呂玉鵬

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

基坑臨近施工一直是巖土工程臨近施工領(lǐng)域的熱門方向，當(dāng)基坑周圍出現(xiàn)有地鐵隧道時(shí)，基坑施工引起了周圍土體的變化，進(jìn)而對(duì)鄰近的地鐵隧道產(chǎn)生影響。當(dāng)影響超過允許范圍時(shí)，給隧道結(jié)構(gòu)以及地鐵運(yùn)營(yíng)安全帶來威脅[1]。按照基坑與地鐵隧道的位置關(guān)系，可分為基坑上跨隧道、基坑平行隧道及基坑側(cè)上于隧道。對(duì)于基坑在隧道側(cè)上方這一位置關(guān)系，一些學(xué)者采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了研究[2]，對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)區(qū)間隧道上方基坑開挖的案例調(diào)研并采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)比了案例中基坑的開挖情況、土層情況、支護(hù)形式、與隧道距離、保護(hù)措施以及相應(yīng)的隧道變形，整理了基坑開挖對(duì)區(qū)間隧道應(yīng)采取的各種保護(hù)措施[3]，采用有限元分發(fā)研究基坑開挖卸載引起周邊土體變形對(duì)臨近地鐵隧道的安全影響[4]；將計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，研究了基坑加固力學(xué)參數(shù)與加固范圍的保護(hù)作用敏感些[5]；制定了一種新的縱向及橫向光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)緊鄰基坑開挖時(shí)既有盾構(gòu)隧道的受力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[6]；研究了軟土地區(qū)基坑開挖誘發(fā)鄰近盾構(gòu)隧道水平位移的簡(jiǎn)化算法；根據(jù)基坑施工期間鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[7]，對(duì)隧道變形從基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工開始至開挖結(jié)束進(jìn)行了全過程分析。本文采用有限元方法，建立了基坑施工對(duì)盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值計(jì)算模型，分析了盾構(gòu)管片和軌道結(jié)構(gòu)位移變化特征，所得結(jié)論以期為類似地質(zhì)條件下地鐵車站附屬施工及既有結(jié)構(gòu)保護(hù)提供借鑒與參考。

1 地鐵盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的因素分析

1.1 覆土厚度和盾構(gòu)外徑的影響

隧道盾構(gòu)技術(shù)在地鐵施工中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，盾構(gòu)的外徑越大，其造成的單位長(zhǎng)度的地層損失越大，同時(shí)在地面沉降槽寬度相同大的情況下，最大地面沉降也會(huì)出現(xiàn)增大。此外，隧道覆土厚度越大，最大地面層沉降值會(huì)越小，然而地面沉降槽的寬度會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步的擴(kuò)大。最大地面沉降會(huì)隨著覆土厚度與盾構(gòu)外徑比值的增大而出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。

1.2 開挖面前的沉降

在地鐵隧道盾構(gòu)施工作業(yè)中，施工人員需要對(duì)沉降問題加以重視和關(guān)注，從開挖面距觀測(cè)點(diǎn)3~10m 的距離范圍內(nèi)，直到開挖面位于觀測(cè)點(diǎn)正下方位置所產(chǎn)生的沉降現(xiàn)象。在施工作業(yè)中，盾構(gòu)設(shè)備設(shè)置的盾構(gòu)土壓艙壓力與開挖面土體原有土壓力之間難以實(shí)現(xiàn)有效平衡，受到土體應(yīng)力釋放或者盾構(gòu)反向土倉壓力引起的土層塑性變形的影響而出現(xiàn)相應(yīng)的沉降問題。

1.3 盾構(gòu)穿越土層性質(zhì)

地鐵隧道盾構(gòu)施工會(huì)面臨多種不同性質(zhì)的土層，一般有砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘性土等，不同土層所造成的地面沉降的影響程度也是不同的。相比較黏土層，穿越砂土層是其沉降槽寬度的系數(shù)比較小，從沉降量是最大的。工程技術(shù)人員通過所掌握的盾構(gòu)半徑和埋深等數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算出穿越黏土?xí)r的沉降槽寬度系數(shù)最大的結(jié)果，同時(shí)其對(duì)地面沉降影響的程度和范圍也是最大的，盾構(gòu)設(shè)備穿越砂土地面時(shí)的沉降量是最大的。

1.4 盾尾間隙沉降

在地鐵盾尾經(jīng)過測(cè)點(diǎn)之后會(huì)產(chǎn)生地表沉降的現(xiàn)象，沉降的范圍一般在測(cè)點(diǎn)后的20m 內(nèi)。與此同時(shí)，因?yàn)槎軜?gòu)外徑要比管片的外徑大，管片外壁和土體之間有著明顯的空隙，在實(shí)際施工中出現(xiàn)注漿量不足或者不及時(shí)的問題，管片周圍的土體會(huì)流入到空隙中，在這個(gè)過程中出現(xiàn)土層應(yīng)力釋放現(xiàn)象，最終導(dǎo)致地表發(fā)生變形問題。

2 地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)分析

2.1 盾構(gòu)出洞準(zhǔn)備施工技術(shù)

盾構(gòu)出洞施工是地鐵隧道施工中的關(guān)鍵作業(yè)內(nèi)容，施工人員需要在此階段加強(qiáng)對(duì)沉降問題的重視，結(jié)合實(shí)際情況，充分了解此階段的各個(gè)注意事項(xiàng)和關(guān)鍵內(nèi)容，做好施工設(shè)備和人員的協(xié)調(diào)，確保地面沉降問題能夠得到有效控制和解決。同時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)完成出洞操作后進(jìn)行科學(xué)審核與檢查，在維持設(shè)備高效可靠運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，提高現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性，為施工人員提供良好的工作條件。此外，還要精準(zhǔn)落實(shí)施工加固與檢查措施，在完成出洞操作后采取合適的土體加固措施，避免土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松動(dòng)和變化。在施工中還需要對(duì)升降問題進(jìn)行有效控制，結(jié)合事前計(jì)算出的數(shù)據(jù)確定盾構(gòu)出洞的基座位置，在完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后實(shí)施下一步的施工作業(yè)。在使用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工的過程中，需要提前對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的空間因素進(jìn)行考慮和分析，基本掌握其對(duì)施工的干擾程度，在將盾構(gòu)機(jī)和輔助設(shè)備運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝和調(diào)試，保證工程施工的專業(yè)性，為地面沉降問題的控制提供保障。

2.2 地鐵盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)階段施工技術(shù)

在地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)階段，施工人員需要對(duì)掘進(jìn)試驗(yàn)和正式掘進(jìn)兩個(gè)施工環(huán)節(jié)展開相關(guān)操作，并結(jié)合工程進(jìn)度情況和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)做出合適的調(diào)整。在實(shí)際掘進(jìn)過程中，施工人員需要對(duì)施工模式進(jìn)行科學(xué)分析，制定出高效安全的施工方案，在按照計(jì)劃穩(wěn)步開展施工作業(yè)，同時(shí)對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格檢查和審核，確保其在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提高施工的質(zhì)量和效率。針對(duì)施工中出現(xiàn)的各項(xiàng)異常情況或違規(guī)現(xiàn)象，相關(guān)人員需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理和糾正，并檢查盾構(gòu)設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)，進(jìn)而保證隧道的可靠性。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行輔助和處理作業(yè)，在技術(shù)支持下明確設(shè)備的掘進(jìn)方向、刀盤掘進(jìn)進(jìn)度等信息，使得掘進(jìn)方向和速度符合工程設(shè)計(jì)規(guī)定。工程施工人員要做好施工土層的分析工作，并對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)土層和土體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性展開有效監(jiān)測(cè)，避免因地面沉降問題而對(duì)隧道的施工性能和安全性造成影響。

2.3 挖掘粉砂層階段的施工技術(shù)

地鐵隧道盾構(gòu)施工會(huì)受到多方面復(fù)雜因素的限制，進(jìn)而對(duì)施工質(zhì)量以及地質(zhì)土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響，特別是粉質(zhì)黏土砂層，需要提前做好施工應(yīng)對(duì)措施和解決方案，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的地面沉降事故。砂土層對(duì)施工的影響程度較大，施工人員必須要結(jié)合土質(zhì)特點(diǎn)和工程進(jìn)度選擇合適的施工技術(shù)，進(jìn)而有效解決其中存在的噴砂問題，加強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)借助專業(yè)化的設(shè)備和技術(shù)對(duì)土體的流動(dòng)性及止水性展開研究，保證地鐵隧道盾構(gòu)施工的順利性。

3 基坑施工對(duì)盾構(gòu)隧道影響的有限元分析

3.1 工程概況

某地塊總用地面積40067m2，總建筑面積136160.8m2，其中地上建筑面積88275.8m2，地下建筑面積47885m2。由12 幢17F高層住宅樓、1～2F 地下車庫及3F 社區(qū)用房組成。場(chǎng)地室外地坪設(shè)計(jì)標(biāo)高6.60m，地下室底板標(biāo)高-1F 為1.30，-2F 為-2.60m。擬采用樁基礎(chǔ)。高層建筑的整體傾斜允許值為0.0025，地基允許變形為0.002L（L 為相鄰柱基的中心距離）。建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類別，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。地塊臨近某地鐵區(qū)間隧道，地下室外墻與盾構(gòu)外邊緣的距離為10.12m，地塊施工時(shí)，地鐵盾構(gòu)隧道已完成。

3.2 土層參數(shù)設(shè)置

三維分析中土體的本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫侖模型，模型總共分為 9 個(gè)土層，分別是：1-1 雜填土、1-2 粉質(zhì)黏土、a-1 粉質(zhì)黏土、a-2 粉質(zhì)黏土、b 淤泥質(zhì)黏土、c 粉質(zhì)黏土、d 粉質(zhì)黏土、f 粉質(zhì)黏土、g-2 粉質(zhì)黏土。計(jì)算中三軸水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁、地鐵隧道管片采用彈性本構(gòu)模型，考慮到管片拼裝等因素，對(duì)其彈性模量進(jìn)行一定折減。

3.3 模擬過程

有限元模擬的過程：初始地應(yīng)力平衡，位移清零；一層開挖；攪拌樁施工、坑底加固及灌注樁開挖；灌注樁澆筑；二層開挖；二層支撐；三層開挖。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 管片位移

不同施工步下地鐵盾構(gòu)隧道管片豎向位移（Z 方向）、橫向水平位移（Y 方向）、縱向水平位移（X 方向）變化曲線如圖1 所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：①在上方基坑施工過程中，地鐵盾構(gòu)隧道橫向水平位移大于豎向位移，豎向位移大于縱向位移，說明基坑施工導(dǎo)致了下方的地鐵盾構(gòu)隧道發(fā)生向基坑方向的明顯的側(cè)移動(dòng)，也發(fā)生了一定的向上位移。②對(duì)于豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移，一層開挖及攪拌樁施工、坑底加固及灌注樁開挖2 個(gè)階段，位移逐漸增大。當(dāng)灌注樁澆筑時(shí)，位移有所減小。隨著基坑向下開挖，各向位移繼續(xù)增大，基坑開挖成后，豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移達(dá)到最大值，分別約為0.561、1.494mm 和0.125mm?；邮┕ひ鸬木嚯x基坑近的左線隧道管片位移大于距離基坑遠(yuǎn)的右線隧道管片位移，對(duì)于豎向位移和橫向水平位移，管片位移最大值發(fā)生在基坑外邊緣中心下方的左線隧道處，縱向水平位移發(fā)生在左線隧道兩端，這是由于基坑與地鐵盾構(gòu)隧道位置關(guān)系導(dǎo)致。

圖1 管片位移極值變化曲線

3.4.2 軌道結(jié)構(gòu)位移

不同施工步下軌道結(jié)構(gòu)豎向位移、橫向水平位移、縱向水平位移變化曲線如圖2 所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：①在上方基坑施工過程中，軌道結(jié)構(gòu)橫向水平位移大于豎向位移，豎向位移大于縱向位移，說明基坑施工導(dǎo)致了下方的軌道機(jī)構(gòu)發(fā)生向基坑方向的明顯的側(cè)移動(dòng)，也發(fā)生了一定的隆起位移。②對(duì)于豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移，一層開挖及攪拌樁施工、坑底加固及灌注樁開挖2 個(gè)階段，位移逐漸增大。當(dāng)灌注樁澆筑時(shí)，位移有所減小。隨著基坑向下開挖，各向位移繼續(xù)增大。

圖2 管片位移極值變化曲線

基坑開挖成后，豎向位移、橫向水平位移和縱向水平位移達(dá)到最大值，分別約為0.421mm、1.066mm 和0.095mm。基坑開挖完成時(shí)軌道結(jié)構(gòu)管片豎向位移、橫向水平位移、縱向水平位移云圖如圖3 所示。由圖3 可知，與管片位移相同，基坑施工引起的距離基坑近的左線隧道軌道結(jié)構(gòu)位移大于距離基坑遠(yuǎn)的右線隧道軌道結(jié)構(gòu)位移，位移最大值發(fā)生位置也與管片位移一致，表明隧道結(jié)構(gòu)與軌道結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形；按照位移云圖，采用包容性分析，軌道結(jié)構(gòu)最大正向豎向位移和最小負(fù)向豎向位移差值約為0.455mm，小于軌道結(jié)構(gòu)變形控制預(yù)警值1.2mm。

圖3 基坑開挖完成后軌道結(jié)構(gòu)位移

3.4.3 管片接縫張開量

基坑施工完成后管片彎矩云圖如圖4 所示，基坑施工期間管片內(nèi)力變化不大，說明施工對(duì)管片內(nèi)力的影響較小。其中管片彎矩最大值為572.5kN·m，由理論公式可得最大管片接縫張開量為2.446×10-2mm。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013），盾構(gòu)管片接縫張開量的控制值為2mm，管片接縫張開量滿足規(guī)范要求。

圖4 基坑施工完成后管片彎矩

3.4.4 施工影響特性分析

地塊基坑分步施工后，地鐵盾構(gòu)隧道管片以向基坑側(cè)的橫向水平位移為主，地鐵盾構(gòu)隧道管片也發(fā)生了一定的向上位移，而縱向水平位移較小，其主要原因基坑與地鐵的相互位置關(guān)系導(dǎo)致，基坑開挖卸載引起的下方土體的位移，間接帶動(dòng)鄰近的地鐵盾構(gòu)隧道位移。左線隧道距離基坑較近，管片和軌道結(jié)構(gòu)受基坑開挖影響比右線要明顯，左線隧道是監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

4 結(jié)語

建立了臨近地鐵盾構(gòu)隧道的軟土深基坑施工的三維有限元模型，基于數(shù)值分析結(jié)果，分析了地鐵盾構(gòu)管片和軌道結(jié)構(gòu)位移變化特征，研究結(jié)論如下。

（1）地鐵盾構(gòu)隧道管片位移和軌道結(jié)構(gòu)位移均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，表明軟土基坑施工對(duì)臨近的影響處于可控狀態(tài)，并儲(chǔ)備有足夠的變形余量。

（2）盾構(gòu)隧道管片及軌道結(jié)構(gòu)位移以向基坑方向的橫向水平位移為主，伴有一定的向上的豎向位移，隧道軸線方向上的水平位移不明顯。