陳力愷

（長沙市城投基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目管理有限公司，長沙410000）

1 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，在城市建設(shè)過程中難以避免出現(xiàn)基坑上跨既有地鐵盾構(gòu)隧道的情況[1-4]。受到基坑開挖卸載影響，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。因此，如何確?；娱_挖施工時既有下臥地鐵隧道的運營安全已成為至關(guān)重要的技術(shù)難題。

田帥[5]以鄭州某市政管廊上跨地鐵區(qū)間隧道項目為例，表明對于地質(zhì)較好的情況下，可采用基底加固+抽條施工的方案保證地鐵隧道正常運營。余建河等[6]以深圳景田某橫跨地鐵隧道上方的基坑工程為例，證明基坑采用樁錨支護、局部采用角撐+排樁的支護形式，分層分區(qū)開挖的方案可有效控制基坑開挖導(dǎo)致下臥地鐵隧道的隆起變形。杜磊等[7]結(jié)合北京地鐵8 號線上方的基坑工程，提出了基坑分塊、小面積開挖，基坑底部土體注漿加固的方案。溫鎖林[8]結(jié)合上海東西通道工程，提出了基于時空效應(yīng)和充分利用隧道抗彎剛度的“彈鋼琴”開挖方法、三軸攪拌樁微擾動施工技術(shù)，有效控制了隧道的隆起變形。

本文依據(jù)長沙市湘雅路過江通道工程上跨地鐵1 號線節(jié)點段的工程，建立三維數(shù)值分析模型，模擬上跨地鐵1 號線節(jié)點段明挖基坑的施工過程，分析既有地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的受力和變形，驗證所提的加固方案能夠有效控制基坑開挖導(dǎo)致下臥地鐵隧道的隆起變形，可為其他類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

湘雅路過江通道段明挖基坑采用明挖順作法施工，會減少現(xiàn)有地鐵1 號線隧道拱頂覆土，使得地鐵1 號線隧道回彈。因此，首先應(yīng)對既有地鐵1 號線隧道拱頂上方及側(cè)壁的土體進(jìn)行預(yù)加固，適當(dāng)補償?shù)貙幼灾貞?yīng)力，提高隧道上方土體的彈模，減小回彈變形，同時采用“板凳法”加強抵抗土體回彈的效果?！鞍宓史ā北Ｗo方案是在地鐵1 號線隧道兩側(cè)施作數(shù)排抗拔樁，在湘雅路隧道開挖時，采用分段開挖，將同一排抗拔樁通過板連成整體，形成板凳樁，板凳樁的剛度較大，從而可抵抗開挖土體產(chǎn)生的回彈。在湘雅路隧道開挖影響段，沿既有地鐵1 號線盾構(gòu)隧道縱向進(jìn)行預(yù)加固?？v向施作范圍為湘雅路隧道基坑范圍內(nèi)。盾構(gòu)隧道洞身主要中風(fēng)化板巖層，湘雅路隧道和盾構(gòu)隧道之間是粉質(zhì)黏土層。結(jié)合長沙市地鐵工程的相關(guān)經(jīng)驗，預(yù)加固方案采用MJS 旋噴樁工法加固。

加固體豎向范圍為拱頂以上3.5 m，兩側(cè)加固至隧道洞腰，東西向兩側(cè)加固范圍為隧道兩側(cè)2.9 m。加固體與既有隧道保持1.5 m（水平）及1 m（豎向）的安全距離，避免加固時損傷現(xiàn)有管片結(jié)構(gòu)。在地鐵1 號線隧道兩側(cè)施作3 排抗拔樁，在湘雅路隧道開挖時，采用分段開挖，將同一排抗拔樁采用板連成整體，形成板凳樁，板凳樁的剛度較大，從而可抵抗開挖土體產(chǎn)生的回彈，同時板凳樁兼作結(jié)構(gòu)底板。

本段基坑深度約為7.6 m，寬度約為21.3 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+ 內(nèi)支撐的支護形式，樁外設(shè)三管旋噴樁止水?；咏Y(jié)構(gòu)底板與既有地鐵1 號線盾構(gòu)隧道凈距約2.6 m，基底主要位于粉質(zhì)黏土層。同時，地鐵6 號線位于地鐵1 號線下方并與地鐵1 號線正交，地鐵6 號線隧道拱頂與1 號線隧道隧底之間的最小垂直距離為2.75 m。明挖基坑與地鐵6號線相平行。

3 基坑上跨既有地鐵1 號線隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性三維計算分析

3.1 模型構(gòu)建

依據(jù)湘雅路過江通道東岸明挖段與地鐵1 號線、6 號線的相對位置關(guān)系，建立三維有限差分模型。模型橫向（地鐵1 號線開挖方向）取5 倍以上基坑開挖深度，總計100 m；模型縱向（湘雅路過江通道與地鐵6 號線延伸方向）從6 號線左右中線向兩側(cè)各取3 倍以上洞徑，總計70 m；模型豎直方向由坑底至下截面取3 倍以上開挖深度，豎直方向總計50 m，模型尺寸為100 m×70 m×50 m。計算模型及各結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系如圖1 和圖2 所示。

圖1 三維計算模型示意圖

圖2 三維模型空間位置關(guān)系示意圖

3.2 計算模型參數(shù)

在計算模型中，各地層及MJS（Metro Jet System）全方位高壓旋噴注漿預(yù)加固區(qū)采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型；過江通道隧道結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型；地鐵隧道襯砌采用各向同性的殼單元；基坑內(nèi)支撐采用梁單元；坑底抗拔樁采用樁單元。各地層及結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)值計算地層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.3 開挖卸載作用下既有地鐵1 號線隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

首先，對計算模型中的各地層進(jìn)行參數(shù)賦值，施加模型的邊界條件、初始地應(yīng)力條件，并進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計算；然后，將地應(yīng)力平衡后模型節(jié)點的位移、速度清零，之后對既有1號線地鐵隧道進(jìn)行開挖、支護、施作仰拱及道床結(jié)構(gòu)的模擬；接著將地鐵1 號線隧道施作后模型節(jié)點的位移、速度清零，對節(jié)點基坑基底位置進(jìn)行MJS 旋噴加固，并對地鐵6 號線進(jìn)行開挖、支護、施作仰拱及道床結(jié)構(gòu)的模擬；最后，將地鐵6 號線隧道施作后模型節(jié)點的位移、速度清零，施作節(jié)點基坑圍護結(jié)構(gòu)，并于地鐵1 號線兩側(cè)施作3 排抗拔樁。之后進(jìn)行明挖基坑的分步分段開挖并施作底板，令各排底板與抗拔樁形成板凳樁。

3.3.1 地鐵1 號線隧道結(jié)構(gòu)變形分析

現(xiàn)對有、無基底MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固情況下的地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行對比，分步分段開挖過程中各開挖步時結(jié)構(gòu)的最大豎向、徑向位移如表2 所示，有無加固工況下底板施作完成后結(jié)構(gòu)的豎向、徑向位移分布如圖3 和圖4所示。

表2 各開挖步序結(jié)構(gòu)最大豎向、徑向位移mm

由圖3 和圖4 可以看出，在基坑開挖卸載影響范圍內(nèi)，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。當(dāng)基底未進(jìn)行MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固時，隧道襯砌的最大豎向位移為6.19 mm，發(fā)生在基坑中線正下方的隧道拱頂處；隧道襯砌的最大徑向位移為1.08 mm，發(fā)生在基坑中線正下方的隧道兩側(cè)邊墻處；當(dāng)基底進(jìn)行MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固后，隧道襯砌的最大豎向位移為4.11 mm，發(fā)生在基坑中線正下方的隧道拱頂處，隧道襯砌的最大徑向位移為0.25 mm，發(fā)生在基坑中線正下方的隧道兩側(cè)邊墻處。MJS 旋噴加固后，各開挖步序下襯砌結(jié)構(gòu)的最大變形量均顯著降低，其中底板施作后襯砌結(jié)構(gòu)的最大豎向位移減小了33.6%，最大徑向位移減小了76.9%，豎向位移與水平位移皆小于10 mm，滿足CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 未加固工況下既有地鐵1 號線襯砌結(jié)構(gòu)位移情況

圖4 加固工況下既有地鐵1 號線襯砌結(jié)構(gòu)位移情況

3.3.2 襯砌內(nèi)力分析

現(xiàn)對底板施作完成后有、無基底MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固情況下的地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行對比，兩種工況下結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩分布如圖5 和圖6 所示。

由圖5 和圖6 可以看出，基坑開挖卸載作用下，當(dāng)基底未進(jìn)行MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)全環(huán)受壓，結(jié)構(gòu)的最大軸力為694 kN，發(fā)生在線路兩端的隧道兩側(cè)拱肩處；最大正彎矩為21.29 kN·m，發(fā)生在線路兩端的隧道拱頂處；最大負(fù)彎矩為17.1 kN·m，發(fā)生在線路兩端的隧道拱肩處；當(dāng)基底進(jìn)行MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)全環(huán)受壓，結(jié)構(gòu)的最大軸力為613 kN，發(fā)生在線路兩端的隧道兩側(cè)拱肩處，較加固前減小了11.7%；最大正彎矩為17.5 kN·m，發(fā)生在線路兩端的隧道拱頂處，較加固前減小了17.8%；最大負(fù)彎矩為15.7 kN·m，發(fā)生在線路兩端的隧道拱肩處，較加固前減小了8.2%。

圖5 未加固工況下既有地鐵1 號線襯砌結(jié)構(gòu)受力情況

圖6 加固工況下既有地鐵1 號線襯砌結(jié)構(gòu)受力情況

4 結(jié)論

本文采用三維有限差分分析方法，對湘雅路過江通道與地鐵1 號線區(qū)間節(jié)點明挖段開挖過程進(jìn)行模擬，并分析了有、無MJS 加固工況下明挖法基坑開挖卸載作用對既有地鐵1號線隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，相關(guān)結(jié)論如下：

1）基坑開挖導(dǎo)致地鐵1 號線隧道拱頂處產(chǎn)生最大豎向位移，當(dāng)基底不采用MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固時，豎向位移為6.19 mm；采用加固方案時，豎向位移為4.11 mm。地鐵1 號線隧道兩側(cè)邊墻處產(chǎn)生最大徑向位移，當(dāng)基底不采用MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固時，徑向位移為1.08 mm；采用加固方案時，徑向位移為0.25 mm。MJS 旋噴加固后，各開挖步序下襯砌結(jié)構(gòu)的最大變形量均顯著降低，其中底板施作后襯砌結(jié)構(gòu)的最大豎向位移減小了33.6%，最大徑向位移減小了76.9%，滿足CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）基坑開挖卸載作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)全環(huán)受壓，當(dāng)基底未進(jìn)行MJS 旋噴樁注漿預(yù)加固時，結(jié)構(gòu)的最大軸力為694 kN，發(fā)生在線路兩端的隧道兩側(cè)拱肩處；最大正彎矩為21.29 kN·m，發(fā)生在線路兩端的隧道拱頂處；最大負(fù)彎矩為17.1 kN·m，發(fā)生在線路兩端的隧道拱肩處；當(dāng)基底進(jìn)行MJS旋噴樁注漿預(yù)加固時，結(jié)構(gòu)的最大軸力為613 kN，較加固前減小了11.7%；最大正彎矩為17.5 kN·m，減小了17.8%；最大負(fù)彎矩為15.7 kN·m，減小了8.2%。