高宏偉

(西安市軌道交通集團有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，交通壓力迅速增大，城市軌道交通憑借其高效載客及節(jié)省地面空間等優(yōu)勢成為解決交通問題的有效途徑。城市交通的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)立體化發(fā)展模式，在有限的城市空間內(nèi)，市政通道與軌道交通工程不可避免存在相互影響，周邊地塊的開發(fā)亦對城市軌道交通工程存在一定的影響。因此，采用合理的施工或加固方法確保既有軌道交通隧道的安全穩(wěn)定和規(guī)劃線路的實施具有重要的工程意義。

在基坑開挖卸載作用下，鄰近既有軌道交通隧道會發(fā)生縱向不均勻變形、管片開裂、錯臺、滲漏等一系列病害，嚴重威脅軌道交通運營安全。基于寧波軌道交通1號線，Chen等[1]研究了敏感軟土中臨近大開挖對既有軌道交通隧道的影響，發(fā)現(xiàn)鄰近開挖引起的左線隧道位移較大，并且出現(xiàn)了可見的裂縫和滲漏。Chang等[2]報道了臺北捷運軌道交通某區(qū)間盾構隧道由于緊鄰高層建筑基坑施工導致隧道管片發(fā)生嚴重損害，影響列車運營。受盾構下穿影響，北京軌道交通某區(qū)間隧道累計沉降23 mm，并產(chǎn)生大量新增裂縫及多處滲水[3]。英國Heathrow機場快線站廳隧道下穿引起既有Piccadilly線隧道最大沉降達63 mm，3 a后沉降發(fā)展至80 mm，并出現(xiàn)大量裂縫[4]。上海軌道交通2號線受盾構近接的影響，隧道總隆起量達到10.5 mm[5]。類似工程災害在國內(nèi)其他已運營軌道交通的城市也時常發(fā)生，各大城市也相繼出臺了軌道交通保護條例，旨在確保軌道交通運營安全。

針對市政通道建設及周邊地塊開發(fā)等項目所進行的基坑開挖工程對鄰近軌道交通的影響這一研究課題，國內(nèi)外學者通過理論分析[6-8]、數(shù)值分析[9-11]和模型試驗[12-13]等方法進行了大量的研究。利用擱置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁來模擬既有隧道并借助于Mindlin解，程康等[14]提出了計算既有隧道在上覆基坑卸荷影響下形變響應的簡化計算法。康成等[15]通過引入非線性Pasternak地基模型考慮隧道-地基的非線性相互作用，推導得到基坑卸載下盾構隧道縱向變形控制的微分方程。陳郁等[16]采用Winkler地基模型推導了基坑開挖卸荷引起隧道隆起變形的定量計算方法。

以西安科技八路市政通道近接軌道交通已建成6號線及未建8號線工程為例，建立三維有限元模型，分析近接通道及軌道交通6號線隧道的結構變形。在與工程實測數(shù)據(jù)進行比對后，進一步研究規(guī)劃軌道交通8號線的可實施性，提出具體方案措施。

1 工程概況

軌道交通6號線1期工程已基本完成建設，其向北為大里程方向，隧道為雙連拱暗挖斷面，采用淺埋暗挖法施工，底板埋深17.33～27.41 m，即將通車運營。軌道交通8號線區(qū)間同樣采用淺埋暗挖法施工，尚未建設?？萍及寺芬?guī)劃為城市快速路，道路范圍內(nèi)設置隧道1座，總長度為4 200 m，主線暗埋段全長3 680 m，東、西側(cè)敞口段各長260 m。隧道呈東西走向沿科技八路下穿唐延路，在唐延路與科技八路交叉口和南北走向的軌道交通6號、8號線區(qū)間隧道段相交，相交處市政通道結構形式為單層雙跨矩形隧道，斷面寬20 m，高6.5 m，結構頂板覆土約0.8 m。

根據(jù)地勘資料，工程區(qū)域地層從上到下依次為雜填土、黃土、中砂、古土壤、粉質(zhì)黏土等。地下水位位于通道結構以下，自身施工時不需要降水，但軌道交通6號線隧道施工時需要降水。為防止后續(xù)通道結構施工期間地下水位上浮導致軌道交通6號線隧道隨之上浮變形，在市政通道近接軌道交通6號線隧道處應保證在通道施工前和施工期間仍維持降水，保證地下水位低于軌道交通6號線隧道底板不小于1 m。

市政通道近接軌道交通段采用明挖施工，基坑與軌道交通的位置關系見圖1。其采用的支護形式見表1。

圖1 通道、基坑與軌道交通關系

表1 科技八路市政通道開挖施工支護形式

2 主要技術問題及軌道交通隧道控制標準

在基坑卸載作用下，位于基坑下方的隧道會產(chǎn)生向上隆起變形，而一旦該位移或內(nèi)力超過限值，可能會產(chǎn)生裂縫、沉降等結構損壞，嚴重危及軌道交通營運安全。針對市政通道近接軌道交通結構的工程特性，大面積開挖可能會引起的技術問題包括：

(1)引起軌道交通6號線既有結構(軌道)上浮變形較大或不均勻變形較大。

(2)市政通道建設屬于卸荷作用，軌道交通結構的抗浮穩(wěn)定性需滿足要求。

(3)考慮規(guī)劃軌道交通8號線可實施性問題。

依據(jù)軌道交通6號線現(xiàn)狀調(diào)查及有關規(guī)范要求，結合該地區(qū)多個工程實例分析結果，確定軌道交通6號線隧道結構變形控制指標，如表2所示。

表2 隧道結構變形控制標準

3 有限元模型

3.1 模型建立

根據(jù)開挖市政通道基坑與軌道交通隧道的位置關系，結合本工程的特點、土層地質(zhì)條件，采用MIDAS/GTS對開挖科技八路市政通道近接6號線及8號線引起的變形進行數(shù)值模擬分析。根據(jù)工程經(jīng)驗，模型寬度方向按照超出基坑深度不小于3倍來確定，最終模型長、寬、高分別為100,105,60 m。共包含5層土，各層深度分別為6，11.3，23.6，2.4，16.7 m。模型所有參數(shù)設定及取值皆根據(jù)工程現(xiàn)場構造及土層實際情況選取，有限元模型及基坑支護與軌道交通關系見圖2，土層物理力學參數(shù)見表3。

圖2 計算網(wǎng)格模型和基坑支護結構與軌道交通結構關系模型

表3 土層物理力學參數(shù)

3.2 基本假定

土體采用修正Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，結構體均采用線彈性本構模型。隧道襯砌、圍護樁、支撐、鋼板樁等滿足彈性變形特性。所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各項同性體。其中鋼支撐和立柱樁采用采用植入式梁單元，冠梁采用梁單元，墻面板、圍護樁和隧道初支及二襯采用板單元模擬，其他以三維實體單元模擬，并對土體進行鈍化來模擬基坑開挖[17-18]。模型中通過析取土體板單元來模擬盾構管片，由于基坑開挖前軌道交通已經(jīng)降水，因此不考慮降水的影響。初始應力只考慮土體及結構物的自重應力。各構造物的基本物理力學參數(shù)如表4所示。

表4 支撐等構造物物理力學參數(shù)

3.3 施工模擬

為探索市政通道開挖對已建成6號線的影響，該模擬過程嚴格遵循實際開挖順序，將整個施工范圍分為A，B，C，D，E 這5個區(qū)塊，如圖2所示。模擬過程如下。

(1)整體開挖順序為：首先開挖A，C區(qū)段，其次為B，D區(qū)段，最后開挖6號線上方E區(qū)段。

(2)具體每個區(qū)段的開挖順序為：圍護樁及立柱樁施工，基坑開挖，加設第1層鋼支撐；繼續(xù)開挖，加設第2層鋼支撐，底板澆注；拆除第2層鋼支撐，通道結構施工；拆除第1層鋼支撐，基坑回填等。

(3)E區(qū)段開挖：將E區(qū)段模擬分成7節(jié)按照南北向進行開挖，以減少通道開挖對已建成6號線的影響，每節(jié)按照施工循環(huán)開挖。

4 計算結果及分析

4.1 基坑開挖對軌道交通6號線影響分析

4.1.1 測點布設

圖3為數(shù)值模擬過程中分別對支撐軸力、地表沉降及隧道拱頂沉降測點的布設。其中，支撐軸力布設在A區(qū)的第1層支撐的中心處點；地表沉降的監(jiān)測分別位于A，C，E區(qū)段上方；拱頂沉降監(jiān)測點位于6號線左線隧道拱頂上方，均勻分布11個測點。

圖3 測點布設

4.1.2 基坑開挖結構影響分析

圖4為基坑開挖過程中A區(qū)所加設的第1層支撐的軸力變化，提取4個支撐中心處點作為軸力測試點?？梢钥闯?，在加設支撐初期軸力迅速增大到150～200 kN左右，隨著開挖的推進，該軸力值幾乎保持不變。第2個支撐(A1+02)的軸力值在整個開挖階段都比其他3個支撐大，最大軸力值出現(xiàn)在下方通道結構施工時，達到210 kN。

圖5為分別選取地表3條測線的沉降值，其中3條測線沿Y軸方向，分別經(jīng)過A，C，E區(qū)的中段，且3條測線上均勻分布13個測點?？梢钥闯觯?jīng)過A，C區(qū)的測線1和測線3整體沉降與隆起的波動較大，并且在基坑開挖位置出現(xiàn)較大沉降，最大沉降值達到19.7 mm，最大隆起值為13 mm。途徑E區(qū)的測線2整體沉降隆起波動較小，這主要是由于考慮E區(qū)下部6號線運營采取的多階段開挖與回填帶來的影響較小。整體看來，3條測線值皆是在基坑位置處出現(xiàn)沉降，在基坑量測出現(xiàn)隆起。

圖5 地表沉降

圖6為通道施工完成后頂部沉降與底部隆起沿通道縱向的變化規(guī)律。13個測點均勻分布在通道拱頂及拱底中心位置。可以看出，通道底部隆起絕對值在各個測點皆大于頂部沉降值。頂部與底部沉降值與隆起值沿通道縱向呈現(xiàn)凹形分布，其中在E區(qū)2種值皆較小，在A，C區(qū)沉降及隆起值較大，底部最大隆起值達到18.2 mm，頂部最大沉降值為16 mm。

圖6 通道底部與頂板變形值

4.1.3 軌道交通6號線隧道結構變形分析

(1)結構豎向變形

圖7為通道施工完畢后6號線拱頂豎向位移的分布規(guī)律。提取隧道方向(Y軸)拱頂位置處均勻分布的11個測點繪制在圖中。可以看出，豎向位移沿隧道縱向方向呈現(xiàn)凸形分布，最大豎向位移出現(xiàn)在中部區(qū)域，即基坑開挖的正下方。由于基坑的卸載作用，隧道出現(xiàn)較大的豎向位移，最大位移達到13.3 mm，滿足控制標準20 mm限制的要求。隨著距離基坑的距離不斷增大，其豎向位移也不斷減小。

圖7 通道施工完畢時的豎向位移

圖8為6號線軌道交通拱頂3個測點隨著開挖的推進所產(chǎn)生的豎向變形變化規(guī)律。3個測點皆位于6號線中間部位，即通道正下方，其中測點B對應于圖7中的測點5，施工區(qū)域A，C沿Y軸向位于B點左右，在圖7中沒有對應點?？梢钥闯?，各分區(qū)基坑開挖過程下，軌道交通6號線隧道結構的豎向隆起變形逐步增大。開挖各分區(qū)結構施工和覆土回填時，軌道交通6號線隧道結構的豎向隆起變形顯著減小，其中第1波段隆起值出現(xiàn)大幅度減小，這主要是由于A，C區(qū)段覆土回填，使上部荷載增大所造成的，同樣的第2波段隆起值也出現(xiàn)較大幅度的減小是由于B，D區(qū)段覆土回填造成的。

圖8 典型節(jié)點豎向位移曲線

在A，B，C，D區(qū)進行開挖與回填時隧道的隆起變化波動較大，在E區(qū)開挖時，豎向隆起變形雖然逐步增大，但該施工階段增大變化率明顯小于前幾個區(qū)段的大范圍分塊開挖方案，這主要是由于在該區(qū)段采取分節(jié)段開挖，擾動較小。

(2)結構水平變形

在市政通道施工過程中，軌道交通6號線區(qū)間隧道的水平變形較小，結構施工完成后隧道結構的水平變形如圖9所示。6號線隧道2段水平位移和中部水平位移方向相反，且隧道結構的最大水平變形出現(xiàn)在6號線中部，最大為0.61 mm，遠遠低于控制標準20 mm限制的要求。

圖9 通道施工完畢時的水平位移云圖(單位: ×10-4 m)

4.1.4 隧道及軌道結構幾何形態(tài)變化分析

(1)隧道凈空收斂

根據(jù)數(shù)值計算結果可知，隧道結構最大水平凈空收斂為0.3 mm，最大豎向凈空收斂為0.5 mm，滿足控制標準20 mm限制的要求。

(2)相對曲率半徑

根據(jù)數(shù)值計算結果可知，隧道結構最大相對曲率半徑為[(8.9-8.5)2+5 0002]/[2×(8.9-8.5)]/1 000=31 250 m>15 000 m。

(3)相對曲率

隧道鋼軌所在長度范圍內(nèi)(10 m)最大差異變形為1.4 mm，其相對變曲=1.4/10 000≤1/2 500，滿足控制指標。

(4)軌道橫向高差(<4 mm)

根據(jù)計算分析結果，施工導致的區(qū)間隧道最大軌道橫向高差為0.2 mm，滿足要求。

(5)軌向高差(<4 mm)

根據(jù)計算分析結果，施工導致的區(qū)間隧道最大軌道縱向高差為1.2 mm，滿足要求。

(6)軌間距變形(>-4 mm，<6 mm)

根據(jù)計算分析結果，施工導致的區(qū)間隧道最大軌間距變形為0.16 mm，滿足要求。

4.1.5 工程技術措施

根據(jù)計算分析結果，結合現(xiàn)場實際情況，為確保軌道交通結構安全，提出以下技術措施。

(1)對近接軌道交通6號線隧道部分采取注漿加固，豎向加固范圍為：隧道正上方為地面以下2 m至軌道交通隧道上方0.8 m處，隧道兩側(cè)為地面以下2 m至隧道底板下3 m處；平面范圍為隧道外側(cè)1.0 m至圍護樁的土體進行壓密注漿加固。

(2)在6號線上方采用門式抗浮結構(底板與工程樁形成門式狀的整體)來降低坑底隆起。

(3)在通道底板上采用鋼板堆載壓重，堆載值為50 kN/m2。

(4)在開挖時遵循“分塊限時開挖”，把底板分成每3 m 1條的板帶進行施工，減小基坑的開挖尺寸，且減少基坑的暴露時間。

(5)通道施工期間維持降水，防止軌道交通6號線隧道施工完成后因停止降水致使地下水位上升導致隧道上浮。

4.2 區(qū)間隧道可實施性分析

4.2.1 市政通道預處理措施

針對8號線本市政通道做如下考慮。

(1)市政通道建設設計方案需避免基坑支護結構及主體結構與規(guī)劃軌道交通8號線隧道空間沖突，為后續(xù)軌道交通8號線區(qū)間隧道施工預留一定施工空間。

(2)市政通道建設與軌道交通8號線區(qū)間隧道的豎向凈距最小為1.2 m，距離較小。為保證后序軌道交通隧道下穿施工安全，設計時在軌道交通8號線隧道兩側(cè)設置防沉樁，以保證在通道下部土體被擾動的情況下仍可保持結構穩(wěn)定。

(3)市政通道建設時，對軌道交通8號線下穿區(qū)域采用旋噴樁加固，以提高下穿區(qū)域的土體強度和自穩(wěn)性，從而保證軌道交通隧道下穿施工安全和變形可控。

4.2.2 隧道施工對通道結構影響分析

(1)計算模型

仍采用上節(jié)模型，軌道交通8號線、6號線與市政通道的位置關系如圖10所示。

圖10 隧道結構與通道結構

在原有模型基礎上開展8號線的暗挖施工模擬，開挖采用2臺階施工方法。當開挖10 m長度的上臺階土體時，通過設置荷載釋放系數(shù)來模擬土體累積彈性能的釋放，以避免由于開挖產(chǎn)生的不平衡內(nèi)力一次性加載到開挖階段上。采用按照40%，30%，30%的比例加載到不同施工階段，分次逐步降低，最終完全釋放的方法來模擬開挖。

進行噴射混凝土形成初支，激活與開挖土體相對應的噴射混凝土單元。由于噴射混凝土剛施作時剛度較小，但隨著時間的推移，材料硬化后其剛度會明顯提高，為模擬這一過程，分別生成軟噴和硬噴屬性，在下一階段鈍化軟噴、激活硬噴。

(2)通道結構豎向變形

軌道交通8號線隧道施工期間通道結構的豎向變形逐步增大，在隧道施工完成后豎向變形達到最大，為8.8 mm，如圖11所示。

圖11 8號線隧道施工完成時通道結構豎向變形云圖(單位: mm)

(3)通道結構水平變形

軌道交通8號線隧道施工期間通道結構的水平變形較小，在隧道掌子面到達通道結構側(cè)墻下方時結構的水平變形達到最大，為1.1 mm，如圖12所示。

圖12 8號線隧道施工完成時通道結構最大水平變形云圖(單位: mm)

(4)結構及變形縫差異變形分析

對各個施工階段下通道結構的豎向差異沉降和變形縫差異沉降進行計算分析。經(jīng)計算，通道結構最大差異沉降為：(8.7-6.0)/7 500=0.36‰；變形縫最大差異沉降為7.1-6.0=1.1 mm。

故整個通道結構在軌道交通區(qū)間隧道施工期間的最大差異沉降為0.36‰，變形縫最大差異沉降為1.1 mm，如圖13所示。

圖13 通道結構差異變形云圖(單位: m)

通過對后序軌道交通8號線區(qū)間隧道施工時通道結構的變形進行預計算分析，采取基底加固和設置防沉樁措施后，后續(xù)軌道交通8號線隧道結構施工導致的通道結構變形可控，滿足控制標準的要求。

圖14 工程現(xiàn)場監(jiān)測點布設

5 實測結果

為及時控制由于上部通道基坑開挖引起下部隧道拱頂沉降及水平位移的影響，在工程現(xiàn)場基于監(jiān)控量測規(guī)范在隧道及地表布置測點。隧道的每個斷面監(jiān)測點的布置在拱頂及拱腰的位置，分別監(jiān)測拱頂沉降及隧道水平收斂，選取通道與6號線交叉處的3個斷面做進一步分析。地表沉降共設置3條測線，分別位于左右通道的中部位置及6號線的正上方，地表沉降測點的布設和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)點的提取一致，如圖15所示。

圖15 拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

整個監(jiān)測周期長達10個月，本節(jié)所用監(jiān)測數(shù)據(jù)均為該段時間內(nèi)選取的代表性數(shù)據(jù)。圖16為斷面1，2，3中3個測點的時間-變形曲線。由圖16可知，隨著通道開挖工序的進一步推進，3條測線的拱頂位移皆逐漸增大，其中斷面2所對應的沉降值較斷面1和斷面3大，說明6號線中部位置所受影響較大。數(shù)值模擬中的施工階段步序35(10 mm)對應于實測中9月11日(5.5 mm)，二者存在一定偏差。與模擬數(shù)據(jù)相比，監(jiān)測值較小，經(jīng)過分析，原因為：數(shù)值模擬過程中只考慮了開挖步序而未考慮施工時間效應的影響，且模擬施工過程中不能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工步序進行調(diào)整。而實際施工過程存在時間效應的影響，并且根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對開挖步驟和開挖范圍進行調(diào)整，充分利用了信息化反饋施工，使現(xiàn)場變形得到有效的控制。經(jīng)整體比對，數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)整體變化趨勢一致，且差異處在允許范圍內(nèi)，這也在一定程度上驗證了數(shù)值模型的正確性。

圖16為測線1, 2, 3中3個測點的時間-變形曲線。由該曲線可知，隨著工程的不斷推進，3條測線的變化規(guī)律一致，都呈現(xiàn)先隆起后沉降然后在逐漸恢復及隆起的趨勢。相比測線2的變化，測線1和測線3的整體變化幅度較大，最大隆起值約為3.1 mm，最大沉降值約為5.81 mm，符合工程安全標準。其中測線2整體沉降變化較小，結合工程實際，該測線所對應監(jiān)測區(qū)域通道采用分小段進行開挖，減小了對該區(qū)域的土體擾動所造成的變化。同時結合數(shù)值模擬結果可以看出，在沉降監(jiān)測方面，二者在整體變化規(guī)律有較好的吻合性。

圖16 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

工程實際整個建設過程長達1 a時間，本研究數(shù)據(jù)時段長達10個月。在整個施工過程中，各工序沉降值均在控制范圍內(nèi)，6號線始終處于安全受控狀態(tài)，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律和數(shù)值模擬結果有較好的吻合性，進一步驗證了數(shù)值模型的正確性。

6 結論

(1)市政通道基坑開挖上穿既有6號線，采用分區(qū)段分層開挖，結合圍護樁及鋼板樁，并對軌道交通線路上方區(qū)段進行分塊放坡開挖的方法，有效減小了其對軌道交通的影響，提供了一種基坑上穿既有線路的成功方法。

(2)市政通道基坑開挖引起的地表變形最大值出現(xiàn)在基坑附近。通道底面在開挖后出現(xiàn)隆起，頂部出現(xiàn)沉降，通道中間部位位移變化較小，該階段6號線隆起變化率較小。

(3)對于規(guī)劃下穿市政通道的軌道交通隧道，提前采用在下穿軌道交通隧道兩側(cè)設置防沉樁、下部采用旋噴樁加固等方法,可有效保證規(guī)劃軌道交通隧道下穿施工安全，使其具有可實施性。