焦雷

（中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽 471000）

0 引言

隨著城市地下空間利用率提高，不同深度地下空間的交通形式也越來越多。對于許多大中城市來說，地鐵網(wǎng)絡(luò)逐漸完善，雖然有城市中長期規(guī)劃的安排，但不可避免會出現(xiàn)在既有地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)施工的情況[1，2]。國內(nèi)時常會出現(xiàn)既有地鐵隧道保護(hù)區(qū)內(nèi)施工影響地鐵正常運行的事故，對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)要求也變得相當(dāng)嚴(yán)格[3，4]。

由于地層性質(zhì)的多樣性和突變性、本構(gòu)模型及計算參數(shù)的近似性、土體開挖過程的時效性以及地下水位升降、外部荷載變化等多種因素的影響，造成基坑開挖過程中的實際狀態(tài)與理論狀態(tài)都存在一定程度的差別。而以往類似工程案例由于所在地區(qū)差異、工程水位地質(zhì)條件、現(xiàn)場施工周邊環(huán)境等方面的不同，僅能作為參考而不能直接應(yīng)用。因此，要控制并減低基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響，確保地鐵結(jié)構(gòu)安全，最行之有效方法是在理論模擬計算基礎(chǔ)上，采用信息動態(tài)監(jiān)控施工，根據(jù)被保護(hù)對象的實際狀態(tài)來調(diào)控，及時調(diào)整施工方案，優(yōu)化施工步序，最大限度地減小基坑開挖對既有地鐵隧道的影響。目前現(xiàn)有類似上跨既有地鐵隧道的基坑施工大多為大角度相交，核心施工影響區(qū)域有限，極少出現(xiàn)長距離平行上跨的工況，可借鑒的經(jīng)驗較少[5，6]。在平行于既有地鐵隧道的基坑開挖中，如何切實采取有效的施工措施，總結(jié)施工過程中既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，合理調(diào)整施工工序，控制既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，是保證地鐵結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

文中以洛陽龍門高鐵站站前的通道基坑平行上跨既有地鐵隧道施工為例，對既有地鐵隧道開展了施工全過程的自動化監(jiān)測，也為既有地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)積累工程技術(shù)經(jīng)驗。

1 工程概況及水文地質(zhì)

1.1 工程概況

基坑施工的聯(lián)通通道連接新唐街與龍門高鐵樞紐北廣場，基坑深度約為6.8～7.6m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡+土釘?shù)膰o(hù)型式，聯(lián)通通道為單層單跨矩形結(jié)構(gòu)，長101.2m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬8m，局部非標(biāo)準(zhǔn)段凈寬14.5m。明挖基礎(chǔ)平行上跨既有地鐵隧道，垂直凈距2.03～3.32m。

既有地鐵隧道為單洞單線馬蹄形，復(fù)合式襯砌，初支厚度0.25m，二襯厚度0.35m，橫斷面尺寸6.4m×6.95m。正線線間距12～14m，區(qū)間覆土約9.68～10.24m。暗挖區(qū)間隧道已完成鋪軌及軌道精調(diào)，接觸網(wǎng)安裝已完成?；优c既有地鐵隧道位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 基坑與既有地鐵隧道位置關(guān)系

1.2 水文地質(zhì)

場地地層主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）雜填土、素填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀黏質(zhì)粉土、細(xì)砂、卵石，第四系上更新統(tǒng)沖洪積物（Q3al+pl）粉質(zhì)黏土、卵石，下伏新近系洛陽組（N）泥巖。場地地貌單元屬沖洪積平原地貌，沿線分布有一定厚度的濕陷性土層，地基濕陷等級為I級（輕微）。

該基坑工程屬沖洪積平原區(qū)，為孔隙潛水分布區(qū)。孔隙潛水主要賦存于上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)砂卵石地層中，屬潛水，主要由大氣降水入滲、河流側(cè)滲、河流滲漏等補給方式。基坑基底標(biāo)高142.2～143m，抗浮水位137m，經(jīng)設(shè)計確認(rèn)，水位位于基底下約7m?；涌v斷面地質(zhì)圖如圖2 所示。

圖2 基坑地質(zhì)縱斷面圖

2 基坑施工

基坑在正常施工條件下，土方外運引起的地鐵結(jié)構(gòu)上部土方卸荷，可能會引起地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生輕微的上浮，造成地鐵豎向位移。在開挖前需要進(jìn)行有關(guān)計算和施工建議，提出相應(yīng)的解決辦法，按照分級、分層、分段、跳倉開挖，不能超挖，并及時澆筑墊層封閉基坑的開挖方法，在土體變形傳遞效應(yīng)的影響下，開挖施工引起既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形在安全控制要求范圍內(nèi)。土方開挖過程中，加強觀察和監(jiān)控量測工作，以便發(fā)現(xiàn)施工安全隱患，并通過監(jiān)測反饋及時調(diào)整開挖程序[7]。

（1）基坑施工順序。基坑施工采用放坡+土釘支護(hù)形式，受周邊交通環(huán)境影響，采用一、二期分幅施工。通道基坑開挖采用分層、跳倉開挖，第一期基坑開挖先從A 段開始，首次開挖長度為12m，確認(rèn)開挖過程中無未探明管線以及障礙物，開挖順序為A→G→B→H→C→I→D→F 段，第一期開挖完畢，結(jié)構(gòu)施工完成后，進(jìn)行土方回填和道路恢復(fù)，然后進(jìn)行第二期基坑開挖，施工順序為L→K→J 段。基坑平面施工步序如圖3 所示，施工工期節(jié)點如表1 所示。

圖3 基坑平面施工步序

表1 基坑施工工期節(jié)點

在開挖過程中掌握好“分層、分步、對稱、平衡、限時”5個要點，遵循“豎向分層（每層不超過土釘墻下0.5m）、縱向分段、橫向分塊（分為三塊、先中間后兩邊開挖）、開挖的同時應(yīng)輔以人工配合，基底以上20～30cm 的土層采用人工開挖，以減少超挖、保持坑底土體的原狀結(jié)構(gòu)[8，9]。

（2）施工保證措施。基坑開挖施工保證措施主要有：①為最小限度減少對既有地鐵區(qū)間隧道的影響，長臂挖機站位在區(qū)間隧道外圍進(jìn)行清表，并按1：0.3 坡度放坡，及時進(jìn)行基坑支護(hù)工作；②基坑周圍5m 范圍內(nèi)不允許堆載土方；③放坡到基底的位置需預(yù)留1m 鋼筋接茬，即墊層超過底板長度1m；④施工完畢后按照設(shè)計要求進(jìn)行回填，頂板結(jié)構(gòu)以下肥槽用C20 素混凝土回填；⑤過程中密切關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，如有異常，及時采取應(yīng)急措施。

3 既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測及變形分析

基坑為分段施工，每段結(jié)構(gòu)施工完畢后隨即按設(shè)計要求進(jìn)行回填，整個過程在短短幾個月內(nèi)完成，并嚴(yán)格遵循土方開挖的“時空效應(yīng)”，最大限度的減少地鐵上方土體卸荷對地鐵產(chǎn)生的隆沉影響。因此，必須科學(xué)合理的對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估，并制定既有地鐵區(qū)間隧道保護(hù)監(jiān)測方案。

（1）上部基坑開挖對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全評估。結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查分析。既有地鐵隧道區(qū)間礦山段長度為107.255m（左105.528m）。通過收集范圍內(nèi)地鐵結(jié)構(gòu)的竣工資料、養(yǎng)護(hù)資料得知，施工影響范圍內(nèi)地鐵結(jié)構(gòu)有無裂縫、掉塊、露筋、銹蝕、變形縫損壞等，但局部存在表面濕漬、變形縫處滲漏水等。

在上部基坑正常施工條件下，因建筑施工加載，在土體變形傳遞效應(yīng)的影響下2 號線區(qū)間結(jié)構(gòu)及線纜通道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沉降和水平位移。經(jīng)數(shù)值模擬計算，得出在土體變形影響下，地鐵結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生豎向位移，按照設(shè)計要求施工，施工引起既有地鐵結(jié)構(gòu)的豎向位移變形可控制在±10mm 范圍（“+”為隆起，“-”為下沉，下同）[10]。

按照規(guī)范CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》確定基坑工程對地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)屬于強烈影響，結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)為：隧道水平位移和豎向位移為20mm，基坑結(jié)構(gòu)完成后殘余風(fēng)險為Ⅲ級。因此可知，由施工引起既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形在安全控制要求范圍內(nèi)，但在施工過程中應(yīng)利用全站儀、水準(zhǔn)儀等對影響范圍內(nèi)地鐵結(jié)構(gòu)斷面水平變形、豎向變形等進(jìn)行測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確保既有結(jié)構(gòu)和施工安全。

（2）既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測。工程采用建筑基坑工程監(jiān)測變形測量等級為二等要求實施監(jiān)測相關(guān)內(nèi)容，基坑開挖范圍內(nèi)的區(qū)間隧道共21個自動化監(jiān)測斷面（間距5m，每個斷面4個監(jiān)測點，其中拱頂1個、兩側(cè)墻各1個，底板1個），范圍外兩端各設(shè)置3個自動化監(jiān)測斷面（間距10m，每個斷面4個監(jiān)測點，分布與區(qū)間內(nèi)隧道相同），用于監(jiān)測既有隧道在基坑施工期間的變形，監(jiān)測斷面布置如圖4 所示，其中ZM表示左線監(jiān)測點、YM表示右線監(jiān)測點，開挖范圍外監(jiān)測斷面未顯示。

圖4 基坑開挖范圍內(nèi)既有地鐵隧道監(jiān)測斷面布置

（3）既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形分析。根據(jù)施工周期和開挖順序，將整個基坑范圍內(nèi)的既有地鐵隧道分為A～F、G～I(xiàn) 和J～L3個部分，以便分析論述基坑施工對其影響[11]。如前所述，基坑開挖土體卸荷主要對地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移產(chǎn)生影響，為此，文中選取每個監(jiān)測斷面中區(qū)間隧道底板的豎向位移作為分析對象，繪制其在施工期的歷時曲線，如圖5～圖7 所示。

圖5 區(qū)段A～ F 基坑開挖施工時隧道結(jié)構(gòu)豎向位移歷時曲線

圖6 區(qū)段G～I(xiàn) 基坑開挖施工時隧道結(jié)構(gòu)豎向位移歷時曲線

圖7 區(qū)段J～L 基坑開挖施工時隧道結(jié)構(gòu)豎向位移歷時曲線

區(qū)段A～F 和G～I(xiàn) 于2021 年2 月25 日開始開挖施工，總開挖長度分別為47.7m 和25m，開挖前期（2021 年4 月26 日前）主要是兩端基坑開挖施工，既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移均在±1.5mm 之間。隨著基坑開挖逐漸向中間段實施，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移逐漸增大，最大豎向位置值達(dá)到了2.86mm（F 區(qū)段監(jiān)測點ZM14），但基坑結(jié)構(gòu)完成回填后，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移又恢復(fù)到了±1.5mm 之間。

圖6 中區(qū)段G～I(xiàn) 基坑為非標(biāo)準(zhǔn)段（開挖寬度14.5m）比標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段（開挖寬度8m）大近一倍，區(qū)段G～I(xiàn)左線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移未出現(xiàn)明顯的下沉過程。

圖7 中區(qū)段J～L 基坑的局部開挖寬度也比非標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段大，左線也未出現(xiàn)明顯的下沉過程，且該區(qū)段右線隧道結(jié)構(gòu)整體的豎向位移（最大0.94mm）明顯小于左線（最大2.39mm），說明既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)在上部有較大范圍卸荷時容易引起結(jié)構(gòu)偏壓。對照監(jiān)測斷面圖，由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，既有地鐵隧道右線在臨近龍門樞紐側(cè)部分結(jié)構(gòu)輪廓線已位于基坑范圍外，這也是造成隧道結(jié)構(gòu)上部荷載偏壓的原因之一。

同時，對比圖6 和圖7 中數(shù)據(jù)又發(fā)現(xiàn)，區(qū)段A～F和區(qū)段J～L 基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移值分別為2.86mm 和2.39mm，而區(qū)段G～I(xiàn) 基坑的則為1.56mm，由此說明，基坑端部開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響要遠(yuǎn)小于基坑中間區(qū)段。在基坑平行上跨既有地鐵區(qū)間隧道明挖施工中，中間區(qū)施工會引起更大豎向變形，在施工中應(yīng)引起重視，可通過縮短開挖長度、堆載反壓和及時施作底板封閉等措施保證施工安全。

4 基坑監(jiān)測分析

文中主要是對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，對周邊環(huán)境和其它結(jié)構(gòu)物的分析僅作簡要分析，工程采用建筑基坑工程監(jiān)測變形測量等級為二等的要求實施監(jiān)測，監(jiān)測范圍為距離基坑邊緣線15m 內(nèi)。斷面布設(shè)按照滿足安全要求的原則，主要對既有地鐵隧道（前文已描述）、邊坡、基底、構(gòu)筑物、周邊管線等的沉降變形、水平位移變形等進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率按照規(guī)范要求進(jìn)行，并與施工進(jìn)度動態(tài)相結(jié)合，根據(jù)施工進(jìn)度實時調(diào)整監(jiān)測頻率，基坑主要監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)：邊坡坡頂水平最大位移（2.5mm）、地表最大沉降（16.2mm）、橋墩墩身最大沉降（1.8mm）及坑底最大豎向位移（2.2mm），各項監(jiān)測數(shù)據(jù)累計值均在控制值范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

在基坑施工全程對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行的自動化監(jiān)測表明，結(jié)構(gòu)的豎向位移在基坑工程完工后可控制在±1.5mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)小于±10mm 的規(guī)范要求，有效保證了隧道結(jié)構(gòu)安全。通過分析既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）隨著基坑開挖逐漸向中間段實施，施工會引起的豎向位移值最大達(dá)到了2.86mm，但在結(jié)構(gòu)施工完成后部分變形可恢復(fù)至±1.5mm 以內(nèi)，在施工過程中應(yīng)通過縮短開挖長度、堆載反壓和及時施做底板封閉等措施保證施工安全。

（2）局部非標(biāo)準(zhǔn)段加寬基坑施工造成右線隧道結(jié)構(gòu)豎向位移（最大0.94mm）明顯小于左線隧道（最大2.39mm），左線均未出現(xiàn)明顯的下沉過程，隧道左右線變形嚴(yán)重不均勻，施工過程中應(yīng)及時調(diào)整施工工序，減少偏壓對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。

（3）中間區(qū)段基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移值分別為2.86mm 和2.39mm，而端部區(qū)段基坑的則為1.56mm，基坑端部開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響要遠(yuǎn)小于基坑中間區(qū)段，施工中應(yīng)做好安全保障措施。