葉新豐 田騰躍 陳 博 鞏耀娜 李明輝

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京 100068；2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100068；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市地下空間資源日趨緊張，在一些城市的建設(shè)過程中，往往需在已有地鐵隧道上方進(jìn)行明挖基坑施工。因基坑施工過程中，土方卸載、施工振動(dòng)、降水等因素，對既有線路結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生影響，繼而影響運(yùn)營安全，因此對此類基坑工程的設(shè)計(jì)、施工都有較高的要求。針對此類明挖基坑穿越既有線案例，諸多學(xué)者已開展相關(guān)研究，黃海濱等[1]對采用人工抽條放坡開挖＋板錨支護(hù)有效控制基底土體的回彈和既有地鐵隧道的變形進(jìn)行了研究。鐘方杰等[2]對比了不同加固區(qū)域和加固方式對基坑下方既有隧道隆起變形保護(hù)效果的區(qū)別。王永偉[3]分析了基坑開挖深度、土層特性等方面對下臥隧道的影響，總結(jié)了基坑開挖卸荷對下方隧道在結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力等方面的發(fā)展態(tài)勢和變化規(guī)律。畢成雙[4]對頂管方式綜合管廊穿越既有線的變形影響從理論及實(shí)測角度進(jìn)行了分析，總結(jié)了頂管管廊穿越既有線的變形規(guī)律。喬南[5]對明挖箱型隧道基坑施工對下臥既有隧道變形影響進(jìn)行了分析，并對加固措施進(jìn)行了研究。此外，多位學(xué)者[6－8]對基坑開挖及其他工法結(jié)構(gòu)上跨既有線施工卸載過程對下方結(jié)構(gòu)的變形影響進(jìn)行了分析，并對控制方法進(jìn)行了研究?？傊?，目前基坑上跨既有地鐵施工過程，減小既有線變形影響的控制方法主要是采用地基加固[9]、堆載預(yù)壓和分區(qū)塊開挖等[10－13]。近些年，隨著長大基坑的案例增多，長距離平行上穿既有線的案例也開始出現(xiàn)，本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)，找出基坑在既有線結(jié)構(gòu)投影長度大于100 m影響范圍的基坑案例如表1所示[14]。隨著基坑長距離上跨既有地鐵案例的增多，在既有線上方長距離開挖基坑期間，對如何降低開挖引起的既有線變形及如何優(yōu)化控制措施進(jìn)行研究顯得尤為必要。本文針對北京某地鐵線路上方施工的地下綜合管廊工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，對比了開挖方案及加固方案，提出了地鐵上方基坑明挖施工過程地鐵結(jié)構(gòu)變形控制的優(yōu)化方案，完成了該工程施工時(shí)的地鐵線路保護(hù)。

表1 長大基坑上穿既有線工程案例

2 工程概況

本工程為北京地區(qū)某地下綜合管廊工程，該管廊位于城市主干路下方，管廊頂板覆土約為3.0～5.0 m，底板埋深6.5～10.6 m。管廊設(shè)電力1、2艙，水信艙共三艙室。管廊標(biāo)準(zhǔn)段電力1艙、電力2艙凈寬度2.6 m，水信艙凈寬度5.7 m，在道路東側(cè)凈寬度3 m，管廊凈高3.0 m。管廊結(jié)構(gòu)為三艙閉合框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順作法施工。采用鉆孔灌注樁＋內(nèi)支撐支護(hù)體系。新建管廊工程位于既有盾構(gòu)區(qū)間上方，上跨范圍約4 km，管廊基坑底部距離既有盾構(gòu)區(qū)間垂直距離為4～8 m。管廊上跨既有盾構(gòu)隧道平面圖如圖1所示。

圖1 管廊上跨既有盾構(gòu)隧道平面圖

根據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)勘察資料，場區(qū)地面以下20 m深度范圍內(nèi)，地層主要分為人工堆積層及第四紀(jì)沉積層兩大類，按其成因、結(jié)構(gòu)特征、土性的不同和物理力學(xué)性質(zhì)差異，主要分為:素填土層、粉質(zhì)黏土層、細(xì)砂層、中砂層、粉質(zhì)黏土層等，場區(qū)施工范圍內(nèi)不受地下水影響。管廊基坑及工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 管廊基坑及工程地質(zhì)剖面圖

3 實(shí)施方案比選

3.1 基坑施工方案比選

管廊施工前，既有盾構(gòu)區(qū)間隧道已施工完成，管廊施工過程上跨已建盾構(gòu)區(qū)間隧道。為減小已建盾構(gòu)區(qū)間隧道上浮，根據(jù)之前不同學(xué)者對基坑上跨既有隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)施工期間的變形分析及控制措施研究結(jié)論，采取對管廊下方地層進(jìn)行深孔注漿加固方式加固管廊基底地層，同時(shí)結(jié)合本方案特點(diǎn)合理優(yōu)化注漿深度、開挖長度、開挖步序，以減少對地層的擾動(dòng)。

根據(jù)場地條件，管廊工程與既有盾構(gòu)區(qū)間隧道位置關(guān)系，對管廊下方土體加固深度做經(jīng)濟(jì)性及加固效果分析比選，以選出既經(jīng)濟(jì)又可起到有效防護(hù)作用的加固深度。并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合加固深度，對管廊土體縱向開挖長度做比選分析，以獲得既有利于既有盾構(gòu)區(qū)間隧道上浮控制，又有利于提高現(xiàn)場施工功效的開挖流水段劃分。具體實(shí)施過程中，因選取區(qū)段新建管廊底部距離既有盾構(gòu)隧道豎向距離約7 m，為得到最優(yōu)注漿加固厚度，利用MIDAS GTS NX仿真分析軟件，對加固土體厚度作對比分析，設(shè)定管廊基坑底部加固土體厚度分為0、1、2、3、4、5、6 m七種比選方案。結(jié)合不同土體注漿加固厚度狀態(tài)下管廊基坑開挖時(shí)，既有盾構(gòu)隧道上浮變形量和不同加固厚度情況下施工的經(jīng)濟(jì)性及安全性等因素，綜合分析得出最優(yōu)的地層注漿加固厚度。

在選出最優(yōu)地層加固厚度后，在此基礎(chǔ)上對開挖土體長度做對比分析，以每個(gè)流水段12 m考慮，以1個(gè)流水段開挖施工，2個(gè)流水段開挖施工，3個(gè)流水段開挖施工做比選分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場開挖施工的經(jīng)濟(jì)性和高效性，綜合確定最優(yōu)開挖流水段長度，從而選擇既有利于控制既有盾構(gòu)隧道上浮，又有利于提高施工效率的開挖施工方案，并以此施工方案指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.2 比選方法

由于本方案的比選為工前施工方案比選，比選過程中，以結(jié)合現(xiàn)場施工工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和理論計(jì)算為主體的數(shù)值模擬有限元計(jì)算為主。采用MIDAS GTS NX軟件，對基坑施工過程中的注漿厚度和基坑開挖流水段長度進(jìn)行比選，以獲得最佳經(jīng)濟(jì)有效的加固厚度和對既有盾構(gòu)隧道影響較小的開挖長度。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，本次比選模型圖如圖3所示，各類材料參數(shù)如表2所示。

圖3 管廊基坑施工方案比選模型

表2 模型計(jì)算參數(shù)

在模擬計(jì)算過程中，根據(jù)模型特點(diǎn)進(jìn)行施工步序劃分，具體施工步序?yàn)?

(1)自然重力場；

(2)既有盾構(gòu)隧道生成；

(3)新建管廊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；

(4)管廊下方地層注漿加固(根據(jù)比選方案不同，分為加固 0、1、2、3、4、5、6 m 七個(gè)計(jì)算模型)；

(5)管廊基坑開挖第一層，施工鋼支撐；

(6)管廊基坑開挖第二層；

(7)管廊結(jié)構(gòu)施工；

(8)管廊基坑上方土體回填。

4 方案比選模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同地層加固厚度分析

針對本工程特點(diǎn)，選取不同地層加固厚度的計(jì)算模型進(jìn)行分析，得出不同地層加固厚度狀態(tài)下，基坑開挖過程最大變形值，并根據(jù)變形值，總結(jié)其變形規(guī)律。不同地層加固厚度狀態(tài)下，基坑開挖過程注漿厚度為3 m時(shí)既有盾構(gòu)隧道最大變形值云圖如圖4所示。

圖4 注漿厚度3 m時(shí)既有盾構(gòu)隧道變形云圖

通過對不同地層加固厚度工況下，基坑開挖過程對既有線影響的模擬分析可知，注漿厚度在0、1、2 m過程變化時(shí)，隨著注漿厚度的加大，基坑開挖時(shí)注漿工作對既有隧道隆起變形控制效果較為明顯。注漿厚度在3、4、5、6 m變化時(shí)，基坑開挖時(shí)注漿工作對既有隧道隆起變形控制效果減弱，不同注漿厚度狀態(tài)下基坑通長開挖引起既有地鐵隆起變形如圖5所示。

圖5 不同注漿層厚度基坑開挖過程既有盾構(gòu)變形曲線

在注漿施工過程中，注漿厚度越大，既有線變形越小，但相對注漿成本也越高；同時(shí)注漿厚度越大，注漿漿液距離既有線距離越小，注漿漿液滲漏至既有線的可能性也越大。

綜合上述分析及注漿效果、注漿經(jīng)濟(jì)性和注漿風(fēng)險(xiǎn)等因素，注漿厚度為3 m時(shí)，在基坑通長開挖狀態(tài)下，既有地鐵結(jié)構(gòu)隆起變形4.17 mm，對既有地鐵加固效果最好，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性和注漿風(fēng)險(xiǎn)相對也較低，因此推薦本工程注漿厚度3 m為最佳注漿厚度。

4.2 不同流水段開挖長度分析

根據(jù)前述最優(yōu)注漿厚度理論計(jì)算，注漿厚度選取為3 m，在進(jìn)行流水段開挖長度分析時(shí)，選取開挖流水段長度為12、24、36 m三種工況進(jìn)行分析。得出不同開挖流水段長度工況下，既有結(jié)構(gòu)變形情況，并根據(jù)變形值，總結(jié)其變形規(guī)律。不同開挖流水段狀態(tài)下，基坑開挖長度24 m時(shí)既有盾構(gòu)隧道最大變形值云圖如圖6所示。

圖6 基坑開挖長度24 m時(shí)既有盾構(gòu)隧道變形云圖

通過對基坑開挖不同長度狀態(tài)下進(jìn)行理論及算法分析，既有地鐵結(jié)構(gòu)在基坑流水段長度選為12、24、36 m時(shí)，既有地鐵結(jié)構(gòu)隆起變形趨勢如圖7所示。

圖7 不同開挖長度基坑開挖過程既有地鐵變形曲線

通過對不同流水段開挖長度工況下，基坑開挖過程對既有線影響的模擬分析可知，開挖流水段長度在12、24、36 m長度變化時(shí)，既有盾構(gòu)隧道隨單次流水段長度增加而逐漸增大，其變形曲線反彎點(diǎn)在流水段為24 m長度位置，單次開挖流水段長度超過24 m時(shí)，其對既有線隆起影響值的增幅速度逐漸減小。單次開挖36 m時(shí)，既有結(jié)構(gòu)隆起變形約4.17 mm，與全部開挖時(shí)對既有線影響值基本一致。

綜合考慮對既有線的影響及開挖工期、基坑底板施作時(shí)間等，確定基坑單次流水段開挖長度在24～36 m之間較為適宜，并將該結(jié)論應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)施。

5 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工前期的模擬分析，選取注漿厚度為3 m，單次流水段長30 m的施工方案進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際施工，施工過程對既有線隆起變形進(jìn)行全程監(jiān)測。既有盾構(gòu)隧道監(jiān)測過程對結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉降監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)時(shí)，軸向間距為10 m，在隧道兩側(cè)分別布設(shè)，選取模擬分析部位約80 m范圍既有線進(jìn)行實(shí)測變形分析。分析范圍內(nèi)共涉及既有線雙線36個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中最大隆起值為3.91 mm，平均變形值為3.12 mm，其變形分布值分布區(qū)間情況如圖8所示。

圖8 既有線隆起變形值分布

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析，既有盾構(gòu)區(qū)間受上方管廊基坑開挖影響，其變形值基本為3～4 mm，實(shí)測結(jié)果與理論預(yù)測變形值基本一致。同時(shí)，通過對既有線監(jiān)測點(diǎn)單點(diǎn)進(jìn)行時(shí)程分析，可知，既有線在基坑開挖過程中隆起變形最大，隨著結(jié)構(gòu)施工及回填，有一定下沉，并逐漸趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論

通過對明挖基坑管廊上跨既有線過程，不同注漿厚度及不同基坑開挖流水段長度等工況的理論計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)際方案施工完成后既有盾構(gòu)區(qū)間的變形情況進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

(1)對于管廊上跨既有盾構(gòu)區(qū)間施工的方案比選工作，采用理論計(jì)算可以從定性及定量角度，對各種工況進(jìn)行分析，從而綜合對比，通過計(jì)算，基底注漿厚度為3 m，開挖流水段長度為30 m時(shí)，從控制既有地鐵變形、施工工期、施工經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，為最優(yōu)方案。

(2)通過數(shù)值模擬計(jì)算與現(xiàn)場既有盾構(gòu)區(qū)間隆起實(shí)測值的對比分析，可知，理論計(jì)算與既有線在基坑開挖過程的實(shí)測隆起變形基本一致。既有線實(shí)測單點(diǎn)時(shí)程變形趨勢隨著基坑開挖逐漸增大，隨基坑結(jié)構(gòu)施工及基坑回填有少量下沉并趨于穩(wěn)定。

(3)通過數(shù)值分析進(jìn)行方案分析及比選，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，可知，該管廊工程上跨既有線施工案例較為成功，可為后續(xù)類似管廊工程上跨既有線的方案選擇提供參考依據(jù)。