繆紹勇

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道交通項(xiàng)目與地下空間的開(kāi)發(fā)迅速興起。地鐵上蓋空間、站點(diǎn)及周邊建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，施工帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大，許多新建、改建和擴(kuò)建工程離地鐵非常近。施工過(guò)程中對(duì)土體的擾動(dòng)，不可避免地將引起下臥土層和隧道結(jié)構(gòu)的變形。因此，施工過(guò)程中對(duì)鄰近地鐵隧道變形的影響，是我們需要密切關(guān)注的問(wèn)題。不僅關(guān)系到地鐵隧道的正常使用及安全性，同時(shí)也決定了項(xiàng)目的進(jìn)程[1-10]。

1 工程概況

雙界河水廊道工程位于雙界河寶安大道橋—出海口段，在深圳市前海合作區(qū)的最北端，是前海合作區(qū)和寶安區(qū)的界河。雙界河水廊道總長(zhǎng)約1.69 km，主槽寬度30～35 m，堤距155～263 m。本工程基坑主要為形成河道主槽，保證河道行洪及防風(fēng)暴潮安全。水廊道主槽底高程－2.00～－1.95 m，采用矩形布置形式。水廊道下方有多條運(yùn)營(yíng)地鐵線路，如圖1所示。施工期間地鐵保護(hù)要求極高，地鐵隧道上浮不得超過(guò)10 mm。設(shè)計(jì)方案采用門(mén)式支架對(duì)地鐵隧道進(jìn)行保護(hù)。

圖1 雙界河與運(yùn)營(yíng)地鐵線路立面空間關(guān)系

2 基于不同開(kāi)挖條件下的有限元分析

2.1 初始條件設(shè)置

采用Plaxis有限元分析軟件進(jìn)行分析。Hardening-Soil模型采用3個(gè)不同的輸入剛度，即：三軸加載剛度、三軸卸載剛度和固結(jié)儀加載剛度，該模型使用了一條雙曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，所有的剛度隨著壓力的增加而增加，從而更符合實(shí)際情況。

1）分析對(duì)象。本次研究對(duì)象為前海市政工程三標(biāo)的雙界河水廊道進(jìn)行基坑開(kāi)挖對(duì)下方地鐵保護(hù)區(qū)的影響。

2）分析模型。針對(duì)不同分析對(duì)象采用不同的單元類型和本構(gòu)關(guān)系，具體見(jiàn)表1，分析模型的底部采用全自由度約束，即水平、豎直向固定約束，側(cè)面采用法向約束，允許豎向變形。

表1 分析單元類型與本構(gòu)模型

采用圖2所示的典型門(mén)式加固進(jìn)行建模分析。

圖2 門(mén)式加固計(jì)算剖面示意

3）施工工況模擬。

① 初始應(yīng)力條件。初始應(yīng)力條件的確定是模型建立的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)分析問(wèn)題的不同，采用不同的初始應(yīng)力場(chǎng)。基坑開(kāi)挖前場(chǎng)地存在初始應(yīng)力場(chǎng)，故首先按土體自重應(yīng)力場(chǎng)來(lái)模擬場(chǎng)地存在的初始應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于水平土層條件的初始應(yīng)力場(chǎng)可以采用KO系數(shù)法。在上述應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)上，初始化所有位移與應(yīng)變?yōu)榱?，僅保存其變化的應(yīng)力場(chǎng)作為基坑施工模擬的初始應(yīng)力場(chǎng)。

② 初始應(yīng)力狀態(tài)。采用有限元軟件中“單元生死”的方法，在基坑開(kāi)挖前激活，考慮其對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響，同時(shí)在場(chǎng)地現(xiàn)狀模擬對(duì)初始位移歸零，更直觀地反映出本次基坑開(kāi)挖對(duì)下方地鐵保護(hù)區(qū)的影響。

③ 基坑開(kāi)挖過(guò)程利用有限元軟件“單元生死”技術(shù)模擬，通過(guò)分步殺死土體單元，模擬土體開(kāi)挖的全過(guò)程。

2.2 無(wú)措施開(kāi)挖引起的地鐵隧道隆起

模擬無(wú)任何加固措施的情況下，進(jìn)行主槽基坑開(kāi)挖時(shí)，基坑坑底隆起對(duì)地鐵隧道的影響。計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 下方左線地鐵變形（最大變形17.78 mm）

圖4 下方右線地鐵變形（最大變形17.83 mm）

根據(jù)上述模擬分析，主槽開(kāi)挖引起的基底隆起對(duì)地鐵隧道會(huì)產(chǎn)生較大的影響，地鐵隧道向上隆起約17.8 mm。

2.3 頂部土體加固對(duì)地鐵隧道的影響

模擬打設(shè)完抗拔樁及采取地鐵隧道上方土體加固措施的情況下，進(jìn)行主槽基坑開(kāi)挖時(shí)，基坑坑底隆起對(duì)地鐵隧道的影響。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 下方左線地鐵變形（最大變形13.47 mm）

圖6 下方右線地鐵變形（最大變形13.55 mm）

根據(jù)上述模擬分析，主槽開(kāi)挖引起的基底隆起對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生的影響略有減小，地鐵隧道向上隆起約13.6 mm。

2.4 有限元分析結(jié)果

綜合上述不同工況下的有限元分析，主槽開(kāi)挖引起的坑底隆起對(duì)地鐵隧道的影響如表2所示。

表2 不同施工情況下基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道變形的影響分析

由此可見(jiàn)，在地鐵隧道上方進(jìn)行土體地基加固，雖然會(huì)對(duì)隧道的抗隆抗浮產(chǎn)生一些有利作用，但效果并不顯著；當(dāng)?shù)罔F隧道上方門(mén)式結(jié)構(gòu)起抗浮作用時(shí)，隧道變形效果明顯。

然而，按原方案分2次開(kāi)挖，開(kāi)挖至標(biāo)高1.0 m處時(shí)，土體已經(jīng)卸載，開(kāi)始施工抗拔樁、高壓旋噴樁，以及二次開(kāi)挖再形成門(mén)式結(jié)構(gòu)需要較長(zhǎng)的工期，地鐵隧道變形仍然很可能會(huì)超過(guò)10 mm的限值。

因此，需要改進(jìn)施工方案，首先要確?？拱螛丁⒏邏盒龂姌妒┕て陂g的隧道穩(wěn)定，其次要加快地鐵隧道上方門(mén)式結(jié)構(gòu)的形成，并使其盡快起到抗浮抗隆作用。

3 綜合抗浮防變形措施及實(shí)施效果

如何加快地鐵隧道上方門(mén)式結(jié)構(gòu)的形成，并快速起到抗浮抗隆作用是本工程的關(guān)鍵。因此，在門(mén)式結(jié)構(gòu)形成并起到抗浮抗隆作用之前，需要采用相應(yīng)的抗浮措施，盡可能降低地鐵隧道的不均勻隆起變形，起到保護(hù)地鐵運(yùn)營(yíng)線路的作用。

3.1 提高地鐵隧道上方抗拔樁和土體地基加固措施作業(yè)面

先進(jìn)行抗拔灌注樁和高壓旋噴樁土體地基加固施工，再進(jìn)行分期分層開(kāi)挖。該段地鐵上方原有填海區(qū)覆土厚度本身較少，由于一期開(kāi)挖后因灌注樁施工工期導(dǎo)致地鐵上方卸載時(shí)間較長(zhǎng)，造成隧道結(jié)構(gòu)變形值增大。減少地鐵因上方深基坑開(kāi)挖卸土，加固形式未能及時(shí)有效形成期間產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素，保證運(yùn)營(yíng)地鐵線路的安全可靠。此優(yōu)化方案雖然增加了少量空樁造價(jià)，但是對(duì)地鐵保護(hù)施工卻起到了極大的作用。

3.2 降水抗浮措施

通過(guò)布置降水井實(shí)施基坑降水，有效降低隧道所受向上浮力。同時(shí)，降水能夠加快土體的固結(jié)，起到抑制隧道上浮的作用。優(yōu)化取消原各地鐵線路采用的電滲降水方案，改為井點(diǎn)降水，并加密降水井布置的措施，同時(shí)將降水井深度加深1～2倍。此處理措施主要考慮該區(qū)域鄰海，早晚期間潮汐漲落導(dǎo)致水位變化較大，水頭差壓力變化明顯，特別是鄰近出?？趦H500 m的5號(hào)地鐵線，為保證基坑開(kāi)挖期間水位穩(wěn)定，減少地鐵保護(hù)范圍內(nèi)的水位影響。該措施落實(shí)施工一個(gè)月后，水位最多較原方案降低了5 m，針對(duì)流砂對(duì)降水井產(chǎn)生的堵塞、埋井等影響也得到有效改善，且各地鐵線路上浮數(shù)值有所降低，優(yōu)化措施效果明顯。

3.3 分塊開(kāi)挖卸荷措施

將原來(lái)的放坡開(kāi)挖形式改為地鐵保護(hù)區(qū)兩端同時(shí)采用豎井進(jìn)行開(kāi)挖。此處理措施主要考慮放坡開(kāi)挖一方面需要增大地鐵上方的土方卸載量，造成基坑加固不穩(wěn)定性，另一方面放坡開(kāi)挖需要施工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，給門(mén)式抗浮結(jié)構(gòu)的加固造成一定的延后，增加了地鐵保護(hù)的不穩(wěn)定性。此優(yōu)化方案不僅大量減少了地鐵上方的卸土量，還能適當(dāng)縮短地鐵上方基坑開(kāi)挖過(guò)程地基加固處理的時(shí)間，減少施工挖土卸荷對(duì)地鐵上浮的影響，確保地鐵能盡早得到保護(hù)。通過(guò)此優(yōu)化挖土方式，將原來(lái)單塊地鐵保護(hù)區(qū)段的施工卸土作業(yè)時(shí)間12 d（不包含灌注樁施工暴露時(shí)間）縮短至8～10 d，有效縮短了門(mén)式抗浮結(jié)構(gòu)起到加固作用的時(shí)間，地鐵上浮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效降低，并更早地趨于穩(wěn)定數(shù)值。

3.4 “門(mén)式結(jié)構(gòu)”快速形成技術(shù)

從若干不同開(kāi)挖條件下的基坑開(kāi)挖引起地鐵隆起的有限元分析結(jié)果可知，當(dāng)“門(mén)式結(jié)構(gòu)”形成并開(kāi)始起作用后，對(duì)地鐵隧道抗隆起等的整體保護(hù)作用十分顯著，如何加快“門(mén)式結(jié)構(gòu)”的形成，使其盡快參與對(duì)地鐵的保護(hù)作用，是十分必要的。因此需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，總結(jié)形成“門(mén)式結(jié)構(gòu)”快速形成技術(shù)。每一分區(qū)豎井開(kāi)挖到底后采用預(yù)制裝配式混凝土梁和蓋板安裝理論上只需要2 d的時(shí)間就能完成一塊施工段的門(mén)式抗浮結(jié)構(gòu)段，且其僅需澆筑節(jié)點(diǎn)部位混凝土，澆筑方量小，通過(guò)摻入早強(qiáng)劑或提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)等措施，能夠大大加快“門(mén)式結(jié)構(gòu)”的形成并縮短其起作用的時(shí)間。

4 施工效果

施工過(guò)程中通過(guò)此優(yōu)化挖土方式，將原來(lái)單塊地鐵保護(hù)區(qū)段的施工卸土作業(yè)時(shí)間12 d（不包含灌注樁施工暴露時(shí)間）縮短至8～10 d，有效縮短了門(mén)式抗浮結(jié)構(gòu)起到加固作用的時(shí)間，地鐵隧道始終處于穩(wěn)定和安全的可控狀況。施工過(guò)程各項(xiàng)地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，累計(jì)變形均控制在7 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求的10 mm以內(nèi)，地鐵結(jié)構(gòu)變形得到有效控制，施工工期得到有效加快。本工程于2017年年底順利完成所有4條已運(yùn)營(yíng)地鐵線路保護(hù)區(qū)段內(nèi)的施工內(nèi)容，并回填土至設(shè)計(jì)河槽底標(biāo)高。

5 結(jié)語(yǔ)

單一的加固方式無(wú)法控制地鐵隧道變形影響，更無(wú)法保證上方地鐵運(yùn)營(yíng)的安全。利用基坑開(kāi)挖“時(shí)空效應(yīng)”，加快土方開(kāi)挖，配合預(yù)制裝配式工藝，及早形成門(mén)式結(jié)構(gòu)，顯著提高對(duì)地鐵隧道的保護(hù)作用。實(shí)際過(guò)程中，門(mén)式結(jié)構(gòu)應(yīng)與其他綜合抗浮防變形措施相互配合。該綜合門(mén)式結(jié)構(gòu)加固可應(yīng)用于其他類似工程，在運(yùn)營(yíng)中的地鐵隧道加固方面應(yīng)用前景廣闊。