趙鶴泉 梁昊慶 錢煒駿
上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080
目前,地下空間開(kāi)發(fā)與施工的研究主要集中于緊鄰地鐵隧道或車站的工程,而未來(lái)越來(lái)越多的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)將涉及地鐵隧道正上方區(qū)域的施工與保護(hù)[1-4]。本文基于某實(shí)際工程的地鐵隧道上方基坑開(kāi)挖及底板施工過(guò)程的記錄與地鐵變形結(jié)果的分析,研究基坑暴露時(shí)間對(duì)隧道上方加固區(qū)域的變形影響,以及基坑施工方案的優(yōu)化。通過(guò)建立數(shù)值模型分析變形趨勢(shì)并與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型數(shù)值分析的正確性與施工方案的優(yōu)化效果。
某大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目位于上海市中心城區(qū),周邊環(huán)境極為復(fù)雜。北側(cè)有眾多商業(yè)辦公樓及居民住宅區(qū),南側(cè)包括超高層建筑、受保護(hù)的學(xué)校及居民區(qū)等。此外,對(duì)施工制約最大的還有南側(cè)的市政核心道路以及緊密相關(guān)的2條地鐵線路。其中東側(cè)為某地鐵線路車站,與基坑?xùn)|側(cè)共用基坑地下連續(xù)墻,北側(cè)的另一地鐵區(qū)間隧道橫臥于施工場(chǎng)地下方,基底距隧道正上方約5 m。在地鐵隧道正上方進(jìn)行開(kāi)挖施工,會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)造成諸多影響,比如:基坑卸土造成土體應(yīng)力減小而產(chǎn)生變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響、樁頭破除時(shí)的振動(dòng)對(duì)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)等。基于安全考慮,此區(qū)域施工必須嚴(yán)格按照地鐵管理方的要求,在每日地鐵停運(yùn)后開(kāi)始施工,并需要在次日地鐵運(yùn)營(yíng)前完成開(kāi)挖區(qū)塊的底板混凝土澆筑。該區(qū)域的底板共分為165塊,基坑地板分區(qū)如圖1所示。
圖1 基坑開(kāi)挖分塊平面示意
對(duì)區(qū)間隧道而言,基坑施工影響最大的便是卸載的工況,盡管該施工區(qū)域已完成門式滿堂加固,但仍會(huì)造成隧道整體的垂直位移以及管片的徑向收斂變形?;谝陨戏治觯藚^(qū)域基坑最后一皮土方與底板施工于23時(shí)開(kāi)始開(kāi)挖。開(kāi)挖方案為每次施工上行線或下行線隧道上方的3 m×17 m單塊底板,并在此范圍東西兩側(cè)留置一定的加固土坡。
盡管主要的卸載過(guò)程為挖土,但直至混凝土澆筑完成之前,僅有預(yù)制的底板鋼筋籠有一定的壓重作用,因此開(kāi)挖至澆筑混凝土完畢前均認(rèn)為是卸載影響時(shí)段。
另一方面,每個(gè)施工日(按照地鐵管理方要求,原則上每周的施工窗口期僅為3 d)前后2次的地鐵監(jiān)測(cè)報(bào)表需悉數(shù)匯總。數(shù)據(jù)從監(jiān)測(cè)方法上分為“人工監(jiān)測(cè)”與“自動(dòng)化監(jiān)測(cè)”,變形數(shù)據(jù)重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)主要為“管徑收斂”與“垂直位移”。
人工監(jiān)測(cè)報(bào)告的頻率一般為一周3次,同一個(gè)點(diǎn)的累計(jì)變化量可能未能準(zhǔn)確表達(dá)施工當(dāng)日的影響。而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)則是每日更新,可以更直觀地看到當(dāng)日的變化情況。自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)頻率高,可以準(zhǔn)確分析出施工當(dāng)日前后的變化。但是根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果(圖2),自動(dòng)化監(jiān)測(cè)大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)均為0,可認(rèn)為短時(shí)間的影響較小,故認(rèn)為此類變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可以人工監(jiān)測(cè)為主。
圖2 施工時(shí)間對(duì)管徑收斂的影響(自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))
將施工時(shí)間按照升序排列后,將其與垂直位移與管徑收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,比較結(jié)果如圖3~圖5所示。
圖3 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響
圖4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響
圖5 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)管徑收斂的影響
對(duì)圖3~圖5進(jìn)行分析可知,首先,盡管人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了部分下沉的情況,但幾乎絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都反映了隧道結(jié)構(gòu)上浮的結(jié)果。并且施工時(shí)間與上浮程度呈正相關(guān),這一點(diǎn)在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果中更得到了清晰的顯現(xiàn)。
雖然每次施工對(duì)于結(jié)構(gòu)垂直位移的影響只有0.5 mm左右,但施工時(shí)間確實(shí)是地鐵區(qū)間隧道變形的主要影響因素。出于保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)安全的原則,應(yīng)該合理調(diào)整施工的搭接并提高工作效率以減少基坑暴露時(shí)間和地鐵區(qū)間隧道周邊土體卸載時(shí)間。
從圖5中,還可以看到,大部分的管徑收斂數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù),代表著基坑開(kāi)挖施工導(dǎo)致的隧道上方空間卸載會(huì)引起隧道管片的左右徑向收縮,呈橢圓狀。因此出于對(duì)地鐵保護(hù)的考慮,需要加固隧道兩側(cè)的土體強(qiáng)度。
由于本工程本身的工期壓力比較緊張,而且地鐵管理單位也同樣提出了較高的施工工期要求。因此項(xiàng)目部提出之前并未開(kāi)展過(guò)的施工安排,即從原來(lái)的僅施工上行線或下行線隧道上方的單塊底板,改為同時(shí)施工上下行線隧道上方的兩塊底板。從時(shí)間上來(lái)說(shuō),由于鋼筋籠都是提前預(yù)制,相較原施工方案的區(qū)別僅為土方開(kāi)挖時(shí)間,而經(jīng)過(guò)施工搭接磨合后,現(xiàn)場(chǎng)施工團(tuán)隊(duì)也已可以做到較好的施工同步性。因此,重點(diǎn)考慮因素為開(kāi)挖范圍擴(kuò)大是否會(huì)導(dǎo)致區(qū)間隧道周圍土體變形增大。實(shí)際情況如圖6~圖8所示。
圖6 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)管徑收斂的影響
圖7 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響
圖8 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響
從圖6、圖8可以看出,新施工方案變形影響略有增大,但圖8中的垂直位移變形兩者區(qū)別較小,采用新方案之后,暴露時(shí)間確實(shí)略有增加,綜合來(lái)看,盡管開(kāi)挖的區(qū)域變大,但是整個(gè)窗口期(地鐵停運(yùn)期間)的卸載時(shí)間卻并沒(méi)有較為明顯的增加,而且同步施工的另一好處就是可以保證上、下行線垂直方向微小位移的同步性,不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)允許的差異位移要求。
綜上所述,優(yōu)化施工后的“上、下行線同步開(kāi)挖”方案,與原方案對(duì)地鐵造成的變形影響較為一致,且能較早地完成施工,以及合理地安排夜間施工的人、機(jī)、物料組織,是一個(gè)可以借鑒的新型地鐵隧道上方基坑施工的方案。
通過(guò)有限元分析,建立和施工情況相近的數(shù)值模型。分別模擬基坑原始情況與開(kāi)挖施工后的卸載工況。如圖9、圖10所示。通過(guò)模擬該工況下的地下空間變形情況,可看到地下加固區(qū)域的變形趨勢(shì)及隧道結(jié)構(gòu)自身的變形趨勢(shì)。由于模型均參照實(shí)際工況以及地下土的門式加固情況,因此該模擬下的數(shù)值變化對(duì)于實(shí)際施工具有指導(dǎo)意義。
圖9 基坑(加固)數(shù)值模型
圖10 基坑開(kāi)挖數(shù)值模型
而針對(duì)隧道本身,同樣也模擬了其施工狀態(tài)前后的變形區(qū)別,如圖11、圖12所示。從結(jié)果上來(lái)說(shuō),斜橢圓的變形模式可能是基坑中間到兩側(cè)隆起量不同所造成的。
圖11 開(kāi)挖前的隧道形態(tài)
圖12 開(kāi)挖后的隧道形態(tài)
通過(guò)以上施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,基坑施工時(shí)區(qū)間隧道變形主要以水平徑向收縮為主。而數(shù)值模型所體現(xiàn)的斜橢圓變化形態(tài)與實(shí)際監(jiān)測(cè)隧道變形數(shù)據(jù)相符。但需要指出數(shù)值模型無(wú)法精確預(yù)測(cè)隧道變形量,體現(xiàn)為計(jì)算值高估了隧道實(shí)際變形,這一現(xiàn)象主要是因?yàn)樗捎玫谋緲?gòu)模型不能完全地描述土體復(fù)雜的非線性特征所致。
但考慮到現(xiàn)場(chǎng)地層情況的復(fù)雜性,通過(guò)本文所介紹的數(shù)值模型可以幫助理解基坑開(kāi)挖對(duì)下臥地鐵隧道影響的機(jī)理,初步設(shè)計(jì)階段可對(duì)優(yōu)化加固方案、施工時(shí)序等方面提供建議和指導(dǎo)。
在原位土體試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐下,可采用能考慮土體加卸載非線性以及固結(jié)特性的精細(xì)化土體本構(gòu)模型,同時(shí)精確模擬周邊環(huán)境邊界的狀態(tài),以得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,為設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。
1)通過(guò)施工記錄與地鐵監(jiān)測(cè)報(bào)告的整理分析,明確了地鐵區(qū)間隧道在上部土方開(kāi)挖工況的變形以上浮以及隧道徑向收縮為主。
2)通過(guò)施工方案的調(diào)整比對(duì)以及2個(gè)不同施工方案下的地鐵變形趨勢(shì)的分析,得出跨上、下行線,一次施工2個(gè)基坑的方案是合理的,對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)的變形在可控范圍之內(nèi),同時(shí)可加快施工進(jìn)度,減少影響地鐵區(qū)間隧道變形的絕對(duì)時(shí)間。
3)通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析,將數(shù)值分析結(jié)果與施工實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)地鐵區(qū)間隧道變形趨勢(shì)一致,數(shù)值分析對(duì)于橫臥基坑下方的地鐵隧道在施工期間的變形趨勢(shì)預(yù)判將有較大的指導(dǎo)意義,可對(duì)施工工況引起的地鐵區(qū)間隧道變位進(jìn)行預(yù)測(cè)。