祁伏成

[上海市地礦工程勘察(集團(tuán))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(shè)，在既有地鐵隧道周邊將會(huì)不可避免地出現(xiàn)各種近距離施工活動(dòng)，如開挖基坑、建設(shè)隧道、新修河道等。在既有地鐵盾構(gòu)隧道上方進(jìn)行近距離地下工程施工，會(huì)導(dǎo)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(yīng)力狀態(tài)，使下方既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)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(guān)注的重點(diǎn)。用FLAC3D、PLAXIS等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行變形影響分析，科學(xué)預(yù)測(cè)基坑開挖、頂管施工對(duì)既有隧道安全方面的影響，有助于指導(dǎo)地鐵保護(hù)措施實(shí)施、有效控制隧道結(jié)構(gòu)變形[2-8]。鄒偉彪等[9]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了近距離下穿既有地鐵隧道的過程，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(duì)河道開挖工程對(duì)下方既有隧道影響的安全監(jiān)測(cè)為背景，采用MIDAS數(shù)值分析方法對(duì)河道開挖過程進(jìn)行模擬，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算數(shù)值相互驗(yàn)證分析，總結(jié)出河道開挖對(duì)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(biāo)高為黃海高程2.3～3.0 m。河道設(shè)計(jì)寬度51～65 m，挖深4.67 m，河底設(shè)計(jì)標(biāo)高-1.87 m，常水位標(biāo)高+1.27 m，枯水位標(biāo)高+0.80 m。下方運(yùn)營軌交隧道區(qū)間為雙線，隧道直徑6.2 m，管片頂標(biāo)高約-12.793～-12.611 m，河底至盾構(gòu)頂10.741～10.923 m。

河道開挖對(duì)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(qiáng)等特點(diǎn)，工程性能和滲透穩(wěn)定性差。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 地鐵保護(hù)措施

為了保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營正常，采用三軸攪拌樁進(jìn)行門式土體加固，采用臨時(shí)壓重、分塊開挖等措施，輔以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段來減弱軌道上方土體開挖對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響。

1) 門式土體加固

盾構(gòu)區(qū)間正上方重點(diǎn)影響區(qū)域采用?650@450 mm三軸水泥攪拌樁進(jìn)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(qiáng)加固，以提高土體強(qiáng)度，降低河道開挖時(shí)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(shí)壓重設(shè)計(jì)

在門式加固區(qū)域挖土至-1.87 m時(shí)須及時(shí)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(fù)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(yīng)。施工時(shí)先開挖加固區(qū)河道，后開挖加固區(qū)以外的河道，臨時(shí)壓重如圖3所示。

4) 自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在施工過程中，對(duì)影響范圍內(nèi)的既有隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)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(cè)總長約為105 m，共計(jì)18條監(jiān)測(cè)斷面，既有隧道監(jiān)測(cè)布置示意如圖4所示。采用精度為0.01 mm的靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)隧道豎向位移，同時(shí)布設(shè)0.5″全站儀有棱鏡測(cè)量機(jī)器人開展隧道水平位移及收斂自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

圖3 臨時(shí)壓重

圖4 既有隧道監(jiān)測(cè)布置示意

3 有限元數(shù)值分析

3.1 計(jì)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(duì)既有區(qū)間隧道變形影響的分析。根據(jù)實(shí)際地形、開挖河道、盾構(gòu)區(qū)間實(shí)際尺寸和位置關(guān)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(gòu)區(qū)域正上方區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)影響區(qū)域，旁側(cè)河道開挖20 m范圍內(nèi)為次重點(diǎn)影響區(qū)域，20 m以外為非影響區(qū)域。重點(diǎn)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(jì)算參數(shù)

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

表3 模型結(jié)構(gòu)體計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算工況設(shè)置

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

①初始地應(yīng)力平衡(位移清零)；②重點(diǎn)影響區(qū)域清表(場(chǎng)地標(biāo)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(diǎn)影響區(qū)域并及時(shí)壓重(共33個(gè)分塊)；⑤同步對(duì)稱分區(qū)開挖南、北側(cè)河道次影響區(qū)域并及時(shí)壓重(共16個(gè)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(gòu)側(cè)面及上方開挖土體，必然會(huì)導(dǎo)致坑底土體回彈和盾構(gòu)上浮，當(dāng)盾構(gòu)變形超過一定范圍，就會(huì)影響軌道的安全運(yùn)營。參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》(DB33/T 1139—2017)[10]，并考慮到軌交隧道投入運(yùn)營時(shí)間較短，本方案軌道保護(hù)控制指標(biāo)按照軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀況Ⅱ類考慮，故河道開挖時(shí)盾構(gòu)的豎向位移控制值為10 mm，水平位移、相對(duì)收斂累計(jì)變形控制值為8 mm。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

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

1) 工況2：重點(diǎn)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(gè)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(shí)，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(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)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(huì)打破原有的應(yīng)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(shí)，水泥摻入土體內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致土體重度提高，土體自重增大，進(jìn)而導(dǎo)致下方隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下沉。

(3) 工況46時(shí)，區(qū)間隧道上浮累計(jì)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(gòu)隧道正上方重點(diǎn)影響區(qū)域河道開挖引起的隧道累計(jì)上浮值為3.36 mm，次重點(diǎn)影響區(qū)河道開挖引起的隧道累計(jì)上浮值為8.67 mm，整個(gè)河道開挖引起的隧道上浮累計(jì)值為9.54 mm。當(dāng)河道通水時(shí)，區(qū)間盾構(gòu)隧道上浮最大值為8.31 mm，當(dāng)河道處于枯水期時(shí)，區(qū)間盾構(gòu)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(guān)規(guī)范及工程技術(shù)的要求。

4 實(shí)測(cè)效果驗(yàn)證分析

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值與計(jì)算模擬值對(duì)比分析，科學(xué)評(píng)價(jià)河道開挖全過程對(duì)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(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)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(shí)測(cè)水平位移最大值發(fā)生在工況46河道開挖結(jié)束時(shí)，與計(jì)算模擬一致。說明數(shù)值模擬對(duì)施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的有效控制具有指導(dǎo)作用。

(2) 區(qū)間隧道水平位移實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，實(shí)測(cè)最大位移量為1.92 mm，小于2.74 mm(計(jì)算值)。

(3) 整個(gè)河道開挖對(duì)區(qū)間盾構(gòu)隧道水平變形的影響較小，當(dāng)整個(gè)河道開挖完畢時(shí)，區(qū)間盾構(gòu)隧道的水平變形累計(jì)達(dá)到最大。當(dāng)河道開挖處在不同施工工況下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)區(qū)間水平位移逐漸增大。

圖6 區(qū)間隧道水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

區(qū)間隧道豎向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示，由圖7可知：

(1) 總體上盾構(gòu)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(qiáng)化體，在河道開挖土體卸載時(shí)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(dǎo)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(duì)稱開挖等保護(hù)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(cè)曲線趨于平緩，隧道結(jié)構(gòu)變形已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 區(qū)間隧道豎向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)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(gòu)沉降和水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯小于計(jì)算理論值，由此可見本項(xiàng)目所采取的地鐵保護(hù)措施能夠有效減少區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的沉降及水平位移變形，起到了保護(hù)軌道結(jié)構(gòu)的作用。

5 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了河道開挖對(duì)下方既有隧道的變形特征及影響規(guī)律，驗(yàn)證了門式加固等保護(hù)措施對(duì)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(shí)壓重和分區(qū)分層開挖工藝等保護(hù)措施，可以有效控制河道開挖對(duì)鄰近既有地鐵隧道產(chǎn)生的土體卸荷效應(yīng)影響。借助自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，可獲得可靠的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為隧道安全運(yùn)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(xué)預(yù)測(cè)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(xiàng)變形指標(biāo)均小于安全控制值，對(duì)后期安全施工及隧道結(jié)構(gòu)安全變形控制具有指導(dǎo)作用。

(3) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元數(shù)值計(jì)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(biāo)值，有效保證了區(qū)間隧道運(yùn)營和結(jié)構(gòu)安全。