張書豐， 朱玉權(quán)， 沈曉偉

(1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 210008； 2. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014)

長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑施工對(duì)盾構(gòu)隧道影響及應(yīng)急保護(hù)研究

張書豐1， 朱玉權(quán)2， 沈曉偉1

(1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 210008； 2. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014)

為研究長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑工程對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響因素，驗(yàn)證在該特殊土層實(shí)施針對(duì)性綜合保護(hù)應(yīng)急措施的可行性，以長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑工程盾構(gòu)隧道應(yīng)急保護(hù)實(shí)際案例為背景，依據(jù)前期施工階段監(jiān)測(cè)資料，分析出該地質(zhì)條件下深基坑施工對(duì)周邊盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形的主要影響因素為降水、側(cè)向卸載及附加荷載。采用修正慣用法對(duì)各影響因素進(jìn)行定量分析，針對(duì)后續(xù)施工疊加影響采取相應(yīng)施工控制及隧道加固等綜合保護(hù)應(yīng)急措施。實(shí)施處置措施前后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比及反分析得出，長(zhǎng)江漫灘地區(qū)鄰近盾構(gòu)隧道深基坑在設(shè)計(jì)、施工期間應(yīng)著重對(duì)基坑降水、卸載及附加荷載進(jìn)行控制，當(dāng)盾構(gòu)隧道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題時(shí)，采用綜合保護(hù)應(yīng)急措施可取得顯著治理效果。

長(zhǎng)江漫灘； 深基坑； 盾構(gòu)隧道； 修正慣用法； 應(yīng)急保護(hù)

0 引言

隨著當(dāng)前城市開(kāi)發(fā)進(jìn)程，長(zhǎng)江沿線地區(qū)因其優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境、便利的交通條件成為諸多城市重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。如何在有限的用地條件下充分開(kāi)發(fā)利用地下空間成為該區(qū)域建設(shè)工程首要目標(biāo)，由此帶來(lái)的眾多深基坑工程對(duì)周邊重要構(gòu)筑物，尤其對(duì)被稱為城市生命線的地鐵隧道影響不容忽視。長(zhǎng)江沿線所屬長(zhǎng)江漫灘地層是典型的河流沖積二元結(jié)構(gòu)，沉積物主要由上部漫灘相細(xì)粒沉積物和下部粗粒河床沉積物組成。上部漫灘相土層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉土層；下部漫灘相土層為粉細(xì)砂層和砂礫層。該類型地質(zhì)條件下的深基坑工程基本處于上部漫灘相土層的軟—流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，具有高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度、低滲透性、低到中等的次固結(jié)等特征。在該地質(zhì)條件下實(shí)施的大型深基坑工程對(duì)地鐵隧道影響較常規(guī)地區(qū)影響更為顯著。

深基坑施工對(duì)周邊環(huán)境影響主要通過(guò)地層變形體現(xiàn)，基坑開(kāi)挖、降水及圍護(hù)施工引起地層變形是最為主要的作用機(jī)制。地鐵隧道多數(shù)為盾構(gòu)隧道，施工便利、安全、快速，同時(shí)具備有多縫、易滲漏、易損傷等缺點(diǎn)，如遭遇沿線周邊物業(yè)密集開(kāi)發(fā)，極易發(fā)生滲漏和不均勻變形[1-6]，若變形嚴(yán)重將直接影響結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。目前國(guó)內(nèi)因周邊開(kāi)發(fā)對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響研究方法大體可歸納為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析、有限元仿真模擬、理論計(jì)算和離心模型試驗(yàn)法[7-10]，但現(xiàn)有研究更多針對(duì)工程前期影響，工程案例多為實(shí)施相對(duì)安全可靠的項(xiàng)目，對(duì)于長(zhǎng)江漫灘地區(qū)等特殊工程地質(zhì)條件下突發(fā)性隧道結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，尤其在深基坑工程前期施工對(duì)盾構(gòu)隧道已造成較大影響情況下，盾構(gòu)隧道應(yīng)急保護(hù)措施的可行性和有效性亟待深入研究。

1 項(xiàng)目概況

1.1周邊環(huán)境

項(xiàng)目位于長(zhǎng)江漫灘地區(qū)，面積9萬(wàn)m2，總建筑面積70萬(wàn)m3，地下設(shè)4層地下室，最大開(kāi)挖深度達(dá) 22.75 m。基坑為明挖順作，分4個(gè)區(qū)域進(jìn)行施工，Ⅰ區(qū)基坑面積約1萬(wàn)1 300 m2，Ⅱ區(qū)基坑面積約8 500 m2，Ⅲ區(qū)基坑面積約3萬(wàn)1 000 m2，Ⅳ區(qū)基坑面積約 7 300 m2，其中Ⅰ區(qū)基坑與Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)基坑之間無(wú)連接，Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)基坑鄰近已運(yùn)營(yíng)地鐵盾構(gòu)隧道(隧道埋深18.5～20.6 m，隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，壁厚0.35 m，環(huán)寬1.2 m)?；臃謪^(qū)及基坑與地鐵盾構(gòu)隧道相對(duì)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目基坑分區(qū)圖

1.2地質(zhì)概況

地塊所處地層隸屬長(zhǎng)江漫灘地貌單元，根據(jù)地勘資料，場(chǎng)地地基土層自上而下主要為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉細(xì)砂、粗礫砂(含礫石)、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖。地鐵盾構(gòu)隧道主要穿越②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-3粉質(zhì)黏土夾粉砂及③-1粉細(xì)砂，相鄰基坑底位于②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各土層平均物理力學(xué)參數(shù)

注：γ為重度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；K0為側(cè)壓力系數(shù)；K為側(cè)向抗力。

1.3基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工方法概況

該基坑采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)體，地下連續(xù)墻厚1.0～1.2 m，深度約65.0 m，且入中風(fēng)化巖不少于1.0 m以切斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系，內(nèi)部設(shè)5層鋼筋混凝土支撐。近地鐵側(cè)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)坑外主動(dòng)區(qū)均采用三軸深攪樁進(jìn)行加固?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)邊線最小水平距離為15.0 m，Ⅰ區(qū)基坑與地鐵盾構(gòu)隧道相對(duì)關(guān)系剖面圖如圖2所示。

基坑采用明挖順作法施工，采用盆式開(kāi)挖方式按Ⅰ區(qū)—Ⅱ區(qū)—Ⅲ區(qū)—Ⅳ區(qū)順序進(jìn)行施工，開(kāi)挖遵循分區(qū)、分塊方式開(kāi)挖，后續(xù)基坑均待前期地下室結(jié)構(gòu)完成后施工?？觾?nèi)地下水采用疏干降水方式處理，坑外設(shè)置集水井及排水溝對(duì)地表水進(jìn)行疏排，同時(shí)設(shè)置觀測(cè)井兼回灌井控制坑外水位。該基坑施工期間主要采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式對(duì)盾構(gòu)隧道水平位移、水平收斂、豎向收斂及垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，該基坑第1階段進(jìn)行Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)施工，先后進(jìn)行群井降水試驗(yàn)、土方開(kāi)挖、混凝土支撐施工、底板澆筑施工、混凝土支撐拆除和地下室施工等。下文對(duì)鄰近Ⅰ區(qū)基坑的下行線隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2.1結(jié)構(gòu)變形

在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)基坑施工過(guò)程中，盾構(gòu)隧道產(chǎn)生了較為顯著的變形與結(jié)構(gòu)性病害。為分析結(jié)構(gòu)變形對(duì)盾構(gòu)隧道防水及連接螺栓的受力影響，對(duì)隧道縱向變形、橫向變形、表觀病害進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

圖2 Ⅰ區(qū)基坑與盾構(gòu)隧道相對(duì)位置關(guān)系圖(單位： m)

1)隧道縱向變形。1階段施工期間，隧道沉降逐漸擴(kuò)大，土方開(kāi)挖前群井降水試驗(yàn)期間、土方開(kāi)挖(含混凝土支撐施作)及底板封閉期間、混凝土支撐拆除及地下結(jié)構(gòu)回筑期間沉降量分別占施工期沉降量的 12.7%、41.8%及45.5%。沉降速率方面，土方開(kāi)挖前，群井試降水速率明顯大于基坑土建施工階段；土方開(kāi)挖后，沉降速率總體上隨著土方開(kāi)挖深度的增加而增加(見(jiàn)圖3和圖4)。

圖3 各施工階段隧道沉降圖Fig. 3 Settlements of shield tunnel during foundation pit construction

2)隧道橫向變形。項(xiàng)目施工前，項(xiàng)目段上下行3環(huán)管片水平直徑擴(kuò)張超80 mm，10環(huán)管片水平直徑擴(kuò)張?jiān)?0～80 mm，水平直徑擴(kuò)張最大達(dá)85.0 mm；Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)基坑底板封閉完成時(shí)，水平直徑擴(kuò)張超80 mm達(dá)37環(huán)，在70～80 mm達(dá)167環(huán)，擴(kuò)張最大達(dá)96.3 mm；待Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)基坑回筑完成時(shí)，水平直徑擴(kuò)張超80 mm達(dá)95環(huán)，在70～80 mm達(dá)136環(huán)，水平直徑擴(kuò)張最大達(dá)93.1 mm。施工過(guò)程中，隧道水平直徑擴(kuò)張較快，各節(jié)點(diǎn)施工期間隧道水平直徑變化見(jiàn)圖5。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，隧道水平直徑擴(kuò)張主要發(fā)生在底板封閉之前，水平直徑擴(kuò)張量約占施工期總擴(kuò)張量的81.5%，基坑回筑期間隧道水平直徑擴(kuò)張約占總擴(kuò)張量的18.5%。

圖4 各施工階段隧道沉降速率圖Fig. 4 Settlement speed of shield tunnel during foundation pit construction

圖5 各施工階段隧道水平直徑變化圖Fig. 5 Variations of horizontal diameter of shield tunnel during foundation pit construction

3)表觀病害。1階段施工期間，上行線累計(jì)88環(huán)、下行線累計(jì)94環(huán)存在結(jié)構(gòu)性病害(見(jiàn)圖6)，病害比例達(dá)26.0%、26.7%。結(jié)構(gòu)性病害主要表現(xiàn)為腰部環(huán)縱縫滲漏、封頂塊連接管片裂縫、腰部管片混凝土壓損，部分區(qū)段封頂塊連接管片形成了連續(xù)裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.6 mm。典型病害圖片見(jiàn)圖7。此外，Ⅰ區(qū)基坑土方開(kāi)挖期間，道床與管片剝離發(fā)展較迅速，剝離段連續(xù)長(zhǎng)度約400 m，最寬處達(dá)到35 mm，下行線較上行線嚴(yán)重，道床底部脫空量約5 mm。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)病害圖

圖7 下行570環(huán)管片壓損及下行544—545環(huán)管片裂縫圖Fig. 7 Pressured damage of downward 570 ring segments and cracks of downward 544-545 ring segments

2.2定性分析

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與基坑工序進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)隧道變形及病害發(fā)生較為顯著對(duì)應(yīng)的施工階段如下。

1)土方開(kāi)挖前的群井降水試驗(yàn)表明，由于Ⅰ區(qū)基坑地下連續(xù)墻止水效果存在缺陷，期間盾構(gòu)隧道縱向變形占施工期變形的12.7%，且變化速率遠(yuǎn)大于其他施工階段，表明水位下降對(duì)管片縱向變形具有較為顯著的影響。

2)在基坑土方開(kāi)挖及降水期間(含降水試驗(yàn)期間)，隧道發(fā)生54.5%的沉降、81.5%的水平直徑擴(kuò)張，表明在長(zhǎng)江漫灘地質(zhì)條件下，該階段施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形影響最為顯著。

3)在基坑底板封閉、坑內(nèi)無(wú)大范圍降水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果有效的前提下，地鐵結(jié)構(gòu)仍有較大變形，其中隧道沉降占比達(dá)45.5%、水平直徑擴(kuò)張占比達(dá) 18.5%，除了軟土自身的滯后變形外，基坑內(nèi)支撐采用機(jī)械振動(dòng)方式拆除，且鄰近地鐵側(cè)存在的堆載影響均不可忽略。

以上分析結(jié)果表明，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)基坑施工期間，相鄰盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形因素主要為降水、側(cè)向卸載及附加荷載。

2.3定量分析

為研究外部條件變化時(shí)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化特性，本文采用目前已較為成熟的修正慣用法理論[11]，對(duì)降水、側(cè)向卸載及附加荷載對(duì)于不同埋深下盾構(gòu)隧道影響進(jìn)行分析。

根據(jù)材料力學(xué)純彎構(gòu)件梁的平截面假定，按照彈性均質(zhì)材料考慮，梁上每個(gè)截面的變形曲率Φ與彎矩M之間關(guān)系可表達(dá)為M(θ)=EIΦ(θ)=-EId2v(θ)/dθ2，其中EI為管片抗彎剛度，v(θ)為管片曲線函數(shù)，θ為管片某點(diǎn)位的角度，即可將定量研究管片變形轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)管片彎矩的研究。

2.3.1 模型建立

盾構(gòu)隧道主要穿越②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及③-1粉細(xì)砂地層，結(jié)合本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道及地層參數(shù)，計(jì)算隧道不同埋設(shè)工況下，附加堆載、降水、側(cè)向卸載對(duì)盾構(gòu)管片彎矩的影響。盾構(gòu)隧道荷載分布形式如圖8所示。

圖8 修正慣用法荷載圖示Fig. 8 Sketch of load acting on segment by modified traditional method

2.3.2 降水影響分析

在長(zhǎng)江漫灘地區(qū)，為確?；娱_(kāi)挖面穩(wěn)定并提供施工作業(yè)面，深基坑需實(shí)施坑內(nèi)降水，若圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封性不足，將引起周邊水位下降，導(dǎo)致隧道管片受力情況變化，管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變將隨之發(fā)生改變。經(jīng)查閱項(xiàng)目段巖土工程勘察報(bào)告，隧道分布土層的飽和重度為18.08 kN/m3，有效重度為8.28 kN/m3。本文分析隧道覆土厚度為9、12、15、18 m情況下，地下水位由本項(xiàng)目自然標(biāo)高(地下6 m)逐步下降至本項(xiàng)目隧道拱頂標(biāo)高(地下18 m)管片最大彎矩的變化情況。降水深度與管片最大彎矩關(guān)系曲線如圖9所示?？梢钥闯觯?1)降水深度與管片結(jié)構(gòu)最大彎矩增加比例呈線性關(guān)系，隨著降水深度增加，管片最大彎矩逐漸增大，且隧道埋深越小降水影響越明顯； 2)在隧道埋深為9、12、15、18 m工況下，降水深度每增加1 m，對(duì)應(yīng)管片最大彎矩分別增加8.09%、6.84%、5.93%、5.23%。

圖9 降水深度與管片最大彎矩關(guān)系曲線Fig. 9 Curves show relationship between dewatering depths and maximum bending moments of segment

2.3.3 側(cè)向土壓力折損影響分析

側(cè)向土壓力損失與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、基坑開(kāi)挖面與盾構(gòu)隧道時(shí)空關(guān)系、土層物理力學(xué)性能等因素有關(guān)，但目前缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。為了分析基坑開(kāi)挖、內(nèi)混凝土支撐拆除等施工對(duì)管片最大彎矩的影響，本次分析按一定比例折損進(jìn)行分析。結(jié)果見(jiàn)圖10，可知： 側(cè)向土壓力折損與管片結(jié)構(gòu)最大彎矩增加比例呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著側(cè)向土壓力折損，管片最大彎矩逐漸增大，且隧道覆土厚度越大影響越大。在隧道埋深為9、12、15、18 m工況下，側(cè)向土壓力每折損10%，管片最大彎矩分別增加18.42%、19.32%、20.15%、20.81%。

圖10 側(cè)向土壓力折損與管片最大彎矩關(guān)系曲線Fig. 10 Curves show relationship between lateral earth pressures and maximum bending moments of segment

2.3.4 堆載影響分析

在鄰近地鐵隧道深基坑施工過(guò)程中，盾構(gòu)隧道上方較易出現(xiàn)重載車輛碾壓、施工材料及施工垃圾臨時(shí)或長(zhǎng)期堆放等情況，附加堆載將直接引起管片附加應(yīng)力的增加。本文根據(jù)Boussinesg公式，假定為大面積均質(zhì)堆載，分析盾構(gòu)隧道上方堆載2、4、6、8 m對(duì)隧道覆土厚度為9、12、15、18 m的影響，詳見(jiàn)圖11。堆載與管片結(jié)構(gòu)最大彎矩增加比例呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著堆載的增加，管片最大彎矩逐漸增大，且隧道覆土厚度越小影響越大。在隧道埋深為9、12、15、18 m工況下，堆土每增加1 m，對(duì)應(yīng)管片最大彎矩分別增加4.42%、2.89%、2.05%、1.53%。但考慮到Boussinesg公式為彈性解，未考慮土層物理力學(xué)性能，堆土對(duì)管片最大彎矩的影響計(jì)算結(jié)果比實(shí)際結(jié)果偏低。

圖11 堆載高度與管片最大彎矩關(guān)系曲線Fig. 11 Curves show relationship between cover depths of shield tunnel and maximum bending moments of segment

3 隧道應(yīng)急保護(hù)

基坑Ⅰ、Ⅱ分區(qū)施工完成時(shí)，通過(guò)對(duì)隧道縱向變形、隧道橫向變形及隧道結(jié)構(gòu)病害的監(jiān)測(cè)與分析，參照相關(guān)規(guī)范[12-13]及相關(guān)文獻(xiàn)[14-16]，隧道縱向附加變形曲率半徑最小達(dá)2萬(wàn)1 505 m，尚在規(guī)范控制1萬(wàn)5 000 m以外，說(shuō)明縱向連接螺栓尚在彈性變形范圍，但隧道橫向變形95環(huán)超80 mm，最大達(dá)93.1 mm，且拱頂出現(xiàn)裂縫、腰部出現(xiàn)壓損等典型的橫向變形過(guò)大引起的病害，綜合判斷結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患。

3.1應(yīng)急措施

鑒于Ⅰ、Ⅱ分區(qū)施工期間已經(jīng)造成盾構(gòu)隧道出現(xiàn)較大變形，且變形速率未趨于穩(wěn)定，經(jīng)對(duì)比分析，后續(xù)施工的Ⅲ區(qū)基坑開(kāi)挖深度與Ⅰ區(qū)同為22.75 m，但平面面積是其2.74倍，對(duì)應(yīng)隧道長(zhǎng)度為1.76倍，若不及時(shí)采取有效的應(yīng)急管控措施，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)可能無(wú)法承擔(dān)Ⅲ區(qū)基坑施工的疊加影響。綜合盾構(gòu)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有狀態(tài)及產(chǎn)生變形的主要風(fēng)險(xiǎn)源，本文提出“外控內(nèi)治”的綜合應(yīng)急處置措施，以應(yīng)對(duì)基坑施工風(fēng)險(xiǎn)及治理盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害。

3.1.1 外控措施

3.1.1.1 坑外水位管控

Ⅲ區(qū)基坑土方開(kāi)挖前，進(jìn)行專項(xiàng)群井降水檢測(cè)，檢驗(yàn)地下連續(xù)墻密封性。Ⅲ區(qū)基坑4層土方開(kāi)挖時(shí)，經(jīng)監(jiān)測(cè)，地下水位約為-11.5 m，4層及以下土方開(kāi)挖必須降水。結(jié)合前期施工經(jīng)驗(yàn)，工程降水采用了分段、分塊控制性降水，以保證水位穩(wěn)定在開(kāi)挖面以下1 m，降水井調(diào)整至遠(yuǎn)離鄰近盾構(gòu)隧道側(cè)地下連續(xù)墻邊線20 m，同時(shí)設(shè)置回灌井，確保盾構(gòu)隧道周邊水位平衡。

3.1.1.2 側(cè)向土壓力折損管控

為了減小側(cè)向土壓力的損失，總體遵循“分區(qū)、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”的原則，對(duì)土方開(kāi)挖及混凝土支撐銜接進(jìn)行了重新細(xì)化設(shè)計(jì)與安排。

1)優(yōu)化土方開(kāi)挖順序。Ⅲ區(qū)土方開(kāi)挖劃分為3個(gè)區(qū)段A、B、C，依據(jù)SA≈SB+SC及C區(qū)留土寬度不低于4倍開(kāi)挖深度的原則，測(cè)算出C區(qū)寬度為20 m、B區(qū)寬度為40 m，并按A區(qū)—B區(qū)—C區(qū)及跳槽開(kāi)挖的總體順序?qū)嵤?/p>

2)限時(shí)開(kāi)挖并補(bǔ)強(qiáng)內(nèi)支撐。加強(qiáng)投入與合理組織施工，確保最后3層土方(每層土方約13萬(wàn)9 500 m3)及支撐1個(gè)月內(nèi)完成，折算每天6 000 m3(約為Ⅰ區(qū)基坑的1.5倍)，同時(shí)，C區(qū)每段土方開(kāi)挖后24 h內(nèi)先架設(shè)鋼管支撐，單根鋼管預(yù)加軸力1 000 kN，待鋼管支撐下混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后方可拆除鋼管支撐。Ⅲ區(qū)基坑土方開(kāi)挖分區(qū)及臨時(shí)鋼管支撐圖如圖12所示。

圖12 Ⅲ區(qū)基坑土方開(kāi)挖分區(qū)及臨時(shí)鋼管支撐圖Fig. 12 Excavation zoning and temporary steel pipe support of section III

3)控制振動(dòng)。靜力拆除C區(qū)支撐與圍檁，按分區(qū)、分段、錯(cuò)層拆除，每層結(jié)構(gòu)施工完成先拆除角撐，預(yù)留7、8、10部位支撐暫不拆除，C區(qū)支撐與圍檁采用機(jī)械切割的形式實(shí)施拆除，其余部位采用機(jī)械破除。

4)附加荷載管控。沿基坑遠(yuǎn)離地鐵側(cè)設(shè)置4處出土口，將現(xiàn)場(chǎng)辦公與生活使用的輕質(zhì)板房布設(shè)于盾構(gòu)隧道上方，確保盾構(gòu)隧道上方無(wú)重型材料堆放和重載車輛運(yùn)行。

3.1.2 內(nèi)治措施

1)側(cè)向土壓力補(bǔ)強(qiáng)。為了彌補(bǔ)基坑施工造成側(cè)向土壓力的折損，選擇對(duì)項(xiàng)目段上下行線隧道水平直徑收斂變形超過(guò)70 mm的隧道環(huán)及外延3環(huán)隧道兩側(cè)實(shí)施雙液微擾動(dòng)注漿[17-19]，漿液為水泥漿與水玻璃雙漿液，體積為(2～3)∶1，水泥漿泵流量14～16 L/min，水玻璃泵流量5～10 L/min，注漿為底部標(biāo)高以上5.2 m范圍，注漿壓力根據(jù)監(jiān)測(cè)情況確定，注漿順序采用同一排做1跳5—10環(huán)、相鄰注漿孔間隔不少于2 d、同一環(huán)隧道兩側(cè)間隔注漿，注漿拔管由下而上均勻拔出，每30 s拔5 cm(可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整)，每孔注漿量約1 100 L。若注漿期間隧道收斂值擴(kuò)張量≥5 mm，則立即停止注漿。改良管片隧道兩側(cè)土體性能，增加側(cè)向土壓力，注漿位置見(jiàn)圖13，最終注漿1 275孔。雙液微擾動(dòng)注漿現(xiàn)場(chǎng)施工圖見(jiàn)圖14。

圖13 雙液微擾動(dòng)注漿示意圖(單位： m)

圖14 雙液微擾動(dòng)注漿現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig. 14 Construction drawing of double-grout micro-disturbance grouting

2)管片結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。在施工期間，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形尚未穩(wěn)定的狀態(tài)下，實(shí)施見(jiàn)水就堵的原則，采用壁厚注漿結(jié)合環(huán)縱縫環(huán)氧堵漏。針對(duì)拱頂裂縫情況，通過(guò)粘貼芳綸布臨時(shí)加固。針對(duì)管片壓損情況，采用高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿水泥配合剛性環(huán)氧修補(bǔ)。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形基本穩(wěn)定后，針對(duì)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)基坑回筑完成時(shí)盾構(gòu)隧道橫向變形超80 mm的管片以及結(jié)構(gòu)表觀損傷嚴(yán)重的管片，共計(jì)101環(huán)實(shí)施了內(nèi)張鋼圈支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，鋼板壁厚20 mm、環(huán)寬900 mm?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況見(jiàn)圖15。

圖15 內(nèi)張鋼圈施工圖

3.2保護(hù)效果

3.2.1 外控效果

為了衡量與反分析基坑施工外控的效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)雙液微擾動(dòng)注漿孔的布置，選擇Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)基坑彎弧兩端點(diǎn)向基坑中部延伸方向的30環(huán)盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象(均未實(shí)施微擾動(dòng)注漿，且基坑及外部環(huán)境基本相同)，對(duì)比了土方開(kāi)挖及底板封閉節(jié)點(diǎn)以及基坑回筑、支撐拆除節(jié)點(diǎn)盾構(gòu)隧道水平直徑變化?；咏邓巴练介_(kāi)挖施工外控效果如圖16所示?；踊刂爸尾鸪饪匦Ч鐖D17所示。

圖16 基坑降水及土方開(kāi)挖施工外控效果Fig. 16 External control effects of dewatering and soil excavation of foundation pit

由圖16和圖17可知： Ⅲ區(qū)基坑經(jīng)優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)后，在相同階段施工條件下，Ⅲ區(qū)基坑施工造成的盾構(gòu)隧道水平直徑變化量明顯小于Ⅰ區(qū)基坑施工的影響，其中降水及土方開(kāi)挖施工影響量減少了67.0%，基坑回筑及支撐拆除施工影響量減少了63.3%，說(shuō)明對(duì)基坑施工的外控效果顯著。

圖17 基坑回筑及支撐拆除外控效果Fig. 17 External control effects of construction and support demolition of foundation pit

3.2.2 內(nèi)治效果

選取下行線X523—X665環(huán)盾構(gòu)隧道水平直徑雙液微擾動(dòng)注漿實(shí)施前、實(shí)施后及Ⅲ區(qū)基坑回筑完成節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)成果，以衡量地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)治效果，詳見(jiàn)圖18。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，即使在Ⅲ區(qū)基坑同步施工過(guò)程中，微擾動(dòng)注漿結(jié)束時(shí)，仍對(duì)該段隧道水平直徑最大糾偏22.7 mm，平均糾偏9.2 mm，待Ⅲ區(qū)基坑回筑完成時(shí)，對(duì)該段隧道水平直徑平均糾偏量達(dá)7.0 mm，說(shuō)明微擾動(dòng)注漿取得了良好的效果，不僅有效彌補(bǔ)了Ⅲ區(qū)基坑施工對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，且對(duì)隧道橫向變形起到了有效的治理作用。

圖18 盾構(gòu)隧道內(nèi)治效果

4 結(jié)論與建議

長(zhǎng)江漫灘地區(qū)因其工程地質(zhì)條件特殊性，場(chǎng)地范圍內(nèi)的深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響因素較常規(guī)地區(qū)多且復(fù)雜。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果資料的整理與分析，并利用荷載結(jié)構(gòu)法和修正慣用法對(duì)管片結(jié)構(gòu)變形的影響因素進(jìn)行定量分析，說(shuō)明長(zhǎng)江漫灘區(qū)域深基坑施工對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形影響主要因素為降水、側(cè)向卸載及附加堆載，且對(duì)不同覆土深度隧道均能產(chǎn)生一定的影響。經(jīng)過(guò)總結(jié)與反分析，長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑對(duì)盾構(gòu)隧道保護(hù)可采取針對(duì)性“外控內(nèi)治”保護(hù)措施，通過(guò)實(shí)施效果對(duì)比，說(shuō)明在深基坑施工對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道產(chǎn)生不利影響時(shí)，該措施可作為應(yīng)急保護(hù)有效的處置方案。建議在進(jìn)行長(zhǎng)江漫灘地區(qū)鄰近盾構(gòu)隧道的深基坑設(shè)計(jì)、施工及開(kāi)展相應(yīng)盾構(gòu)隧道保護(hù)工作時(shí)，應(yīng)注意如下事項(xiàng)。

1)在長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑開(kāi)挖期間，隨著水位降深的增加，鄰近地鐵盾構(gòu)管片最大彎矩逐漸增大，且隧道覆土厚度越小影響越大。深基坑在設(shè)計(jì)階段應(yīng)確保切斷坑內(nèi)外承壓水聯(lián)系，土方開(kāi)挖前應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)，確保止水效果后方可開(kāi)挖土方，并嚴(yán)格遵循“按需降水”，避免地下水位變化對(duì)盾構(gòu)隧道的影響。

2)長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑開(kāi)挖期間極易引起鄰近隧道側(cè)向土壓力折損，導(dǎo)致盾構(gòu)管片最大彎矩增大，且隧道覆土厚度越大影響越大。在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)工程籌劃，制定針對(duì)性土方開(kāi)挖、土方開(kāi)挖與內(nèi)支撐銜接、內(nèi)支撐拆除等方案，并確保快速施工，可有效降低因土壓力折損對(duì)地鐵隧道的不利影響。

3)施工附加荷載對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道的影響不可忽視，隨著堆載的增加，管片最大彎矩逐漸增大，且隧道覆土厚度越小影響越大。施工時(shí)嚴(yán)禁在隧道上方堆放重型材料或通行重載車輛，嚴(yán)格控制施工荷載。

4)長(zhǎng)江漫灘地區(qū)若深基坑對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道影響導(dǎo)致其變形較大，可按照“內(nèi)治外控”原則，在隧道內(nèi)部實(shí)施雙液微擾動(dòng)注漿施工和內(nèi)鋼環(huán)加固，可取得顯著的應(yīng)急治理效果。

5)本文將基坑降水、土方開(kāi)挖及地表堆載與管片附加荷載進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)定量分析。由于對(duì)施工工況進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如隧道單側(cè)基坑土方開(kāi)挖的工況下對(duì)隧道兩側(cè)側(cè)向土壓力進(jìn)行對(duì)稱折算，隧道上覆地表局部堆載按大面積均質(zhì)堆載考慮，未考慮各影響因素相互影響及管片變形受損的強(qiáng)度折減，因而計(jì)算成果與工程實(shí)際存在一定偏差。后期可進(jìn)一步采用有限元方法建立流固耦合場(chǎng)，并引入盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)損傷模型，對(duì)已受損盾構(gòu)隧道在外部多重因素同時(shí)作用下進(jìn)行更為符合實(shí)際工況的定量分析。

6)長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑開(kāi)挖具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，其對(duì)盾構(gòu)隧道的長(zhǎng)期影響不可忽略，本文僅針對(duì)施工期間內(nèi)盾構(gòu)隧道的突發(fā)影響及應(yīng)急保護(hù)方案進(jìn)行研究，后期可針對(duì)長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期影響相應(yīng)綜合保護(hù)措施進(jìn)行深入研究。

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StudyofInfluenceofDeepFoundationPitConstructiononAdjacentShieldTunnelinFloodplainAreaofYangtzeRiverandEmergencyProtectionMeasures

ZHANG Shufeng1, ZHU Yuquan2, SHEN Xiaowei1

(1.NanjingMetroCo.,Ltd.,Nanjing210008,Jiangsu,China; 2.ChinaDesignGroupCo.,Ltd.,Nanjing210014,Jiangsu,China)

The influence of deep foundation pit construction on adjacent shield tunnel in floodplain area of the Yangtze River is studied so as to verify the feasibility of the comprehensive emergency protection measures adopted. According to the monitoring data collected during previous construction phase, it is showed that the main influencing factors of deformation of shield tunnel structure are dewatering, lateral unloading and additional loading of deep foundation pit. The influencing factors are quantitatively analyzed by modified traditional method; and then relevant construction control technologies and reinforcing technologies are adopted. The comparison between monitoring data before and after carrying out countermeasures shows that the control of dewatering, unloading and additional loading are the keys to design and construction of deep foundation pit adjacent to shield tunnel and the comprehensive emergency protection measures adopted are rational and effective.

floodplain area of Yangtze River; deep foundation pit; shield tunnel; modified traditional method; emergency protection

2017-06-13;

2017-07-24

張書豐(1980—)，男，江蘇建湖人，2007年畢業(yè)于河海大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事工程管理工作。E-mail：myuniqueid@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.007

U 45

A

1672-741X(2017)10-1246-09