关技术措施在实践中起到很好控制效果。

1 工程概况

北京某城市道路为区域主干路，道路为上下四车道（主路）+机非隔离带+辅路+人行步道，总宽度为38m（规划前），主路下面铺设双线盾构隧道。后因周边地块及市政管网统一规划，在主路十字路处设计一双舱管廊正交横跨上穿盾构区间隧道(如图1）。盾构隧道采用C50P10 钢筋混凝土预制管片拼装而成，每环由3 个标准块、2 个邻接块和1 个封顶块组成，块与块及环与环之间采用高强螺栓连接，连接处设防水条和缓冲垫，拼成后洞内径5．4m、外径6．0m、管片厚度0．3m。横跨隧道段管廊顶板覆土为5．5m，底板埋深为9．5m，基坑宽度8．9m，采用明挖法施工，围护结构采用φ600@1200 钻孔灌注桩+D609×12 钢管内支撑体系，围护桩桩长12．5m，根据技术规范要求，隧道变形控制指标为5mm。主体结构为双舱闭合框架现浇钢筋混凝土结构，底板、顶板厚500mm，侧墙厚400mm，中隔墙250mm，设电力舱和水信舱，电力舱净宽2．45m，水信舱净宽5．2m，管廊净高3．0m（如图2）。

图1 管廊、隧道及道路位置平面图

图2 管廊、隧道及道路位置剖面图

管廊基坑及区间盾构隧道所处地层从上到下依次为①素填土、③粉土黏质、④粉细砂、⑤细中砂、⑥粉质黏土、⑨细中砂、⑨4 中粗砂。其中，④粉细砂、⑤细中砂含层间水（三），土层透水性较好，总体上西北部水位稍高，东南略低。该层地下水受大气降水作用明显，其天然动态类型属渗入～径流型，主要接受大气降水、灌溉回归渗入补给、地表水的垂直入渗、地下水侧向径流和越流及“天窗”渗漏补给，并以蒸发、地下径流、越流为主要排泄方式；⑨细中砂、⑨4 中粗砂含承压水（六），盾构隧道所处⑨细中砂、⑨4中粗砂承压水水头高度6～7m。

2 拟定上跨隧道管廊基坑施工方案

由于地铁盾构隧道已通车，管廊基坑底与盾构隧道顶之间净距离只有5．4m，此距离小于1D（D 为隧道直径），管廊正交上跨地铁盾构隧道施工为一级风险工程。基坑开挖卸载势必引起地层变形，从而导致成型隧道的竖向和水平位移，根据以往施工经验及工程所处地质水文等实际情况，本着抑制地层变形效果明显、便于施工、缩短工期及成本较低的原则制定控制措施。

根据所处道路现状，为确保主干路正常通行，同时确保隧道两侧对称施工，对横跨隧道管廊38m 长度范围拟分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区，隧道两侧为第Ⅰ区，隧道上方为第Ⅱ区，隧道间为第Ⅲ区，长度为分别为6m 和10m（如图3、图4），Ⅰ与Ⅱ区、Ⅱ与Ⅲ区之间采用φ600@1000钻孔灌注桩进行分隔，Ⅰ区与标准段采用1:0．4土钉墙+挂网喷混护坡进行分隔。

图3 管廊横跨段分区示意图

图4 分区、导改施工示意图

因管廊基底以下为粉细砂④、细中砂⑤层，隧道断面处于粉质粘土⑥、细中砂⑨层，且隧道处于承压水中，经过计算，管廊基坑卸载后抗突涌破坏安全系数大于2，为提高基底砂层的整体性和重度，对管廊基底粉细砂层进行注浆加固，本着加固效果佳、速度快、施工灵活及扰动小等原则采用高压旋喷注浆加固，加固范围如图4、图5所示。

图5 有限元分析模型

图6 管廊基坑开挖前初始位移云图

为减小卸载面积和基底暴露时间，基坑采取“分区、分层、分块、对称”的顺序进行开挖，先开挖隧道两侧6m 长Ⅰ、Ⅲ区，而后开控隧道上方Ⅱ区。

3 数值模拟分析方案

3.1 模型及材料参数确立

根据管廊与隧道位置关系、成功工程案例及相关规范，为尽可能反映实际工况，考虑管廊、隧道所处地质水文情况，为减小单元数量，提高计算速度，以单条隧道进行分析，模型尺寸为50m×50m×40m（如图5）管廊纵向为X 轴,管廊断面方向为Y 轴，管廊开挖埋深方向为Z 轴，模型四周及底部限制竖向和水平位移，顶部表面为自由面。

成型隧道及管廊基坑开挖过程卸载过程较为复杂，为便于模拟管廊开挖对成型隧道影响，对材料模型及地层分布做相应简化，土层采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，屈服准则采用Drucker-Prager屈服准则；管廊围护桩、内支撑及钢围檩、盾构衬砌管片及注浆层采用线弹性模型。初始应力只考虑地层的自重应力及地面20kN/m2等效均布荷载，不考虑构造应力，根据勘察报告选取地层力学参数（如表1）。

表1 土层物理力学参数

由于盾构隧道纵向环与环、横向块与块之间通过螺栓连接，对于盾构隧道整体的抗拉、抗压和抗剪能力会产生影响，所以需要对管片整体的横向和纵向进行适当折减。由文献[7]、文献[10]可知，计算盾构管片等效刚度时，横向一般取折减系数0．6～0．7，纵向上抗拉、抗剪及抗弯的刚度折减系数约为0．01，而抗压刚度不考虑折减。

3.2 施工步序模拟计算

按照拟定管廊基坑穿越范围分区、分层、分块、对称开挖顺序进行数值分析，开挖前自重应力下位移计算后归零（如图6）。横跨隧道管廊基坑分区后，隧道两侧Ⅰ、Ⅲ区同时施工，Ⅰ、Ⅲ区第一层土方开挖至地面以下2．5m 处后（第一道钢支撑），Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为4．31mm，隧道上方Ⅱ区隆起值为0．15mm，隧道隆起值为0．37mm（如图7）。

图7 第一层土方开挖后基坑及隧道隆起值云图

图8 第三层土方开挖至基底基坑及隧道隆起值云图

Ⅰ、Ⅲ区第二层土方开挖至地面以下6．5m 处后（第二道钢支撑），Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为12．78mm，隧道上方Ⅱ区隆起值为1．52mm，隧道隆起值为0．23mm；第三层土方开挖至基底，Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为28．75mm，隧道上方Ⅱ区隆起值为3．13mm，隧道隆起值为1．07mm（如图8）。

Ⅱ区第一层土方开挖至地面以下2．5m处后（第一道钢支撑），Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为33．84mm，隧道上方Ⅱ区坑中隆起值为6．87mm，隧道隆起值为2．21mm（如图9）；第二层土方开挖至地面以下6．5m（第二道钢支撑），Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为33．97mm，隧道上方Ⅱ区隆起值为11．73mm，隧道隆起值为2．49mm。

图9 二区第一层土方开挖后基坑及隧道隆起值云图

Ⅱ区第三层土方开挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为34．56mm，隧道上方Ⅱ区隆起值为27．34mm，隧道隆起值为12．64mm（如图10）。

而后，对第三层土方分A、B、C 三块开挖，先挖A、C块后挖B块，先将Ⅱ区第三层土方A、C块开挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为34．12mm，隧道上方Ⅱ区隆起值为24．23mm，隧道隆起值为4．76mm；第三层土方B 块开挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ区坑中间隆起值为34．12mm，隧道上方Ⅱ区隆起值为26．27mm，隧道隆起值为8．51mm（如图11）。

图11 二区第三层土方分块开挖至基底基坑及隧道隆起值云图

从图10、图11基坑及隧道隆起变化值可以看出，隧道上方基坑最后一层土整体开挖后，隧道隆起值12．64mm，而分块先后开挖见底后，隧道隆起值为8．51mm，最后3m 土层分块先后开挖对隧道结构隆起变形抑制作用明显，较整体开挖隆起值减少33%，若分块再小，抑制作用还会增加，但考虑施工作业方便性，暂定按照3m 宽分成3块。随着每道开挖步序（如表2），对隧道上方基坑坑底隆起值与隧道隆起值及水平位移值进行统计并绘制相关曲线图（如图12、图13）。经数值模拟对比分析，将基坑分区实施开挖，基坑体量小，挖土拆支撑快，可有效缩短地铁盾构隧道上基坑暴露时间，减小地层变化隆起对隧道的影响。

表2 开挖步序与开挖深度（位置）关系表

图12 开挖步序与隆起值关系曲线

图13 开挖步序与水平位移关系曲线

随着开挖步序进行，根据隧道上方基坑隆起值与隧道隆起值关系曲线得出，隧道隆起较基坑隆起趋势更为平缓，没有间越式突变，隧道隆起变形最大区域从侧上方过渡到正上方。施工期间，尽可能对基底进行施加荷载，缩短卸载后暴露时间，尽早进行覆载，从而有效抑制隧道隆起值。在工期满足要求前提下，考虑待两侧基坑主体结构、回填土完成后才开始挖正线隧道上方基坑土方。

经过上述数值分析可以得出，横跨隧道基坑分区、分层及分块进行土方开挖，对抑制隧道结构变形效果明显，最大值为8．51mm，较最后一层土整体开挖减小33%；因同一层（块）存在时间差，导致隧道纵、横向节点间存在差异沉降，但纵、横向最大与最小值相差分别只有3．46mm 和1．87mm，该差值小于规范规定的5mm，不会对隧道结构产生不利影响。

3.3 结合计算分析确定方案

结合以上对基坑开挖过程中Ⅰ、Ⅲ区基坑基底、Ⅱ区地面及盾构隧道变形情况，针对盾构隧道处承压水砂层，且承压水水头较高，以及现场施工条件、工期及综合成本等实际情况，对管廊基坑开挖范围采取如下控制措施：

①本着基坑“分区、分层、分块、跳仓、对称”的开挖原则，对横跨隧道管廊基坑长度（38m）划分为3 个区，隧道上方及之间区域采用围护桩分隔，两侧采取1:0．4放坡；

②对比三轴搅拌和高压旋喷加固方式，本着对周边地层扰动小原则，根据管廊基底地层及地下水情况，选择高压旋喷注水泥浆加固地层，加固后地层强度不小于0．8MPa，注浆加固推荐注浆压力控制在0．8～1．0MPa，注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，注浆加固效果通过钻芯取样检测确定；管廊纵向加固60m、横向围护桩外皮以外3m、竖向为基底至隧道顶以上1m；

③通过经典力学简化计算，地层中管廊结构置换原土地层后，隧道上方相当于卸载，未考虑管廊内使用条件下排水管道重量，如因管廊结构修建后一段时间未投入使用，还是存在一定风险，为确保万无一失，在隧道两侧设置两排抗拔桩进行约束周边地层，从而抑制隧道隆起，抗拔桩与围护桩同时施工（如图14）。

图14 管廊基坑施工纵断面图

以上工序及控制措施总体施工顺序为场地平整、底板钢筋骨架加工预制→围护桩、抗拔桩施工→基底注浆加固→基坑冠梁、挡土墙施工→基坑Ⅰ、Ⅲ区第一层土方开挖→基坑Ⅰ、Ⅲ区第二层土方开挖→基坑Ⅰ、Ⅲ区基坑见底→施工主体结构→开挖Ⅱ区第一层土方→开挖Ⅱ区第二层土方→开挖Ⅱ区第三层A、C 块土方→施做底板连接抗拔桩→施做A、C块侧墙、顶板、开挖第三层B块→施做底板连接抗拔桩→施做B 块主体结构→回填土施工（如图15）。

图15 管廊基坑土方分层、分块及结构施工步序图

4 现场施工监测情况

根据专项施工方案在既有地铁隧道轨道两侧布置监测点，隧道内设三个监测断面，分别位于管廊断面中线及两侧2．5m 处。每个断面监测隧道竖向隆起值及收敛情况，同时对横跨影响范围隧道内做好红漆标记，施工期间定时对洞内做好巡视和监测工作。对其中一个断面监测数值进行统计绘制曲线图（如图16）。

图16 实测隧道隆起、收敛变化曲线图

从现场监测隧道隆起及收敛变化值可以看出，隆起值较数值模拟分析偏小，隧道收敛值基本没有变化。笔者认为施工期间隧道周边进行低压力注双液浆对抑制隧道隆起起到作用，因为隧道地处于富含高水头承压水砂层中，双液浆短期固化周边砂层；其次底板施工时采用预制垫层、预制底板钢筋骨架，极早浇筑混凝土并对基底覆载，缩短基坑暴露时间。

围护桩、抗拔桩及基底注浆加固施工前，向运营单位提交施工申请，同时隧道内备好应急物资，施工时隧道内安排技术人员及作业人员现场值守，并与地面钻机施工保持信息畅通。围护桩（抗拔桩）施工严格控制旋挖钻机扭矩及护壁泥浆质量，减小对周边地层的扰动及塌孔的可能性。基底注浆前在非隧道区域进行试验，对浆液配比、注浆压力及注浆效果通过取芯进行确定。施工后，巡查隧道内道床未发现裂缝，轨道压板螺栓及管片螺栓未发现松动现象，管片环、片间未发现错台、掉渣现象（如图17）。