陳建斌，郭少波，吳立鵬，范　偉

（1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023；2.武漢市洪山城市建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430070）

港渠開挖卸載對既有下臥地鐵盾構(gòu)隧道影響分析

陳建斌1，郭少波2，吳立鵬1，范偉1

（1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023；2.武漢市洪山城市建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430070）

通過對位于既有下臥盾構(gòu)隧道的港渠渠底開挖卸載工程案例介紹，采用卸荷比和基坑卸荷影響深度分析方法，定性判斷渠道卸載影響深度，同時對卸荷后所產(chǎn)生的隧道抗浮穩(wěn)定性進行了驗算，并采用大型巖土與隧道有限元分析Midas/GTS對卸荷所引起的隆起變形進行了數(shù)值計算。依據(jù)多項分析結(jié)果，推薦采取土體加固處理、渠道底部硬化、分層分段卸載，以及信息化監(jiān)測的措施。并且，其措施的有效性也在工程實施中得到了驗證。

開挖卸載；盾構(gòu)隧道；卸荷比；卸荷影響深度；抗浮分析

0　引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速推進，與其相關(guān)聯(lián)的地下工程之間相互影響的矛盾也日益突出，尤其是地下工程近接施工對臨近工程的影響。其中，比較典型的就是基坑開挖卸載對臨近或下臥地鐵工程的影響。采用合理的分析手段來判斷其影響程度并采取有效合理的措施，一直以來都是科研人員和工程技術(shù)人員所關(guān)注的話題［1-3］。本文通過對位于既有下臥盾構(gòu)隧道的港渠渠底開挖卸載工程案例介紹，采用卸荷比和基坑卸荷影響深度分析方法，定性判斷渠道卸載影響深度；同時，對卸荷后所產(chǎn)生的隧道抗浮穩(wěn)定性進行了驗算，并采用大型巖土與隧道有限元分析Midas/GTS對卸荷所引起的隆起變形進行了數(shù)值計算。依據(jù)多項分析結(jié)果，采取了土體加固處理、渠道底部硬化、分層分段卸載，以及信息化監(jiān)測的措施。其措施的有效性也在工程實施中得以驗證。

1　工程概況

1.1工程簡介

武漢市軌道交通4號線一期工程線路南起武昌火車站，穿過武昌區(qū)、洪山區(qū)等主城區(qū)后至終點武漢火車站止，全長16.488 km。該工程于2008年啟動土建施工。其中，位于洪山區(qū)的鐵機村站～羅家港站區(qū)間（簡稱羅鐵區(qū)間）右DK23+400～右DK23+485段下穿了現(xiàn)狀沙湖港（樁號S1+807～S1+827）區(qū)域。該段港渠渠底寬度為13.6 m，渠底標高約為17.6 m，兩岸標高約為21.5 m，而該段區(qū)間隧道頂標高約為12.6 m，底標高約6.6 m，渠底處覆土厚度僅有5 m，兩岸處覆土厚度為8.9 m。具體見圖1、圖2所示。

圖1　沙湖港與羅鐵盾構(gòu)區(qū)間平面圖

圖2　沙湖港及羅鐵區(qū)間剖面圖

隧道斷面（見圖3）為單洞單線圓形隧道，管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度為0.3 m，環(huán)寬為1.5 m，全環(huán)由一塊封頂塊、兩塊鄰接塊、三塊標準塊共六塊管片組成，采用錯縫拼裝。該段區(qū)間于2012年7月7日洞通，2013年5月1日鋪軌完成，按總體工期要求，應(yīng)于2013年12月份正式通車。

圖3　羅鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)示意圖

1.2存在問題

沙湖港為橫跨武昌區(qū)和青山區(qū)的渠道，根據(jù)武漢市排水規(guī)劃要求，該港需要進行斷面拓寬加深改造工作。其中，改造后的羅鐵區(qū)間段沙湖港底寬將達34 m～64 m，改造后渠底標高為16.4 m，渠道南側(cè)采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，北側(cè)采用1：1～1:1.5的放坡，渠底主要為土質(zhì)明渠。該段拓寬工程將于2013年9月份啟動，2013年12月完成通水。

由于該段羅鐵區(qū)間已經(jīng)貫通，而上部港渠即將開工，需對隧道上部進行卸土1.2 m～4.6 m，此時隧道覆土僅為3.8 m（0.63洞徑）。這就存在著隧道頂部卸載造成土體應(yīng)力釋放后對既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，以及對運營期間隧道的整體穩(wěn)定性影響，可能會出現(xiàn)坑底卸載后引起隧道結(jié)構(gòu)上抬，從而造成隧道環(huán)、縱縫張開而引起結(jié)構(gòu)漏水涌砂事故，也可能出現(xiàn)上部壓重減輕后隧道受承壓水作用出現(xiàn)整體上浮問題。為此，需對渠道施工期間及運營期間隧道安全進行影響分析和評估，以采取可靠、合理的保護措施。

1.3工程地質(zhì)

場址范圍內(nèi)從上到下的地層依次為：②1淤泥、③1黏土、③3黏土、③5粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂、④1粉細砂和⑥2細砂夾礫卵石。其中，盾構(gòu)穿越地層主要為③3黏土、③5粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂和④1粉細砂。

各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1所列。

1.4水文地質(zhì)條件

1.4.1地表水

該工程范圍內(nèi)主要地表水為沙湖港。沙湖港寬約20 m～25 m，水深1 m～2 m。

表1　巖土參數(shù)建議值一覽表

1.4.2地下水類型及地下水位

在勘探深度范圍內(nèi)場地地下水類型以上層滯水和孔隙承壓水為主。上層滯水主要賦存于①層填土層中，接受大氣降水及周邊湖塘滲透補給，無統(tǒng)一自由水面?？紫冻袎核饕x存于④層砂土及⑥礫卵石層中，水量豐富，與長江有較密切的水力聯(lián)系。③5層粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂中也賦存有過渡型弱孔隙承壓水。承壓水水位標高一般為15.00 m～20.00 m（黃海高程），年變幅為3～4 m，勘察期間該場地實測承壓水水位為19.00 m。

2　港渠卸載影響分析及治理措施

港渠卸載區(qū)域根據(jù)卸載深度共分為2個區(qū)域，見圖4所示。區(qū)域一：渠道底從現(xiàn)狀渠底標高17.6 m開挖至設(shè)計渠底標高16.4 m，平均挖深D=1.2 m；區(qū)域二：渠道底從現(xiàn)狀地面標高21.0 m開挖至設(shè)計渠底標高16.4 m，挖深D=4.6 m。

圖4　渠底卸載區(qū)域圖

根據(jù)卸載深度的不同，分別采用卸荷比與回彈率關(guān)系、基坑坑底卸荷影響深度經(jīng)驗，以及數(shù)值計算方法，從定性和定量角度分析施工期間渠底卸載對既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響，以及判斷初步處理措施的有效性。同時，根據(jù)隧道所處的特殊地層及其水力賦存條件，分析運營期間隧道結(jié)構(gòu)的抗浮安全穩(wěn)定性。

2.1施工期間卸載影響分析

2.1.1卸荷比影響深度分析

文獻［4、5］在室內(nèi)壓縮回填試驗、原位載荷試驗、大比尺模型試驗基礎(chǔ)上，對回填變形隨卸荷發(fā)展規(guī)律進行了較為深入的研究，并提出了卸荷比概念，即（其中，α是附加應(yīng)力系數(shù)，γ是土體重度，D是卸載深度，Z是卸荷影響深度）?；娱_挖卸載所引起的回彈率與卸荷比有一定聯(lián)系。根據(jù)室內(nèi)土體回填試驗性質(zhì)分析：當R＜Rcr（臨界卸荷比），其回彈模量較大，回彈變形量較?。划擱cr＜R＜Ru（極限卸荷比），其回彈模量隨R呈log對數(shù)衰減；當Ru＜R，其回彈模量隨R呈極具衰減。當R≤Rcr=0.2，其回彈比率很小，根據(jù)相關(guān)試驗成果分析，卸載后對應(yīng)坑底一定深度以下土體不發(fā)生回彈變形，由此可推算出卸載回彈影響深度Zcr，見圖5、圖6所示。

圖5　坑底卸載回填影響深度圖

圖6　回填比率與卸荷比關(guān)系圖

對于區(qū)域一而言，卸荷深度D=1.2 m，Rcr=0.2，推算出影響深度Zcr=4.8m，坑底標高16.4 m，回彈影響標高為16.4-Zcr=11.6（m）小于盾構(gòu)隧道頂部標高12.6 m，故卸載后隧道僅頂部1 m處有一定回彈，除此之外，隧道基本不出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。

對于區(qū)域二而言，卸荷深度D=4.6 m，Rcr=0.2，推算出影響深度Zcr=17 m，坑底標高16.4 m，回彈影響標高為16.4-Zcr=-0.6（m）小于盾構(gòu)隧道頂部標高12.6 m，該區(qū)域內(nèi)盾構(gòu)隧道處于卸載回彈影響范圍之內(nèi)。

2.1.2基坑開挖坑底回彈相關(guān)研究

文獻［6］中通過K0試驗，采用側(cè)向應(yīng)力松弛法和E0-R法分析了深基坑開挖坑內(nèi)回彈的規(guī)律，得出了基坑開挖卸載所引起的土體回彈影響區(qū)一般為2.0～2.5倍的基坑開挖深度的結(jié)論，具體見圖7所示。根據(jù)上述規(guī)律，結(jié)合該工程情況，分別對各種區(qū)域影響深度進行分析。

圖7　坑底卸載影響深度圖

對于區(qū)域一而言，卸荷深度D=1.2 m，推算出影響深度2.4～3.0 m，坑底標高16.4 m，影響標高為16.4-（2.4～3.0）=14～13.4（m）小于盾構(gòu)隧道頂部標高12.6 m，故卸載后隧道基本不出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。

對于區(qū)域二而言，卸荷深度D=4.6 m，推算出影響深度9.2～11.5 m，坑底標高16.4 m，影響標高為16.4-（9.2～11.5）=7.2～4.9（m）小于盾構(gòu)隧道頂部標高12.6 m。

根據(jù)上述兩種方法定性分析可知，區(qū)域一范圍內(nèi)卸載對隧道影響甚微，區(qū)域二在卸載后隧道周邊土體均處于卸載回彈影響區(qū)，隧道可能出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。

2.1.3數(shù)值影響分析

為進一步定量分析區(qū)域二范圍內(nèi)坑底卸載對下臥隧道結(jié)構(gòu)的影響，采用了大型巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas/GTS對該工況進行了二維平面數(shù)值模擬分析。模型的基本假定為：土體采用M-C本構(gòu)模型，盾構(gòu)隧道采用線彈性梁單元，選擇80 m×23.5 m（x-y）區(qū)域內(nèi)作為邊界條件，通過土體鈍化來模擬渠底施工開挖所引起的土體應(yīng)力場和位移場，計算模型見圖8所示。具體材料的物理力學(xué)參數(shù)和單元類型見表2所列。

圖8　渠道計算模型

表2　材料單元物理力學(xué)指標參數(shù)一覽表

根據(jù)類似地下工程施工案例，為降低卸載對既有結(jié)構(gòu)的影響，一般采用對隧道周邊的土體進行加固處理。因此，該工況下也進行了在未進行土體加固處理工況、對隧道頂部和兩側(cè)土體進行加固處理工況分別進行卸載影響分析（見圖9～圖14）。加固后土體參數(shù)見表3所列。

圖9　渠道豎向位移云圖（土體未加固工況）

圖10　盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖（土體未加固工況）

圖11　盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)軸力圖（土體未加固工況）

圖12　渠道豎向位移云圖（土體加固工況）

圖13　盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖（土體加固工況）

圖14　盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)軸力圖（土體加固工況）

表3　計算結(jié)果對比表

從上面計算結(jié)果的圖9～圖14和表3可以看出，區(qū)域二卸載4.6 m后，在不考慮地基加固作用下，渠底上抬58 mm，隧道結(jié)構(gòu)上抬9.4 mm。在考慮地基加固作用下，渠底上抬18 mm，隧道拱頂位移上抬6.3 mm。這表明采用地基加固措施，可以有效地降低由于土體卸載造成的渠底土體隆起量，同時可在一定程度上控制盾構(gòu)隧道的豎向上抬量。

2.2抗浮穩(wěn)定分析

根據(jù)地質(zhì)報告可知，隧道區(qū)間底部對應(yīng)120°弧長范圍結(jié)構(gòu)是位于承壓水層，直接受承壓水頂托作用，而其余部位位于不透水層③1和③2層粘土層中，并未直接承受高水頭承壓水壓力作用，因此需對渠道施工工況和按規(guī)劃斷面形成后永久工況進行隧道整體抗浮分析。

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)整體抗浮要求，其抗浮安全穩(wěn)定系數(shù)需滿足（G+W+Ws）/Fw≥1.05（不考慮結(jié)構(gòu)側(cè)向土體摩阻力、結(jié)構(gòu)縱向約束時）。式中：G為結(jié)構(gòu)自重；W為上覆土重；Ws為渠道水壓重；Fw為承壓水壓力。計算簡圖見圖15所示。

圖15　地層加固剖面圖

（1）渠道施工工況（渠道內(nèi)無水情況）：

在滿足抗浮安全系數(shù)前提下，承壓水頭標高小于等于16.5 m。

（2）渠道運行工況（渠道內(nèi)常水位2 m）：

在滿足抗浮安全系數(shù)前提下，承壓水頭標高小于等于18.4 m。

根據(jù)勘察資料，該場地承壓水標高15.0～20.0 m，隧道在長期運營期間其結(jié)構(gòu)整體抗浮不滿足要求！

2.3治理措施

通過計算表明，沙湖港改造會引起盾構(gòu)隧道一定量的上抬，計算的上抬值小于20 mm，參考《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》等相關(guān)要求，基本滿足地鐵隧道運營的要求，但是由于地鐵隧道結(jié)構(gòu)為裝配式襯砌，管片之間是通過環(huán)向和縱向螺栓連接，縫間通過設(shè)置彈性密封墊進行止水處理。如果管片之間上抬量不均勻，勢必會造成環(huán)縱縫之間的張開，當張開量達到一定數(shù)值時，擠壓式的彈性密封墊將失去止水效果，造成水土涌入隧道內(nèi)，發(fā)生事故。又經(jīng)抗浮驗算，發(fā)現(xiàn)渠道運行期間隧道抗浮略有不足，因此為了降低上覆土體卸載對隧道結(jié)構(gòu)的影響，以及避免后期水流沖刷及疏浚施工對隧道頂部覆土的擾動，進而影響隧道長期穩(wěn)定性，需要采取一些措施來減小沙湖港改造對地鐵隧道的影響。

2.3.1地層加固處理

根據(jù)上述分析，需對隧道周邊的土體進行加固處理。由于三軸攪拌樁具有施工擾動較小、加固效果較好等特點，故該工程采用了650@450三軸攪拌樁進行地層加固。加固深度從設(shè)計渠底至隧道結(jié)構(gòu)拱底以下2 m。加固體位于④1粉細砂層，該范圍內(nèi)實樁水泥摻量為20%，從現(xiàn)狀地面至設(shè)計渠底為空攪部分，水泥摻灰量為8%，加固體必須達到28 d無側(cè)限抗壓強度應(yīng)不小于1.0 MPa。加固寬度以雙洞隧道中線向兩側(cè)各11.825 m為加固邊界，總寬度為37.65 m，具體見圖16所示。為盡量減輕施工對既有隧道的影響，同時考慮一定的施工誤差，攪拌樁與隧道結(jié)構(gòu)外壁最小安全距離控制為1 m。

圖16　地層加固剖面圖

由于采用攪拌樁將渠底軟土進行加固處理（見圖17），加固厚度約3.8 m，除提高了土體強度，同時也增加了土體容重約0.5 kN/m3，相應(yīng)地也提高了上覆壓重厚度約0.5×3.8=1.9（m），在此情況下，盾構(gòu)隧道可抵抗18.4+1.9=20.3（m）的承壓水頭，運營期間抗浮穩(wěn)定性得以滿足。

圖17　施工現(xiàn)場攪拌樁加固之實景

2.3.2分層分區(qū)卸載

充分利用土體的“時空效應(yīng)”，采用分層分區(qū)開挖的方式，盡量將坑底卸載對隧道的影響降低到最低。根據(jù)該工程實際情況，沙湖港拓寬清淤共分3層進行，每層卸載的厚度控制在1.5 m之內(nèi)，每層土體分段開挖，每段底部寬約5 m，兩側(cè)采用1:2的放坡。分段開挖盡量以隧道中心線采用對稱平衡開挖方式，減小偏心卸載引起隧道橫向位移。具體見圖18所示。

2.3.3渠道底部硬化處理

在原設(shè)計中，沙湖港渠底僅在坡腳以外3 m范圍內(nèi)采用硬質(zhì)預(yù)制塊護砌，其余部分采用土質(zhì)明渠。雖采用水泥土攪拌樁進行渠底硬化，但考慮到長期水流沖刷，以及渠道疏撈等因素對渠底土體穩(wěn)定的影響，采用了鋼筋混凝土底板進行渠底全護砌的處理措施，見圖19所示。具體如下：

圖18　渠道分層開挖示意圖

圖19　渠底硬質(zhì)護砌斷面圖

改造后的渠底采用150 mm厚現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土護底，下設(shè)一層土工布和50 mm厚砂石混合料反濾層，縱橫向每3 m設(shè)置φ75PVC排水孔。

2.3.4信息化監(jiān)測

由于目前隧道已經(jīng)完成鋪軌，正在進行設(shè)備及綜合管線的安裝等工作，為確保施工期間隧道的安全，采取了信息化監(jiān)測的手段，及時反饋獲取與施工過程有關(guān)的監(jiān)測信息，及時指導(dǎo)施工。具體監(jiān)測的內(nèi)容有：隧道結(jié)構(gòu)的水平、頂部變形、軌道變形及渠道底部土體的隆起量，各項監(jiān)控控制指標如下：

既有隧道變形：羅鐵區(qū)間隧道的水平位移和拱頂變形的控制值定為20 mm，預(yù)警值為14 mm；

軌道變形：道床及結(jié)構(gòu)隆沉值最大不超過6 mm，預(yù)警值為3 mm；

變形速率：隆沉平均速率不大于1.0 mm/d，最大隆沉速率不大于2.0 mm/d。

如有監(jiān)測指標超過預(yù)警值，必要時，可在隧道內(nèi)對隧道周邊土體進行注漿加固處理。

隧道在樁體加固，以及渠道開挖期間的各項變形指標見表4所列，結(jié)果顯示各項指標均在正常范圍之內(nèi)，整個施工基本沒有對區(qū)間安全造成影響。這證明了該處理措施是有效的。

表4　監(jiān)測結(jié)果匯總表

3　結(jié)論

（1）采用卸荷比和基坑卸荷影響深度分析方法，定性判斷渠道卸載影響深度，同時對卸荷后所產(chǎn)生的隧道抗浮穩(wěn)定性進行了驗算，并采用大型巖土與隧道有限元分析Midas/GTS對卸荷所引起的隆起變形進行了數(shù)值計算，可有效地判斷卸荷對既有隧道的影響程度。

（2）根據(jù)計算結(jié)果，沙湖港改造清淤卸載會造成地鐵隧道上抬，容易引起管片接縫之間漏水涌砂，進而造成工程事故，應(yīng)對隧道周邊土體進行加固處理。

（3）為減小沙湖港卸載對隧道的影響，可采取分層分步開挖、信息化施工等施工措施以加強地鐵隧道的安全性。分段開挖盡量以隧道中心線采用對稱平衡開挖方式，減小偏心卸載引起隧道橫向位移。

（4）為避免后期水流沖刷及疏浚施工對隧道頂部覆土的擾動，改造后的渠道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行護底是必要的。

［1］秦愛芳，胡中雄，彭世娟.上海軟土地區(qū)受卸荷影響的基坑工程被動區(qū)土體加固深度研究［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30（6）.

［2］楊秀仁.北京地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計施工要點 ［J］.都市快軌交通，2004，17（6）.

［3］陳郁，李永盛.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的計算方法［J］.地下空間與工程學(xué)報，2005，1（1）.

［4］李建民，滕延京.從不同土的室內(nèi)壓縮回彈試驗分析基坑開挖回彈變形的特征［J］.建筑科學(xué)，2011，27（1）.

［5］李建民，滕延京.基坑開挖回彈再壓縮變形試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32（Supp.2）.

［6］鄧指軍，賈堅.地鐵車站深基坑卸荷回彈影響深度的試驗［J］.城市軌道交通，2008.

U458

A

1009-7716（2016）07-0299-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.089

2016-04-26

陳建斌（1974-），男，湖北武漢人，博士，教授高級工程師，從事巖土工程設(shè)計和技術(shù)研究工作。