劉君偉

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展,土地及資源越來越顯稀缺,為了節(jié)省地上空間的使用,對地下空間的開發(fā)越來越緊促,而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及人口的增長,已有建筑物的地下結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足不了人們的需求,因此需要對既有建筑物的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)建,但隨著城市地鐵的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營不斷發(fā)展,擴(kuò)建工程鄰近既有地鐵的案例也越來越常見,而地鐵隧道多為盾構(gòu)法施工的柔性結(jié)構(gòu),對周邊環(huán)境較為敏感。因此,各運(yùn)營地鐵線路均對地鐵隧道提出變形保護(hù)要求,國標(biāo)及各地地標(biāo)也有關(guān)于隧道變形的具體限值。

況龍川[1]研究了深基坑施工引起旁邊地鐵隧道的變形,根據(jù)開挖工況與隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析影響隧道的主要原因,得出了結(jié)論；鄭剛[2]等人研究了基坑開挖引起的鄰近隧道影響變形區(qū),劃分了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區(qū)；魏綱[3]等人針對基坑開挖對相鄰的隧道變形進(jìn)行了實(shí)測分析,分析大型深基坑開挖對旁邊地鐵隧道的影響規(guī)律以及支護(hù)加固措施的效果,并提出隧道水平位移的預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式；呂高樂[4]等人采用數(shù)值模擬的方法研究了雙側(cè)深基坑施工過程對基坑坑內(nèi)土體隆起與坑外土體沉降的影響,分析了雙側(cè)深基坑施工過程中地鐵車站及盾構(gòu)隧道變形情況,得出地鐵車站及盾構(gòu)隧道變形規(guī)律；李成巍[5]等人研究了深基坑施工對鄰近盾構(gòu)隧道的影響,研究出了控制隧道變形的技術(shù)措施。

目前,國內(nèi)關(guān)于緊鄰地鐵隧道基坑工程設(shè)計(jì)施工的研究和工程報(bào)道較多,但是對于隧道上方近距離、大量卸載的新建管溝開挖工程設(shè)計(jì)施工相關(guān)研究和工程報(bào)道相對較少。

本文以北京某地鐵上方某體育中心的管廊擴(kuò)建工程為例,對管溝開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,提出地鐵盾構(gòu)隧道上方大面積卸載時(shí)的變形控制措施,以期為地鐵隧道上方緊鄰管溝開挖工程提供參考。

1 工程概況

管溝擴(kuò)建工程位于該體育館院內(nèi),西側(cè)為市內(nèi)主干道,主干道下為正在運(yùn)行的地鐵線路,平面關(guān)系圖如圖1 所示。圖中地鐵下穿了待建管溝,本文主要研究新建管溝開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)以及軌道結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 既有地鐵于新建管溝的位置關(guān)系平面圖

賽事中心基坑深度為7.90m～17.60m,基坑?xùn)|西長度約為160m,南北寬度為70m。新增地下管溝整合地下管線,管溝長度約為715m,寬度7m。±0.00=50.80m,現(xiàn)狀地面標(biāo)高為50.65m,即-0.15m,基坑深度為2.50m～7.00m,基坑深度小于4.75m(不含)采用掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)形式,地鐵上方管溝基坑深度6.15m,采用土釘墻支護(hù)。

該地鐵隧道埋深最淺約10m,地鐵上方禁止打樁；地鐵范圍5m 內(nèi)禁止施工圍護(hù)樁。穿越段地鐵右線為礦山隧道和盾構(gòu)隧道；左線范圍內(nèi)都為盾構(gòu)隧道。

2 數(shù)值模擬預(yù)測

2.1 模型概述

根據(jù)地鐵隧道與新建管溝的位置關(guān)系以及賽事中心基坑的范圍,計(jì)算模型總尺寸為310m×420m×50m,計(jì)算模型中周圍土體采用實(shí)體單元,不同的土層采用不同的材料模擬邊界條件的選取時(shí)除了頂面取為自由邊界,其他面均采取法向約束。模型如圖2。

模型按照要求對隧道頂部的地基進(jìn)行注漿加固；為了減少土體回彈釋放,對加固區(qū)域的槽底添加墊層進(jìn)行筑底加固。

圖2 有限元數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘資料將模型中的土分為5 層,各參數(shù)選取如表1所示。

表1 模型參數(shù)選取

2.3 計(jì)算假定

2.3.1 新建施工期間既有地鐵僅考慮正賞使用工況,不考慮地震、人防工況；

2.3.2 假定既有地鐵結(jié)構(gòu)為線彈性材料；

2.3.3 假定既有地鐵及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則；

2.3.4 本評估分析的前提是施工處于正常良好控制的條件下。

2.4 施工步序

根據(jù)新建工程的施工步驟,在模型進(jìn)行計(jì)算時(shí),將施工模擬階段分為7 個(gè)階段,如表2 所示。

表2 施工階段

3 隧道沉降計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

管溝的開挖使得隧道上方荷載大量卸載,改變了原有底層的初始平衡條件,造成了隧道變形。

使用數(shù)值模型計(jì)算得到的各施工階段中隧道的變形量如圖3。

圖3 隧道變形時(shí)程曲線

由沉降時(shí)程曲線圖可知既有隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向變形值為1.418mm(上浮)(發(fā)生在階段六和階段七),最大橫向變形值為0.879mm(發(fā)生在階段四),位移方向?yàn)楣軠祥_挖側(cè)。其中最大的豎向變形發(fā)生在隧道穿越新建管溝處,最大橫向變形也發(fā)生在穿越處。施工階段六的豎向變形云圖如圖4。

圖4 豎向變形云圖

3.2 軌道結(jié)構(gòu)變形分析

管溝開挖引起既有地鐵軌道結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定的變形。軌道結(jié)構(gòu)最大的豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm,比隧道的變形要小,且變形值在容許范圍之內(nèi)。

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

3.3.1 經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到,隧道上方新建管溝施工期間隧道的最大豎向位移為1.418mm,最大橫向位移為0.879mm,隧道產(chǎn)生位移是因?yàn)楣軠祥_挖后,隧道上部地層初始平衡條件發(fā)生改變,使得管溝土體回彈從而導(dǎo)致隧道產(chǎn)生位移。

3.3.2 軌道結(jié)構(gòu)最大的豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm。

3.3.3 隧道和軌道結(jié)構(gòu)的變形均在安全范圍內(nèi),說明采取隧道頂部注漿和管溝底部墊層的措施能夠有效控制隧道結(jié)構(gòu)的變形,并且可以認(rèn)為在正常施工條件下,對軌道采取一定的監(jiān)測與軌道防護(hù)措施的條件下,能夠保證既有地鐵的安全運(yùn)營。

4 隧道變形控制措施

該工程有效地控制了地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的變形,滿足了地鐵對變形控制的要求,施工過程中采取的控制措施如下。

4.1 新建管溝分段施工

施工場地將綜合管溝本標(biāo)段劃分為五個(gè)區(qū)域先后施工,2段結(jié)構(gòu)施工完成后,開始1、4、5 段施工,結(jié)構(gòu)完成后,再開始3、6 段施工。

如果先進(jìn)行3、6 段管溝的施工,將會(huì)在進(jìn)行其他分段的施工時(shí)造成隧道的二次變形,所以該方案主要先進(jìn)行離隧道較遠(yuǎn)的分段的管溝施工,再進(jìn)行地鐵左右線上方的管溝分段的施工,能夠?qū)⒆罱K變形控制在安全范圍內(nèi)。

4.2 地基處理

4.2.1 注漿加固

為了控制好隧道的變形,對隧道上方地基進(jìn)行了注漿加固,地基注漿處理范圍如,地基處理面積約1200m2,采用袖閥管注漿加固工藝,袖閥管注漿孔：607 個(gè),孔深8.2m,共計(jì)4977.4m。

注漿孔孔徑：110mm,間距：1.5m×1.5m。

為防止?jié){液進(jìn)入地鐵范圍內(nèi),注漿范圍嚴(yán)格控制,地外2m為保護(hù)區(qū),注漿孔底不進(jìn)入砂層。

注漿壓力0.2～0.5Mpa；當(dāng)孔口泛漿或泵壓力大于1Mpa 時(shí),停止注漿。

水泥采用P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥,水泥漿水灰比0.7～1.0；注漿量尚應(yīng)通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定,重點(diǎn)注漿加固區(qū)域不少于500kg/孔。

常規(guī)袖閥管注漿套殼料采用水泥、膨潤土或黏土和水的混合漿制成,比例為1:1.5:1.8,套殼強(qiáng)度必須兼?zhèn)溟_環(huán)和防止串漿。

4.2.2 筑底加固

為了減少土體回彈釋放,對加固區(qū)域的槽底進(jìn)行筑底加固。在人工清槽施工時(shí),分段快速清理,清理完成后立即澆筑加厚墊層,墊層厚度為200mm,與槽底同寬。

4.3 土方施工

園區(qū)改造新增地下管溝整合地下管線,管溝長度約為715m,寬度7m,建筑面積5000m2,基坑深度為2.50m～7.00m,基坑深度小于5m(不含)采用掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)形式,基坑深度大于5m 采用土釘墻支護(hù),其中20 剖面采用微型樁復(fù)合土釘墻支護(hù)形式。基坑安全等級為三級,重要性系數(shù)為0.9。

樁錨支護(hù)：

首先進(jìn)行護(hù)坡樁施工→第一步土方開挖至-3.15m→第一步土釘墻支護(hù)施工(方向由東向西)→護(hù)坡樁冠梁施工→第二步土方挖運(yùn)至第一道預(yù)應(yīng)力錨桿標(biāo)高以下500mm→第一道預(yù)應(yīng)力錨桿施工→錨桿達(dá)到張拉條件并張拉鎖定→進(jìn)行下步土方的開挖至下道錨桿標(biāo)高下500mm→進(jìn)行第二道預(yù)應(yīng)力錨桿施工→第二道錨桿達(dá)到張拉條件并張拉鎖定→進(jìn)行開挖直至基坑底部→最后進(jìn)行人工清槽。

土釘墻施工：

方開挖原則符合分層、分段、適時(shí)的原則,嚴(yán)禁超挖,與土釘施工密切配合,為保證施工完成后,施工區(qū)域穩(wěn)定,因此管廊肥槽快速回填,但是要保證回填質(zhì)量。

5 結(jié)論

對該穿越工程建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型,對既有地鐵的變形計(jì)算分析可以得出：

由于新建管溝的施工,既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的豎向變形和橫向變形,根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出隧道最大上浮為1.418mm,最大橫向位移為0.879mm。軌道結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為1.314mm,最大橫向變形值為0.735mm,隧道和軌道結(jié)構(gòu)的變形均在安全范圍內(nèi),說明通過嚴(yán)格控制施工參數(shù),如：(1)對新建工程進(jìn)行分段施工；(2)對施工區(qū)域地基進(jìn)行注漿加固的同時(shí)對管溝底部添加墊層減少土體回彈；(3)對基坑邊坡設(shè)置合理的錨固措施,有效的將既有地鐵的變形控制在安全范圍內(nèi)；(4)進(jìn)行軌道加固。

可以保證高速列車的運(yùn)營安全,為隧道上覆荷載大量卸載造成隧道的變形控制積累了豐富、寶貴的成功經(jīng)驗(yàn),可為相關(guān)工程提供借鑒。