鄭軍華， 徐禮笑， 莫晨聰

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司， 杭州 310030)

城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展與土地資源稀缺的矛盾日益突出，如何充分利用地下空間是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)所面臨的問(wèn)題，隨著城市地下軌道交通的蓬勃發(fā)展，其鄰近地下空間開(kāi)發(fā)的難度也越來(lái)越大。基坑開(kāi)挖，因圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地下水、大范圍卸土等原因，往往會(huì)對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)造成較大影響，尤其是在基坑開(kāi)挖深度較大、地質(zhì)條件復(fù)雜或與隧道距離較近時(shí)，極易對(duì)已有隧道結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的安全隱患。國(guó)內(nèi)杭州、寧波、南京等[1-2]地均出現(xiàn)過(guò)因基坑施工造成鄰近盾構(gòu)隧道變形超控制值的情況，個(gè)別項(xiàng)目甚至造成了管片破裂和錯(cuò)臺(tái)；國(guó)外如英國(guó)倫敦[3]、新加坡[4]也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似情況，其中倫敦的The Shell Centre 基坑施工造成鄰近地鐵隧道上浮位移達(dá)50 mm～60 mm。因此，研究如何有效控制深基坑施工對(duì)鄰近既有盾構(gòu)隧道的影響具有重要意義。

針對(duì)鄰近基坑開(kāi)挖對(duì)既有盾構(gòu)隧道的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的研究成果。在理論分析方面，Zhang、Sun、康成、黃栩、梁榮柱、魏綱等[5-11]以?xún)呻A段分析法為主要手段，從理論上分析了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響；在模型試驗(yàn)方面，Guo、Huang、張玉偉、胡欣等[12-15]通過(guò)相似材料的模型試驗(yàn)，模擬了不同工況條件下，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道內(nèi)力及變形的影響；在數(shù)值模擬模擬方面，黃迅、孫文昊、呂高樂(lè)、李科、杜科錠等[16-20]采用不同的數(shù)值計(jì)算軟件，模擬分析了不同環(huán)境因素、不同工況條件下，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有盾構(gòu)隧道的影響，同時(shí)還模擬了不同保護(hù)措施對(duì)降低該影響的效果；在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面，徐建勇、魏綱、鄭剛、丁智等[21-24]通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了鄰近基坑施工對(duì)盾構(gòu)隧道的影響規(guī)律。然而，現(xiàn)階段基坑施工對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響研究大多集中于旁側(cè)基坑方面，軟土區(qū)盾構(gòu)隧道上方基坑施工對(duì)下臥軌道交通主體結(jié)構(gòu)的影響和保護(hù)措施研究鮮有報(bào)道。隨著長(zhǎng)江三角洲城市群的不斷發(fā)展，軟土區(qū)立體空間尤其是地下空間的開(kāi)發(fā)情況越來(lái)越多，對(duì)類(lèi)似工況須深入研究，并提出針對(duì)性的保護(hù)措施。

本文依托杭紹甬高速公路明挖隧道與杭州地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道交叉節(jié)點(diǎn)工程，結(jié)合鄰近盾構(gòu)隧道周邊環(huán)境、地質(zhì)條件，研究了軟土地區(qū)上方基坑施工對(duì)下臥盾構(gòu)隧道的影響，并提出了相應(yīng)的輔助防護(hù)措施。

1 工程概況

1.1 基坑環(huán)境

擬建基坑位于杭州市蕭山區(qū)，錢(qián)塘江南岸，為擬建杭紹甬高速公路明挖隧道與杭州地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道交叉節(jié)點(diǎn)。公路隧道采用雙向6車(chē)道、120 km/h設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)寬度35.6 m，高度9.43 m。地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道管壁外徑6.2 m，壁厚0.3 m。

兩隧道平面交叉角度約75°，明挖隧道上跨既有地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道，擬建場(chǎng)地地面標(biāo)高+5.50 m，公路隧道頂標(biāo)高+4.50 m、底標(biāo)高-5.48 m，基坑開(kāi)挖深度10.98 m，盾構(gòu)隧道頂標(biāo)高-10.0 m，豎向凈距4.52 m，空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 兩隧道空間位置關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘成果資料，該明挖區(qū)分為4個(gè)大層，細(xì)劃為9個(gè)亞層，自上而下依次為粉土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)隧道頂部位于粉砂層中，底部位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中，圍巖地質(zhì)較差，隧道結(jié)構(gòu)易受外界施工影響?；娱_(kāi)挖范圍位于粉土層中，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)，地下水以潛水為主，埋深1.0 m～1.5 m。

2 基坑設(shè)計(jì)方案

2.1 工程重難點(diǎn)

1) 盾構(gòu)隧道位于深厚軟土層，抗變形能力弱

從表1可知，項(xiàng)目場(chǎng)地地表以下約17.5 m處存在厚度約20 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，該土層孔隙比大、天然含水量高、壓縮性大、抗變形能力弱，為典型軟土。依托工程盾構(gòu)隧道位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，易受外部工程影響，產(chǎn)生過(guò)大變形。

2) 南北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比小，易發(fā)生踢腳破壞

由圖1可知，基坑開(kāi)挖深度為10.98 m，坑底距盾構(gòu)隧道頂僅4.52 m，同時(shí)為避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)隧道造成直接破壞，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部標(biāo)高距盾構(gòu)隧道頂部需預(yù)留1.5 m的安全距離。因此南北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度僅3.02 m，常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法通過(guò)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆計(jì)算。

3) 基坑開(kāi)挖卸荷比大，盾構(gòu)隧道變形難控制

盾構(gòu)隧道上方卸荷比ν可根據(jù)上方基坑與隧道的空間關(guān)系，選取最不利斷面按式(1)計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

(1)

式中：S1為隧道上方主要覆土區(qū)的基坑最大斷面面積，圖2中陰影部分面積；S為隧道上方主要覆土區(qū)的斷面面積；θ為隧道頂部以上土體的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角。

(a) 基坑范圍位于主要覆土區(qū)內(nèi)

(b) 基坑范圍超出主要覆土區(qū)

由式(1)計(jì)算可知，依托工程基坑開(kāi)挖卸荷比ν為0.83，遠(yuǎn)大于DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》[1]的規(guī)定，即盾構(gòu)隧道上方基坑開(kāi)挖卸荷比ν不宜超過(guò)0.2。在盾構(gòu)隧道上方的基坑施工過(guò)程中，正上方土體被卸除，破壞了結(jié)構(gòu)原有的受力狀態(tài)，極有可能造成該區(qū)域盾構(gòu)隧道發(fā)生局部上浮，甚至可能會(huì)造成管片錯(cuò)位或破裂。因地鐵列車(chē)對(duì)軌道平整度有嚴(yán)格要求，若軌道局部變形較大，將危害到今后的運(yùn)營(yíng)安全及結(jié)構(gòu)的耐久性。

根據(jù)對(duì)交叉節(jié)點(diǎn)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、管片損傷、管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)、幾何尺寸等服務(wù)狀態(tài)的評(píng)估，并結(jié)合DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》[1]的要求，認(rèn)定該區(qū)間盾構(gòu)隧道在其上方的基坑施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)為水平變形與豎向變形均小于10 mm。因盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)建成不久，尚處在工后變形期，基坑施工過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)隧道的位移變形控制難度大，這給基坑的設(shè)計(jì)和施工均提出了巨大挑戰(zhàn)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)杭州地區(qū)類(lèi)似項(xiàng)目金沙湖綠軸下沉廣場(chǎng)上跨地鐵1號(hào)線(xiàn)、九沙河上跨地鐵1號(hào)線(xiàn)、白石港上跨地鐵1、4號(hào)線(xiàn)等項(xiàng)目研究分析，并結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)制定了以下設(shè)計(jì)方案：

1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；幽媳眰?cè)(與盾構(gòu)隧道垂直方向)受盾構(gòu)隧道影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度受限，因此采用永臨結(jié)合的直立式水泥土擋墻聯(lián)合雙排鉆孔灌注樁方案。前排采用Φ1 000@1 150的鉆孔灌注樁，后排采用Φ1 000@2 300的鉆孔灌注樁，按照后排間距設(shè)置連梁，直立式水泥土擋墻采用MJS工法樁，水泥摻量40%，墻厚7 m；基坑?xùn)|西側(cè)(與盾構(gòu)隧道平行方向)采用單排Φ1 000@1 150鉆孔灌注樁圍護(hù)，與南北側(cè)圍護(hù)封閉，如圖3所示。

2) 地基加固。采用MJS工法樁對(duì)基坑進(jìn)行滿(mǎn)堂加固，盾構(gòu)隧道底以下1倍洞徑至基坑開(kāi)挖線(xiàn)采用水泥摻量為40%的MJS工法樁加固，基坑開(kāi)挖線(xiàn)至地面以下3 m采用水泥摻量為20%的MJS工法樁加固，如圖3所示。

3) “門(mén)式框架”。在盾構(gòu)隧道兩側(cè)及中間各設(shè)置一排抗拔樁，抗拔樁樁頂與公路隧道主體結(jié)構(gòu)底板連接，形成一個(gè)整體“門(mén)式框架”，抑制盾構(gòu)隧道上浮，如圖3所示。

4) 施工開(kāi)挖充分考慮時(shí)間、空間效應(yīng)，分區(qū)分塊開(kāi)挖隧道上部土體，充分利用未開(kāi)挖區(qū)塊強(qiáng)度，逐漸形成“門(mén)式框架”，并及時(shí)采用鋼錠反壓，壓載不小于50 kPa，從而保證盾構(gòu)隧道安全。

(a) 設(shè)計(jì)方案總體平面布置

(b) 1-1剖面

(c) 2-2剖面

2.3 監(jiān)控方案

本基坑工程在實(shí)施過(guò)程中，下臥盾構(gòu)隧道歷經(jīng)洞通、鋪軌施工、通電、熱滑動(dòng)等階段，考慮到人工量測(cè)與盾構(gòu)隧道施工存在交叉作業(yè)，不利于施工安全及監(jiān)測(cè)的及時(shí)性，因此本基坑工程施工過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)隧道的監(jiān)測(cè)主要采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)措施，測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

(a) 盾構(gòu)隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)

(b) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

(c) 自動(dòng)化全站儀

盾構(gòu)隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面的布置原則為：基坑正下方盾構(gòu)隧道每隔5環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，延伸區(qū)域盾構(gòu)隧道每隔10環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布設(shè)如圖5所示。

3 數(shù)值分析

3.1 建立模型

采用有限元軟件Midas/GTS NX建模，模型土體四周邊界至基坑邊距離取3倍基坑開(kāi)挖深度，土體下邊界至抗拔樁樁底距離取5倍樁徑，最終確定的模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100 m×100 m×60 m。

本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為排樁支護(hù)，在模擬中采用“支護(hù)墻”代替排樁支護(hù)。原土層及加固體土層均采用修正莫爾-庫(kù)倫模型，盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用彈性體模型，立柱樁及抗拔樁采用樁單元模型，基坑內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧Ｐ汀Ｔ谡麄€(gè)模擬中，模型四周設(shè)置水平向約束，模型底面設(shè)置豎直向約束，模型如圖6所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布設(shè)示意

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 工況模擬

基坑開(kāi)挖過(guò)程中以盾構(gòu)隧道位移變形為控制核心，本文根據(jù)地基加固、抗拔樁、土層開(kāi)挖方案，分4種不同工況模擬基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響。工況1按常規(guī)基坑開(kāi)挖，不施加額外工程措施；工況2僅對(duì)基坑內(nèi)進(jìn)行地基加固，其余同工況1；工況3在工況2的基礎(chǔ)上，3 m以下土地采用抽條方式開(kāi)挖，開(kāi)挖后及時(shí)反壓；工況4則是對(duì)基坑進(jìn)行地基加固，盾構(gòu)隧道兩側(cè)打設(shè)抗拔樁，3 m以下土體采用抽條方式開(kāi)挖，開(kāi)挖后及時(shí)反壓。具體工況模擬如表2所示。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)表2工況設(shè)置，依次在模擬中施加地基加固、抽條開(kāi)挖、“門(mén)式框架”、及時(shí)反壓等工程措施。各工況條件下盾構(gòu)隧道及坑底豎向位移量計(jì)算結(jié)果如表3所示，盾構(gòu)隧道豎向位移云圖如圖7所示，坑底豎向位移云圖如圖8所示。

表2 數(shù)值模擬工況

從表3及圖7(a)、圖8(a)可以看出，在工況1下開(kāi)挖基坑，即未采用其他輔助措施時(shí)，因上方土體卸載，坑底最終豎向隆起量為54.1 mm，而盾構(gòu)隧道底最大豎向位移量達(dá)38.8 mm，遠(yuǎn)超過(guò)控制變形量10 mm，這對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全造成顯著的安全隱患。因此，基坑施工過(guò)程中須增加控制盾構(gòu)隧道變形的工程措施，以將盾構(gòu)隧道的變形量控制在允許范圍內(nèi)。

從表3及圖7(b)、圖8(b)可以看出，地基采用MJS進(jìn)行加固與基坑分2層一次性開(kāi)挖后，坑底最終豎向隆起量為30.8 mm，盾構(gòu)隧道底最大豎向位移量為24.2 mm。相比工況1，工況2坑底豎向位移隆起量減少了43.1%，盾構(gòu)隧道最大豎向位移量減少了37.6%。由此可見(jiàn)，地基加固對(duì)約束坑底隆起及盾構(gòu)隧道位移效果顯著，但因基坑土體卸載量過(guò)大，且坑底距既有隧道較近，基坑開(kāi)挖完成后，盾構(gòu)隧道的最大豎向位移仍超過(guò)允許變形量，說(shuō)明僅用地基加固措施，不能達(dá)到控變目標(biāo)。

表3 不同工況下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)及坑底最終位移量

(a) 工況1

(b)工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

從表3及圖7(c)、圖8(c)可以看出，地基采用MJS進(jìn)行加固，基坑0 m～3 m內(nèi)土層一次性開(kāi)挖，其余土體采用分層分塊抽條開(kāi)挖，任一抽條底板澆筑完成后，及時(shí)施加50 kPa荷載進(jìn)行反壓，坑底最終豎向隆起量為18.3 mm，盾構(gòu)隧道底最大豎向位移量為11.7 mm，相比工況1，工況3坑底豎向位移隆起量減少了66.2%，盾構(gòu)隧道底最大豎向位移量減少了69.8%。由此可見(jiàn)，基坑抽條開(kāi)挖并及時(shí)反壓，發(fā)揮了地基土的時(shí)空效應(yīng)，有效降低了土體開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道周邊土體的擾動(dòng)，但盾構(gòu)隧道的變形量仍然超過(guò)允許范圍，加固措施須多樣化。

從表3及圖7(d)、圖8(d)可知，在工況3的基礎(chǔ)上，盾構(gòu)隧道兩側(cè)設(shè)置抗拔樁，每一抽條完成后，結(jié)構(gòu)底板與抗拔樁連接，共同形成“門(mén)式框架”?；娱_(kāi)挖完成后，坑底最終豎向隆起量為10.7 mm，盾構(gòu)隧道最大豎向位移量為5.64 mm，相比工況1，工況4坑底豎向位移隆起量減少了80.2%，盾構(gòu)隧道最大豎向位移量減少了85.5%。由此可見(jiàn)，“門(mén)式框架”可顯著降低盾構(gòu)隧道的上浮變形量。這種結(jié)構(gòu)底板與抗拔樁共同形成的“門(mén)式框架”，能約束盾構(gòu)隧道與底板間土體位移，從而達(dá)到約束盾構(gòu)隧道上浮的作用，且最終變形量在允許范圍內(nèi)。

綜上分析，盾構(gòu)隧道上方基坑采取地基加固、抽條開(kāi)挖、“門(mén)式框架”、及時(shí)反壓等措施后，盾構(gòu)隧道因上方基坑卸荷而造成的豎向變形可控制在允許范圍內(nèi)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目基坑底距盾構(gòu)隧道頂僅4.52 m，基坑開(kāi)挖卸荷比大，開(kāi)挖過(guò)程中盾構(gòu)隧道變形難控制。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，采用了滿(mǎn)堂加固、盾構(gòu)隧道兩側(cè)設(shè)置抗拔樁形成“門(mén)式框架”，3 m以下土層按抽條法開(kāi)挖，開(kāi)挖至坑底后及時(shí)反壓，可有效控制盾構(gòu)隧道上浮?；娱_(kāi)挖實(shí)施過(guò)程中，整體采用加固措施與數(shù)值模擬工況4一致，現(xiàn)場(chǎng)施工如圖9所示，并按前文盾構(gòu)隧道監(jiān)控量測(cè)方案布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)，基坑施工完成后，獲得盾構(gòu)隧道內(nèi)的實(shí)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)豎向位移，如圖10所示。

從圖10可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖區(qū)域，下方盾構(gòu)隧道存在明顯上浮，基坑結(jié)構(gòu)底板實(shí)施完成后，盾構(gòu)隧道最大上浮位移為5.1 mm，與數(shù)值計(jì)算值5.64 mm較為接近，說(shuō)明本文模擬中采用的基本假定與實(shí)際情況基本一致，數(shù)值計(jì)算結(jié)果有效可靠。

(a) 抽條開(kāi)挖

(b) 及時(shí)反壓

圖10 基坑開(kāi)挖完成后盾構(gòu)隧道實(shí)測(cè)豎向變形曲線(xiàn)(上浮為正，下沉為負(fù))

從圖10還可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖區(qū)域的各襯砌環(huán)整體呈上浮狀態(tài)，但上下行線(xiàn)存在差異，主要因基坑在第2層土體開(kāi)挖過(guò)程中采用“抽條盆式開(kāi)挖法”時(shí)，上下行上方土體開(kāi)挖時(shí)序不一致造成。

5 結(jié)論

本文依托杭紹甬高速公路明挖隧道與杭州地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道交叉節(jié)點(diǎn)工程，采用有限元模擬手段并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析研究了在不同加固措施下，上方基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，得出如下結(jié)論：

1) 軟土區(qū)深基坑開(kāi)挖，卸荷比較大時(shí)，直接開(kāi)挖上方土體易引發(fā)盾構(gòu)隧道產(chǎn)生過(guò)大變形，須采取適宜工程措施降低盾構(gòu)隧道位移變形。

2) 地基加固、抽條開(kāi)挖、“門(mén)式框架”、及時(shí)反壓等措施對(duì)抑制盾構(gòu)隧道位移均有顯著作用，且在地質(zhì)條件較差、卸荷比較大情況下，以上措施均應(yīng)施加，以保證盾構(gòu)隧道位移變形在允許范圍內(nèi)；在地質(zhì)條件較好、卸荷比較小的情況下，可結(jié)合實(shí)際情況及數(shù)值計(jì)算結(jié)果選擇合適的工程措施，既能保證施工安全，又能降低造價(jià)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用地基加固、抽條開(kāi)挖、“門(mén)式框架”、及時(shí)反壓等輔助措施后，既有盾構(gòu)隧道變形控制在允許范圍內(nèi)，且監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，說(shuō)明本文提出的輔助措施合理可行。