祁伏成

[上海市地礦工程勘察(集團)有限公司，上海 200072]

隨著城市軌道交通的發(fā)展以及地下空間的大規(guī)模開發(fā)建設，在既有地鐵隧道周邊將會不可避免地出現(xiàn)各種近距離施工活動，如開挖基坑、建設隧道、新修河道等。在既有地鐵盾構隧道上方進行近距離地下工程施工，會導致大量土體卸載，土體產(chǎn)生的卸荷作用將改變周圍土體的應力狀態(tài)，使下方既有地鐵隧道結(jié)構產(chǎn)生豎向隆起變形，影響既有地鐵隧道的安全[1]。因此，如何控制土體開挖卸載過程中地鐵隧道的上浮和變形是各方關注的重點。用FLAC3D、PLAXIS等數(shù)值模擬軟件進行變形影響分析，科學預測基坑開挖、頂管施工對既有隧道安全方面的影響，有助于指導地鐵保護措施實施、有效控制隧道結(jié)構變形[2-8]。鄒偉彪等[9]實時監(jiān)測了近距離下穿既有地鐵隧道的過程，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果分析了下穿既有隧道的豎向變形規(guī)律。

本文以針對河道開挖工程對下方既有隧道影響的安全監(jiān)測為背景，采用MIDAS數(shù)值分析方法對河道開挖過程進行模擬，通過現(xiàn)場實時監(jiān)測結(jié)果與計算數(shù)值相互驗證分析，總結(jié)出河道開挖對既有地鐵隧道變形影響規(guī)律，以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

浙江某新修河道上跨既有軌交區(qū)間隧道，開挖河道主要影響區(qū)位于現(xiàn)狀寧穿路口，自然地坪標高為黃海高程2.3～3.0 m。河道設計寬度51～65 m，挖深4.67 m，河底設計標高-1.87 m，常水位標高+1.27 m，枯水位標高+0.80 m。下方運營軌交隧道區(qū)間為雙線，隧道直徑6.2 m，管片頂標高約-12.793～-12.611 m，河底至盾構頂10.741～10.923 m。

河道開挖對既有區(qū)間隧道的影響主要涉及淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉質(zhì)黏土和粉土土層。

上述土層具有孔隙率大、壓縮性大、沉陷大、觸變性強等特點，工程性能和滲透穩(wěn)定性差。土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學參數(shù)

2 地鐵保護措施

為了保證既有隧道結(jié)構安全、運營正常，采用三軸攪拌樁進行門式土體加固，采用臨時壓重、分塊開挖等措施，輔以自動化監(jiān)測手段來減弱軌道上方土體開挖對盾構結(jié)構的影響。

1) 門式土體加固

盾構區(qū)間正上方重點影響區(qū)域采用?650@450 mm三軸水泥攪拌樁進行門式加固，樁長為11.6 m和28 m兩種，均位于河道內(nèi)，上部采用水泥摻量8%的弱加固，其余區(qū)域采用水泥摻量25%的強加固，以提高土體強度，降低河道開挖時土體的隆起。河道門式加固示意如圖1所示，區(qū)間隧道豎向剖面圖如圖2所示。

圖1 河道門式加固示意

2) 臨時壓重設計

在門式加固區(qū)域挖土至-1.87 m時須及時壓重(26 kPa)，通過壓重來抵消部分挖土卸載，施工完成后河道恢復常水位過程中，逐步將壓重減少并最終清除壓重。

3) 分塊分層開挖

采用分塊跳倉開挖，化大為小，弱化尺寸效應。施工時先開挖加固區(qū)河道，后開挖加固區(qū)以外的河道，臨時壓重如圖3所示。

4) 自動化實時監(jiān)測

在施工過程中，對影響范圍內(nèi)的既有隧道結(jié)構安全狀態(tài)進行安全監(jiān)測，監(jiān)測范圍為開挖河道平面投影覆蓋區(qū)及兩側(cè)延伸3倍開挖深度內(nèi)。隧道內(nèi)監(jiān)測總長約為105 m，共計18條監(jiān)測斷面，既有隧道監(jiān)測布置示意如圖4所示。采用精度為0.01 mm的靜力水準儀監(jiān)測隧道豎向位移，同時布設0.5″全站儀有棱鏡測量機器人開展隧道水平位移及收斂自動化監(jiān)測。

圖3 臨時壓重

圖4 既有隧道監(jiān)測布置示意

3 有限元數(shù)值分析

3.1 計算模型建立

借助MIDAS有限元分析軟件，模擬明湖工程河道開挖施工工程中對既有區(qū)間隧道變形影響的分析。根據(jù)實際地形、開挖河道、盾構區(qū)間實際尺寸和位置關系，建立了全面的真三維模型，模型包括河道開挖區(qū)域、土體加固區(qū)域及軌交區(qū)間隧道，三維有限元模型如圖5所示。河道位于盾構區(qū)域正上方區(qū)域為重點影響區(qū)域，旁側(cè)河道開挖20 m范圍內(nèi)為次重點影響區(qū)域，20 m以外為非影響區(qū)域。重點影響區(qū)域位于軌交區(qū)間隧道正上方，故在此區(qū)域采取分區(qū)開挖及壓重的施工措施。

3.2 計算參數(shù)

土體及加固土體本構關系采用HS-Small模型(小應變硬化模型)，此模型能更好地反映河道開挖過程對隧道結(jié)構位移、變形的影響。通過相似土層合并，土層力學參數(shù)采用加權平均方法獲取，模型計算土體參數(shù)如表2所示，模型結(jié)構體計算參數(shù)如表3所示。

表3 模型結(jié)構體計算參數(shù)

3.3 計算工況設置

數(shù)值計算按照施工步驟來模擬整個施工過程，考慮施工過程中的空間位移變化，暫不考慮時間效應。計算采用動態(tài)模擬施工過程的計算方法，其中，在河道區(qū)域開挖至河道底時，施工配重以荷載形式表示，施工配重按設計26 kPa計算，共設置了48個施工工況。施工步驟如下：

①初始地應力平衡(位移清零)；②重點影響區(qū)域清表(場地標高整平至2.0 m)；③門式加固施工(三軸水泥攪拌樁施工)；④分區(qū)分塊開挖重點影響區(qū)域并及時壓重(共33個分塊)；⑤同步對稱分區(qū)開挖南、北側(cè)河道次影響區(qū)域并及時壓重(共16個分塊)；⑥開挖其余普通段河道；⑦河道通水，逐步卸除壓重。

3.4 安全控制值

在既有軌道交通盾構側(cè)面及上方開挖土體，必然會導致坑底土體回彈和盾構上浮，當盾構變形超過一定范圍，就會影響軌道的安全運營。參照《城市軌道交通結(jié)構安全保護技術規(guī)程》(DB33/T 1139—2017)[10]，并考慮到軌交隧道投入運營時間較短，本方案軌道保護控制指標按照軌道交通結(jié)構安全狀況Ⅱ類考慮，故河道開挖時盾構的豎向位移控制值為10 mm，水平位移、相對收斂累計變形控制值為8 mm。

3.5 計算結(jié)果分析

地鐵隧道結(jié)構隨著河道開挖工況會產(chǎn)生沉降變形，本文節(jié)選5處重點工況下區(qū)間隧道變形結(jié)果分析如下：

1) 工況2：重點影響區(qū)域清表

該區(qū)域水平位移最大值為+1.39 mm；豎向位移最大值為+4.36 mm。

2) 工況3：門式加固施工

該區(qū)域水平位移最大值為+0.66 mm；豎向位移最大值為-2.86 mm。

3) 工況37：開挖次影響區(qū)并壓重26 kPa

該區(qū)域水平位移最大值為+1.65 mm；豎向位移最大值為+4.27 mm。

4) 工況46：普通河道開挖

該區(qū)域水平位移最大值為-2.74 mm；豎向位移最大值為+9.54 mm。

5) 工況47：河道通水，逐漸消除壓重

該區(qū)域水平位移最大值為-2.37 mm；豎向位移最大值為+8.31 mm。

由各工況位移情況可知：

(1) 整個河道開挖過程中，在工況46開挖河道兩側(cè)非影響區(qū)域時，區(qū)間隧道水平位移最大值為2.74 mm，說明既有隧道旁側(cè)向河道開挖會導致隧道結(jié)構水平位移逐漸增大。

(2) 在工況3門式加固階段，區(qū)間隧道沉降最大值為-2.86 mm。擬建河道土方清表、卸荷開挖會打破原有的應力平衡狀態(tài)，引起隧道豎向變形。在三軸水泥攪拌樁施工時，水泥摻入土體內(nèi)，會導致土體重度提高，土體自重增大，進而導致下方隧道結(jié)構出現(xiàn)下沉。

(3) 工況46時，區(qū)間隧道上浮累計最大值為9.54 mm，且上浮值隨著河道開挖施工工況而逐步增加，其中區(qū)間盾構隧道正上方重點影響區(qū)域河道開挖引起的隧道累計上浮值為3.36 mm，次重點影響區(qū)河道開挖引起的隧道累計上浮值為8.67 mm，整個河道開挖引起的隧道上浮累計值為9.54 mm。當河道通水時，區(qū)間盾構隧道上浮最大值為8.31 mm，當河道處于枯水期時，區(qū)間盾構隧道上浮最大值為9.23 mm。綜上，河道開挖引起隧道變形小于安全控制值10 mm，符合相關規(guī)范及工程技術的要求。

4 實測效果驗證分析

通過現(xiàn)場實時監(jiān)測值與計算模擬值對比分析，科學評價河道開挖全過程對既有區(qū)間地鐵隧道的綜合變形影響，區(qū)間隧道水平位移實測值與計算結(jié)果對比如圖6所示。由圖6可知：

(1) 二者曲線變化規(guī)律基本相同，區(qū)間隧道變形特征基本一致，實測水平位移最大值發(fā)生在工況46河道開挖結(jié)束時，與計算模擬一致。說明數(shù)值模擬對施工關鍵節(jié)點的有效控制具有指導作用。

(2) 區(qū)間隧道水平位移實測值小于計算值，實測最大位移量為1.92 mm，小于2.74 mm(計算值)。

(3) 整個河道開挖對區(qū)間盾構隧道水平變形的影響較小，當整個河道開挖完畢時，區(qū)間盾構隧道的水平變形累計達到最大。當河道開挖處在不同施工工況下時，會導致盾構區(qū)間水平位移逐漸增大。

圖6 區(qū)間隧道水平位移實測值與計算結(jié)果對比

區(qū)間隧道豎向位移實測值與計算結(jié)果對比如圖7所示，由圖7可知：

(1) 總體上盾構隧道豎向位移變化量處于較低位水平，區(qū)間隧道豎向位移最大量為+4.03 mm。在河道開挖前期(清表和門式加固階段)，區(qū)間隧道最大沉降量為2.85 mm，由于三軸攪拌樁加固后形成門式土體強化體，在河道開挖土體卸載時能夠抑制隧道的上浮變形。隧道上方土體在三軸攪拌樁加固后，土體重度增加，導致正下方區(qū)間隧道下沉。

(2) 隨著河道開挖土體卸荷較少，隧道出現(xiàn)不同程度的上浮，但土體加固、壓重和分區(qū)對稱開挖等保護措施，能夠有效抵消部分后期河道開挖引起的上浮量，使隧道變形得到有效控制。

(3) 后期河道通水后，監(jiān)測曲線趨于平緩，隧道結(jié)構變形已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 區(qū)間隧道豎向位移實測值與計算結(jié)果對比

綜上，河道開挖引起的隧道水平變形和豎向變形均滿足安全控制值的要求，隧道結(jié)構沉降和水平位移實測數(shù)據(jù)明顯小于計算理論值，由此可見本項目所采取的地鐵保護措施能夠有效減少區(qū)間隧道結(jié)構的沉降及水平位移變形，起到了保護軌道結(jié)構的作用。

5 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值分析與實時監(jiān)測結(jié)果，分析了河道開挖對下方既有隧道的變形特征及影響規(guī)律，驗證了門式加固等保護措施對區(qū)間隧道變形控制效果明顯，得到如下結(jié)論。

(1) 采用土體加固、臨時壓重和分區(qū)分層開挖工藝等保護措施，可以有效控制河道開挖對鄰近既有地鐵隧道產(chǎn)生的土體卸荷效應影響。借助自動化監(jiān)測手段，可獲得可靠的動態(tài)實測數(shù)據(jù)，為隧道安全運營及河道開挖施工提供參考，從而保證區(qū)間隧道變形處于安全可控狀態(tài)。

(2) MIDAS數(shù)值分析科學預測了后續(xù)開挖工況產(chǎn)生的施工影響。結(jié)果表明，區(qū)間隧道在河道開挖過程中產(chǎn)生了一定的上浮和水平位移，但各項變形指標均小于安全控制值，對后期安全施工及隧道結(jié)構安全變形控制具有指導作用。

(3) 實時監(jiān)測結(jié)果與有限元數(shù)值計算曲線變化規(guī)律基本相同，區(qū)間隧道變形特征基本一致，河道開挖引起的隧道水平變形最大值為+1.92 mm，豎向變形最大值為+4.03 mm，均小于安全控制指標值，有效保證了區(qū)間隧道運營和結(jié)構安全。