丁加亮，陳 江，余富先，唐賢海

(1.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518000;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

0 引言

進入21世紀(jì)以來，隨著我國地下軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，既有隧道受到上方基坑開挖影響的問題越來越突出。在既有隧道上方開挖基坑，必然導(dǎo)致坑底土體回彈和隧道隆起，當(dāng)隧道變形值超過一定范圍，就會影響隧道的安全運營，所以對基坑開挖引起的隧道變形有著嚴(yán)格地控制。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者針對基坑開挖對既有隧道的影響做過一些研究，張治國等［1］采用2階段分析方法分析了上海市閘北區(qū)某基坑開挖對隧道的影響，考慮了不同隧道直徑、隧道與開挖基坑的距離和不同地質(zhì)條件等因素。姜兆華等［2］采用 Mindlin理論計算基坑開挖引起的附加應(yīng)力，并施加于既有隧道結(jié)構(gòu)上，計算得到隧道位移和內(nèi)力。黃栩等［3］提出了Kerr地基模型計算基坑開挖引起既有隧道縱向變形的方法。然而他們的計算方法都沒有考慮土體的非線性，而且只適用形狀規(guī)則的基坑。魏綱［4］收集了國內(nèi)14個基坑下方有隧道的基坑開挖實例，經(jīng)過實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，提出了基坑開挖引起隧道最大位移值的經(jīng)驗公式。鄭剛等［5］根據(jù)天津西站交通樞紐基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為分段壓載、分塊開挖并結(jié)合信息化施工可以有效地控制隧道的隆起變形。文獻(xiàn)［6－12］利用三維數(shù)值計算軟件分析基坑開挖對既有隧道的影響，對坑內(nèi)未加固和加固后2種工況進行了計算，結(jié)果表明坑內(nèi)加固可以使隧道隆起位移量控制在結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)。

以上研究都僅考慮單一基坑開挖對既有隧道的影響，本文分析了2個緊鄰基坑開挖對隧道隆起的影響。以深圳地鐵11號線車公廟站交通樞紐工程為依托，分析西端風(fēng)道基坑開挖和緊鄰11號線車站基坑開挖對既有深圳地鐵1號線隧道的影響，采用三維數(shù)值計算手段和實測數(shù)據(jù)分析隧道隆起的規(guī)律和旋噴樁加固效果。

1 工程概況

西端風(fēng)道位于深圳地鐵11號線車公廟站西側(cè)，緊鄰11號線地鐵車站和豐盛町地下商業(yè)街，風(fēng)道寬約19.4 m，長約 35.8 m，基坑深約 8.1 m，風(fēng)道內(nèi)設(shè)集水井，集水井基坑深約9.4 m，均位于既有的1號線車竹區(qū)間隧道上方。風(fēng)道主要位于深南大道中央綠化帶范圍內(nèi)，南側(cè)部分位于深南大道范圍內(nèi)(約6.5 m)。風(fēng)道距離1號線車站約17.7 m。11號線車站為地下2層2柱3跨和3柱4跨結(jié)構(gòu)，寬26.8 m，長414.28 m，基坑深度16.6～21.5 m，采用蓋挖逆作法施工。11號線車公廟站北側(cè)部分圍護結(jié)構(gòu)與1號線車公廟站共用圍護樁，其余圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)。

車公廟地區(qū)主要為上軟下硬地層，主要有礫質(zhì)黏土層、全風(fēng)化花崗巖層和強風(fēng)化花崗巖層，風(fēng)化花崗巖遇水自穩(wěn)性較差，而施工現(xiàn)場地下水位埋深很淺，基坑降水和開挖時，地表沉降很難控制，會影響鄰近建筑物的安全。

由于西端風(fēng)道受場地限制，需布置在既有1號線區(qū)間隧道上方，為提高基坑底部土體性能，避免風(fēng)道基坑開挖造成的踢腳、管涌和基坑隆起等風(fēng)險，西端風(fēng)道采用φ600@450全方位高壓噴射加固，采用42.5R普通硅酸鹽水泥。西端風(fēng)道加固范圍與1號線區(qū)間相對位置關(guān)系見圖1所示，旋噴樁施工流程如圖2所示。旋噴樁加固施工時的關(guān)鍵技術(shù)與注意事項如下:

1)根據(jù)現(xiàn)場放線移動鉆機，使鉆桿頭對準(zhǔn)孔位中心。同時為保證鉆機達(dá)到設(shè)計要求的垂直度，鉆機就位后必須作水平校正，使其鉆桿軸線垂直對準(zhǔn)鉆孔中心位置，保證鉆孔的垂直度不超過1%。

2)鉆孔前必須先確定該孔所屬區(qū)域和鉆孔深度，并統(tǒng)計好每臺機所有的鉆桿長度，做到下管心中有數(shù)。

3)鉆進成孔，孔徑為φ125 mm，嚴(yán)格按已定樁位進行成孔，平面位置偏差不得大于50 mm，采用原土造漿護壁，在泥漿性能指標(biāo)不能滿足施工要求時，添加適當(dāng)泥粉或膨潤土。鉆孔過程中要嚴(yán)格控制好鉆孔深度，不得超深。

4)當(dāng)注漿管貫入土中，噴嘴達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，即可按確定的施工參數(shù)噴射注漿。噴射時應(yīng)先達(dá)到預(yù)定的噴射壓力，量正常后再逐漸提升注漿管，由下而上旋噴注漿。

5)每次旋噴時，均應(yīng)先噴漿后旋轉(zhuǎn)和提升，以防止?jié){管扭斷。

6)配制水泥漿時，水灰比要求按設(shè)計規(guī)定，不得隨意更改，在噴漿過程中應(yīng)防止水泥漿沉淀，使?jié)舛冉档汀?/p>

7)當(dāng)MJS工法高壓噴射注漿完畢，應(yīng)迅速拔出注漿管徹底清洗漿管和注漿泵，以防止被漿液凝固堵塞。移動旋噴機至下一孔位。

圖1 旋噴樁加固區(qū)平面和剖面圖(單位:mm)Fig.1 Scope of consolidation by jet grouting piles(mm)

圖2 旋噴樁加固流程圖Fig.2 Flowchart of jet grouting

2 基坑開挖的三維數(shù)值分析

根據(jù)《車公廟詳勘報告》，選取土層及基坑結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1所示。采用ABAQUS有限元分析軟件建立西端風(fēng)道基坑模型，模型大小為160 m×50 m×80 m，截取隧道長度35 m，模型共250 801個單元，如圖3和圖4所示，土體采用實體單元模擬，圍護墻采用殼單元模擬，抗拔樁、混凝土支撐均采用梁單元模擬?；娱_挖和連續(xù)墻施作采用model change、remove和add生死單元。圍護墻、抗拔樁、混凝土支撐和土體之間均采用tie接觸。

表1 土層及基坑結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of different strata and foundation pit structure

圖3 基坑的三維數(shù)值分析模型Fig.3 Three-dimensional numerical analysis model

圖4 基坑與隧道的空間位置關(guān)系圖Fig.4 Spatial relationship between existing tunnel and foundation pits

數(shù)值模擬步驟按照現(xiàn)場施工順序，如下:

1)模型的地應(yīng)力平衡;

2)施作11號線車站基坑連續(xù)墻和西端風(fēng)道基坑連續(xù)墻;

3)對西端風(fēng)道地基進行旋噴樁加固;

4)開挖11號線車站基坑頂板覆土，施作車站結(jié)構(gòu)頂板，并回填頂板覆土;

5)除去西端風(fēng)道的頂板覆土;施作混凝土支撐;

6)明挖法開挖西端風(fēng)道;

7)開挖11號線車站基坑負(fù)1層土體;

8)施作西端風(fēng)道底板;

9)施作11號線車站基坑負(fù)1層中板;

10)施作西端風(fēng)道頂板，并回填頂板覆土。

2.1 基坑開挖對地鐵1號線的影響數(shù)值分析

每層土體開挖之前，進行基坑降水(水位下降到該層土體下方0.5 m處)。由于基坑降水的作用，1號線左線和右線隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)先沉降后隆起的情況，將數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分別從拱頂、拱腰和仰拱3個位置進行對比分析，見圖5。完全位于西端風(fēng)道基坑下方的左線隧道斷面各測點的模擬值和實測值均大于右線隧道。左線隧道最大隆起實測值6.80 mm，右線隧道實測最大隆起實測值4.67 mm;左線隧道最大隆起模擬值5.81 mm，右線隧道模擬最大隆起模擬值為4.25 mm;而 QB/SZMC－10102—2010《深圳城市軌道交通地下工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定結(jié)構(gòu)絕對變形量的預(yù)警值為10 mm(見表2);左右兩線隧道數(shù)值分析和實測結(jié)果均滿足規(guī)范要求，按設(shè)計方案施工基本合理，在施工過程中需要加強監(jiān)測。

分別對左線隧道監(jiān)測斷面和右線隧道監(jiān)測斷面進行分析(見圖6)，由于隧道襯砌彈性模量很大，近似于剛體，拱頂、拱腰和仰拱3個位置的測點沉降值比較接近。從圖中看出，開挖11號線車站基坑負(fù)1層土體后，左右兩線的隧道隆起值達(dá)到最大，左線隧道拱頂測點隆起模擬值為5.62 mm，實測值6.21 mm;左線隧道拱腰測點隆起模擬值為5.85 mm，實測值6.37 mm;左線隧道仰拱測點隆起模擬值為6.32 mm，實測值6.57 mm。右線隧道拱頂測點隆起模擬值為3.53 mm，實測值4.45 mm;右線隧道拱腰測點隆起模擬值為3.89 mm，實測值4.67 mm;右線隧道仰拱測點隆起模擬值為3.73 mm，實測值4.16 mm。

西端風(fēng)道基坑開挖和11號線車站基坑開挖，左線隧道隆起較大，斷面測點隆起值的大小順序依次為仰拱、拱腰、拱頂，右線線隧道隆起較小，斷面測點隆起值大小順序依次為拱腰、仰拱、拱頂，數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相符。

圖5 左線和右線隧道各測點沉降分析Fig.5 Analysis on settlement of crown，haunch and invert of existing tunnel

2.2 西端風(fēng)道旋噴樁加固效果分析

對西端風(fēng)道地基，在采取旋噴樁加固和未采取旋噴樁加固2種工況進行了數(shù)值分析，如圖7所示。工況1是對西端風(fēng)道采取旋噴樁加固，工況2是對西端風(fēng)道地基不采取任何加固措施。以拱頂測點為研究對象，從圖7看出，完全位于西端風(fēng)道下方的1號線左線隧道拱頂測點的隆起值明顯大于部分位于西端風(fēng)道下方的1號線右線隧道的隆起值。第4分析步到第7分析步，拱頂隆起變化明顯，主要因為開挖11號線頂板覆土、開挖11號線負(fù)1層土體和開挖西端風(fēng)道土體，隧道隆起速度比較明顯，在工況2對西端風(fēng)道不采取任何土體加固措施情況下，左線隧道拱頂隆起的最大累計位移為6.83 mm，在工況1對西端風(fēng)道采取旋噴樁加固措施情況下，左線隧道拱頂隆起的最大累計位移為5.62 mm。左線隧道拱頂隆起西端風(fēng)道的最大累計位移比未采取旋噴樁加固情況下拱頂隆起的最大累計位移減少了21.5%;在工況2條件下，右線隧道拱頂隆起的最大累計位移為4.65 mm，在工況1對西端風(fēng)道采取旋噴樁加固措施情況下，左線隧道拱頂隆起的最大累計位移為3.87 mm。右線隧道拱頂隆起西端風(fēng)道的最大累計位移比未采取旋噴樁加固情況下拱頂隆起的最大累計位移減少了20.2%;結(jié)果表明在采取旋噴樁加固地基情況下，既有隧道隆起的最大累計位移可以減少20%以上;可以有效地減少西端風(fēng)道基坑開挖對位于西端風(fēng)道下方的地鐵1號線的影響。

圖6 左右線隧道斷面各測點沉降分析Fig.6 Analysis on settlement of existing tunnel

圖7 2種工況下左線和右線隧道拱頂測點沉降的對比分析Fig.7 Crown settlement of existing tunnel in the case of jet grouting consolidation Vs.that without jet grouting consolidation

3 自動化監(jiān)測

3.1 自動化監(jiān)測簡介及優(yōu)勢

隨著自動化監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，自動化監(jiān)測技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測中應(yīng)用越來越廣泛。車公廟交通樞紐工程自動監(jiān)測系統(tǒng)(見圖8)主要由徠卡TS30測量機器人(見圖9)、棱鏡、供電與通訊系統(tǒng)和遠(yuǎn)程計算機系統(tǒng)等組成。按照《深圳城市軌道交通地下工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、《工程測量規(guī)范》等規(guī)范的要求進行監(jiān)測。變形監(jiān)測采用徠卡SmartMonitor自動監(jiān)測系統(tǒng)配合測量機器人TS30進行自動監(jiān)測。變形監(jiān)測以隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測為主，根據(jù)現(xiàn)場情況選取隧道結(jié)構(gòu)重要部位布設(shè)監(jiān)測點并安裝棱鏡，建立24 h的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

圖8 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的主要構(gòu)成Fig.8 Main composition of automatic monitoring system

圖9 測量機器人TS30Fig.9 Georobot TS30

自動化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點:1)實現(xiàn)24 h不間斷的自動監(jiān)測;2)測量精度高，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)測點的三維監(jiān)測;3)設(shè)置測量次數(shù)、測量周期以及變形量、變形速度、報警限差值和報警等級，當(dāng)某點的位移值超限時，系統(tǒng)通過E-mail、手機短信等方式自動報警，使管理人員實時掌握監(jiān)測動態(tài)情況;4)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和SmartMonitor軟件的控制，利用實時差分改正技術(shù)，消除了外界溫度、濕度等因素引起的測量誤差，實現(xiàn)高精度測量;5)自動化監(jiān)測系統(tǒng)包含SmartAnalyzer數(shù)據(jù)處理分析模塊，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以對數(shù)據(jù)進行平差計算、粗差檢驗，以及可以直接輸出圖表和監(jiān)測報告。

3.2 隧道測點布置

地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測斷面布點位置:地鐵仰拱監(jiān)測點1個、拱頂監(jiān)測點1個、拱腰監(jiān)測點1個。全站儀安裝位置里程為DK11+750，后視點里程為DK11+850(位于無變形區(qū))，監(jiān)測點里程范圍為 DK11+630～+810，詳細(xì)見圖10。

圖10 隧道監(jiān)測斷面測點布置示意圖Fig.10 Layout of monitoring points

3.3 監(jiān)測項目控制標(biāo)準(zhǔn)

既有運營的隧道對變形的要求非常嚴(yán)格，關(guān)于基坑開挖引起既有地鐵隧道變形方面的規(guī)范，國內(nèi)尚無相應(yīng)的規(guī)范和控制標(biāo)準(zhǔn)。深圳市地鐵集團有限公司根據(jù)深圳市城市環(huán)境、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及深圳城市軌道交通地下工程建設(shè)采用的不同工法制定了企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)QB/SZMC－10102—2010《深圳城市軌道交通地下工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，既有地鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 既有地鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Control standard of deformation of existing Metro

自動化監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了24 h不間斷自動化觀測，不僅保證了測量的精度，也滿足工程建設(shè)的需要，節(jié)省了勞動力成本，提高了工程的經(jīng)濟效益，為工程管理人員提供了決策依據(jù)。自動化監(jiān)測代表著未來工程測量的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)論與討論

通過坑內(nèi)土體進行高壓旋噴加固，利用ABAQUS三維數(shù)值分析軟件進行數(shù)值分析，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可得到如下結(jié)論:

1)既有地鐵1號線隧道處于規(guī)范允許值的控制范圍，西端風(fēng)道基坑開挖，左線隧道隆起值較大，斷面測點隆起值大小順序依次為仰拱、拱腰、拱頂，右線線隧道隆起值較小，斷面測點隆起值大小順序依次為仰拱、拱腰、拱頂，計算結(jié)果與實測相符。

2)旋噴樁加固可以有效減少隧道隆起的位移，使既有隧道隆起的最大累計位移可以減少20%以上。

3)西端風(fēng)道基坑和11號線車站基坑的開挖引起隧道的不對稱變形，表現(xiàn)為近基坑側(cè)的左線隧道變形大于遠(yuǎn)基坑側(cè)的右線隧道變形。

4)數(shù)值分析的結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)具有較好一致性，可為以后類似工程建設(shè)提供參考和借鑒。

5)自動化監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了24 h的自動化觀測，節(jié)省了勞動力成本，提高了工程的經(jīng)濟效益，代表了未來工程測量的發(fā)展趨勢;這次測試數(shù)據(jù)只收集了2個斷面，縱向變形需在以后研究中進一步分析。

［1］ 張治國，張孟喜，王衛(wèi)東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法［J］.巖土力學(xué)，2011，32(7):2085 －2093.(ZHANG Zhiguo，ZHANG Mengxi，WANG Weidong.Two-stage method for analyzing effects on adjacent Metro tunnels due to foundation pit excavation［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(7):2085 － 2093.(in Chinese))

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