蘇江川

(福建省建筑工程技術(shù)中心 福建福州 350004)

0 引言

隨著各大城市地鐵運營里程的不斷增加，以及城市地下空間建設(shè)的不斷發(fā)展，各類新建工程與運營地鐵近接施工的工程問題越來越常見，并成為影響地鐵運營安全的一個重要因素。

胡海英[1]等以廣州某鄰近既有地鐵隧道的深基坑開挖為例，通過數(shù)值模擬和隧道實測，探討基坑開挖深度及相對位置對既有地鐵的影響。陳錦劍[2]等結(jié)合上海地區(qū)某工程案例，采用數(shù)值方法分析兩側(cè)深基坑開挖對穿越其間的淺埋運營隧道的影響，并評估了控制隧道位移的各種施工措施的有效性。還有其他學(xué)者[3-5]通過數(shù)值方法及實測數(shù)據(jù)，分析了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。

虞春龍[6]等以上海時北橫通道明挖過河段基坑為例，分析了圍堰施工、基坑開挖全過程對鄰近地鐵隧道及橋梁基礎(chǔ)的影響，并提供合理的設(shè)計方案。宋順龍[7]等以寧波某隧道上方開挖河道為例，通過有限元軟件模擬了不同保護措施下隧道的變形，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比驗證。楊玉杰[8]等以九鄉(xiāng)河道拓浚改造對鄰近南京某地鐵區(qū)間隧道為例，對隧道加固保護措施的方案研究。

以上這些研究，多利用數(shù)據(jù)分析手段確定新建工程施工對地鐵產(chǎn)生的影響，但對地鐵在運營期間已產(chǎn)生變形數(shù)據(jù)的調(diào)查和應(yīng)用較少。為了確保地鐵運營安全，對地鐵在運營過程中產(chǎn)生的隆起或沉降變形進行長期監(jiān)測是十分必要的。馬振海[9]、李玉杰[10]等簡要論述了地鐵運營期間監(jiān)測的重要性，并提出有關(guān)合理監(jiān)測的建議。王昭斌[11]等利用地鐵運營期間的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了變形預(yù)測模型與安全評估模型。

本研究以福州市倉山區(qū)臚雷河(中央大道段)綜合整治工程為例，根據(jù)運營期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得已有變形值，并通過該數(shù)據(jù)確定近接施工的關(guān)鍵節(jié)點和變形控制標(biāo)準(zhǔn)。通過數(shù)值模擬該節(jié)點處的不同施工方案，研究不同施工方案下河道整治對鄰近地鐵的影響，并提出相應(yīng)的施工建議。

1 工程概況

臚雷河(中央大道段)總長度約650m，河道總寬度約50m。福州地鐵1號線臚雷站及兩端盾構(gòu)區(qū)間(三角埕站～臚雷站～福州火車南站區(qū)間)基本位于臚雷河(中央大道段)駁岸右岸，其平面位置關(guān)系如圖1所示。三角埕站-臚雷站區(qū)間隧道覆土最大厚度15.0m，最小厚度9.3m；臚雷站-福州火車南站區(qū)間隧道覆土最大厚度9.1m，最小厚度7.3m。

該工程所在場地屬沖、淤積平原地貌單元，地層由上至下主要有：①1雜填土、①3河底淤泥、②粉質(zhì)粘土、③1淤泥、④粉質(zhì)粘土、⑤1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑤1-J中砂夾粘土。場地地基均勻性較差，橫向地層分布不均，工程性能差異較大，縱向地層較多，層面起伏較大。

圖1 臚雷河(中央大道段)與地鐵1號線平面位置關(guān)系

2 地鐵結(jié)構(gòu)變形及原因

收集福州地鐵1號線三角埕站～臚雷站～福州火車南站區(qū)間運營期隧道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，明確近接施工段落中既有地鐵沉降量較大的區(qū)間，分析運營期沉降變形產(chǎn)生的原因，并確定近接施工中沉降變形的敏感節(jié)點。

2.1 地鐵結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測成果

臚雷河(中央大道段)場地范圍內(nèi)地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形如圖2～圖5所示。

圖2 三角埕站～臚雷站上行線

圖4 臚雷站～福州火車南站上行線

圖5 臚雷站～福州火車南站站下行線

根據(jù)以上運營期隧道沉降監(jiān)測成果顯示，臚雷河場地范圍內(nèi)，隧道位于臚雷河河底三角埕站～臚雷站區(qū)間SK23+080～SK23+130、XK23+085～XK23+150范圍(圖1中A區(qū)域)的區(qū)間隧道發(fā)生了隆起變形，隆起位移為1mm～5mm；其余區(qū)間隧道均發(fā)生了沉降變形。1號線區(qū)間隧道沉降變形較大的區(qū)域主要有：三角埕站～臚雷站區(qū)間上行線SK23+160～SK23+250、下行線XK23+200～ XK23+250(圖1中B區(qū)域)；臚雷站～福州火車南站站上行線SK23+820～SK23+860、下行線XK23+750～XK23+800(圖1中C區(qū)域)。其中，沉降變形最大的區(qū)域位于三角埕～臚雷區(qū)間上行線，達34mm。

2.2 變形原因

根據(jù)地勘資料，臚雷河中央大道場地存在深厚軟弱淤泥層，區(qū)間隧道基本位于③1淤泥層中。臚雷河兩側(cè)道路施工路基填方，使得下臥淤泥層產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，隨著時間推移，淤泥層排水固結(jié)，有效應(yīng)力逐漸增大，產(chǎn)生較大的附加沉降，為福州地鐵1號線臚雷站兩端區(qū)間隧道產(chǎn)生較大沉降變形的主要原因。

而圖1中的A區(qū)域由于位于河道下方，地鐵隧道開挖卸荷后產(chǎn)生了隆起變形，且運營期未受道路超載的影響，因此存在1mm～5mm隆起變形量。

本次臚雷河綜合整治工程總體以開挖卸荷為主，對圖1中的節(jié)點A處區(qū)間隧道和節(jié)點D處出入口將造成隆起變形，而對其它近接區(qū)域的影響則以水平位移為主。因此，節(jié)點A區(qū)域的整治施工會進一步加劇既有地鐵隧道的隆起變形，設(shè)計施工時變形控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮已有變形量的影響。

3 近接工程節(jié)點A對地鐵影響數(shù)值分析

本節(jié)以近接工程節(jié)點A處為例，進行三維有限元施工過程數(shù)值模擬，分析基坑開挖、駁岸土方回填過程地鐵隧道受力變形行為，并比選出合適的加固方案。

如圖6所示，該節(jié)點(三角埕站～臚雷站區(qū)間SK23+080～SK23+130、XK23+085～XK23+150)現(xiàn)狀地面標(biāo)高約6.5m，規(guī)劃河底標(biāo)高+2.5m。三角埕站～臚雷站區(qū)間隧道埋深約12m。

圖6 關(guān)鍵節(jié)點剖面示意圖

3.1 模型建立

采用有限元軟件Midas GTS NX建立三維有限元模型如圖7所示。按照隧道力學(xué)分析結(jié)果，模型尺寸取為：100×80×40m(X×Y×Z)。模型水平方向約束其水平位移，底部采用固定約束，約束其豎向及水平向位移。對抗浮板、隧道襯砌采用板單元模擬，抗拔樁、邊梁采用梁單元模擬，用樁界面單元模擬與土體的相互作用。土體采用3D實體單元，采用修正摩爾-庫倫硬化本構(gòu)模型。

圖7 三維有限元模型示意圖(開挖至坑底工況)

3.2 計算參數(shù)

依據(jù)項目地質(zhì)勘查報告及相關(guān)規(guī)范，確定土體修正摩爾-庫倫硬化本構(gòu)模型參數(shù)(表1～表2)。地鐵盾構(gòu)隧道襯砌混凝土強度等級C50，彈性模量E=34.5GPa，并對管片整體剛度的折減。管片結(jié)構(gòu)彈性模量相對混凝土彈性模量折減0.8，即E=27.6Gpa，泊松比取0.2。

表1 土層模型及基本計算參數(shù)

表2 土層參考剛度參數(shù)及剛度應(yīng)力相關(guān)冪指數(shù)

3.3 3種加固方案模擬

為了對比分析各加固方案的加固效果，分別采用3種方案進行建模分析。

方案A——無加固方案：基坑開挖前不對隧道周邊土體進行加固，基坑整體開挖。

方案B——隧道周邊采用攪拌樁門式加固方案：基坑開挖前，在隧道左右兩側(cè)3m～6m和頂部3m～6m采取攪拌樁門式加固措施，如圖8所示。加固完成后，基坑整體開挖。

圖8 方案B剖面示意圖

方案C——隧道周邊采用攪拌樁加固+抗浮板門式框架結(jié)合抽條開挖方案：在完成攪拌樁門式加固方案后，施工抗拔樁，基坑土方分區(qū)、分段、分層開挖。首先，開挖基坑中間10m核心區(qū)，開挖完成接著，澆筑該區(qū)域的抗浮板；接著對稱開挖核心區(qū)兩邊各5m范圍的土方，開挖完成接著澆筑該區(qū)域的抗浮板。方案剖面圖和平面圖分別如圖9～圖10所示。

圖10 方案C基坑土方開挖步序示意圖

3.4 結(jié)果分析

計算結(jié)果如表3所示。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)及相關(guān)工程經(jīng)驗、其他城市相關(guān)規(guī)定，在不采取加固措施的情況下，加之基坑開挖前所產(chǎn)生的隆起變形1mm～5mm，該段隧道隆起變形累計值將超過20mm，不滿足要求。

表3 三種加固方案數(shù)值模擬結(jié)果

方案B隧道周邊采用攪拌樁門式加固措施，坑底隆起較無加固方案減少57.2%，最大上浮變形較無加固方案減少26.7%，可以有效減少基坑隆起變形和隧道上浮變形，對控制基坑下方隧道變形有利。

方案C隧道周邊采用攪拌樁加固+抗浮板門式框架結(jié)合抽條開挖，隧道上浮變形較無加固情況減少41%，較方案B減少了19.5%?？梢娫摲桨父欣诳刂苹酉路剿淼雷冃巍?/p>

經(jīng)過綜合比選，最終推薦隧道周邊采用攪拌樁加固+抗浮板門式框架結(jié)合抽條開挖方案。工程采用此方案實施后，變形控制效果較好，結(jié)合隧道現(xiàn)有的隆起變形情況，基坑開挖后，隧道變形能滿足要求。

4 結(jié)論

綜上，本文根據(jù)臚雷河綜合整治工程的駁岸加固設(shè)計方案、運營期間區(qū)間隧道沉降監(jiān)測資料等研究依據(jù)資料，并查閱相關(guān)規(guī)范和類似工程，以其中一處隆起變形關(guān)鍵節(jié)點為例，針對3種可能的施工方案，分別進行三維有限元數(shù)值施工全過程模擬，得出以下結(jié)論及建議：

(1)通過對地鐵運營期間的變形監(jiān)測，不僅可以實時了解地鐵運營情況，及時消除安全隱患，還可以為鄰近工程的施工提供已有變形值，掌握變形產(chǎn)生原因，便于提出相應(yīng)的整治方案。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬分析的結(jié)果可知，基坑采取土體加固后結(jié)合分區(qū)、分段、分層開挖并及時施工抗浮板，可以最大程度地減少河道開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。在工程施工中，應(yīng)確保土體加固能滿足設(shè)計要求，且應(yīng)避免大開大挖，采取分區(qū)、分段、分層開挖并及時施工抗浮板。

(3)鑒于駁岸邊坡回填后隧道變形結(jié)果，基坑開挖后進行適當(dāng)?shù)亩演d有利于隧道變形的控制。建議基坑開挖過程中，若出現(xiàn)隧道累計上浮變形超過報警限值情況，及時停工并采取坑底回填堆載等安全措施，以使隧道累計變形值回復(fù)到安全范圍內(nèi)，確保隧道安全。

(4)數(shù)值分析只是參照手段，實際工程中由于情況復(fù)雜，變量因素多，因此應(yīng)重視施工措施及施工質(zhì)量、盡量減少基坑暴露時間，快挖快撐；建議加強工程影響范圍內(nèi)的盾構(gòu)隧道的縱向整體剛度，并對其全天候密切監(jiān)測，確保工程安全。