陳金剛，李金偉，槐文寶，馬猛 （北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100101）

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的增加，城市綜合管廊與隧道納入同期或先后建設(shè)，且相距較近，位置關(guān)系主要為上下平行、斜交或正交，這樣不可避免后施工會對已成型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，相關(guān)變形過大將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患。隧道變形過大，輕則引起接縫漏水、管片開裂，重則導(dǎo)致地鐵無法安全運(yùn)營，所以對已運(yùn)營地鐵隧道的變形控制要求極為嚴(yán)格，隧道變形的控制好壞決定著工程的成敗。因此準(zhǔn)確預(yù)測和有效控制地鐵隧道的變形已經(jīng)成為此類工程成功的關(guān)鍵。針對此類問題，相關(guān)學(xué)者[1-5]針對基坑開挖對既有地鐵隧道內(nèi)力和變形的影響進(jìn)行了大量研究，也積累了相當(dāng)豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)研究主要通過理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等，評估擬建結(jié)構(gòu)基坑開挖對既有地鐵隧道的影響，并采取了相應(yīng)的保護(hù)措施。

本文在綜合前人大量研究的基礎(chǔ)上，以北京某主干道十字路口管廊深基坑開挖對正交既有地鐵隧道影響為背景，采用MIDAS-GTS 軟件進(jìn)行數(shù)值分析，確定的相關(guān)技術(shù)措施在實(shí)踐中起到很好控制效果。

1 工程概況

北京某城市道路為區(qū)域主干路，道路為上下四車道（主路）+機(jī)非隔離帶+輔路+人行步道，總寬度為38m（規(guī)劃前），主路下面鋪設(shè)雙線盾構(gòu)隧道。后因周邊地塊及市政管網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃，在主路十字路處設(shè)計(jì)一雙艙管廊正交橫跨上穿盾構(gòu)區(qū)間隧道(如圖1）。盾構(gòu)隧道采用C50P10 鋼筋混凝土預(yù)制管片拼裝而成，每環(huán)由3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2 個(gè)鄰接塊和1 個(gè)封頂塊組成，塊與塊及環(huán)與環(huán)之間采用高強(qiáng)螺栓連接，連接處設(shè)防水條和緩沖墊，拼成后洞內(nèi)徑5．4m、外徑6．0m、管片厚度0．3m。橫跨隧道段管廊頂板覆土為5．5m，底板埋深為9．5m，基坑寬度8．9m，采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ600@1200 鉆孔灌注樁+D609×12 鋼管內(nèi)支撐體系，圍護(hù)樁樁長12．5m，根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，隧道變形控制指標(biāo)為5mm。主體結(jié)構(gòu)為雙艙閉合框架現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板、頂板厚500mm，側(cè)墻厚400mm，中隔墻250mm，設(shè)電力艙和水信艙，電力艙凈寬2．45m，水信艙凈寬5．2m，管廊凈高3．0m（如圖2）。

圖1 管廊、隧道及道路位置平面圖

圖2 管廊、隧道及道路位置剖面圖

管廊基坑及區(qū)間盾構(gòu)隧道所處地層從上到下依次為①素填土、③粉土黏質(zhì)、④粉細(xì)砂、⑤細(xì)中砂、⑥粉質(zhì)黏土、⑨細(xì)中砂、⑨4 中粗砂。其中，④粉細(xì)砂、⑤細(xì)中砂含層間水（三），土層透水性較好，總體上西北部水位稍高，東南略低。該層地下水受大氣降水作用明顯，其天然動態(tài)類型屬滲入～徑流型，主要接受大氣降水、灌溉回歸滲入補(bǔ)給、地表水的垂直入滲、地下水側(cè)向徑流和越流及“天窗”滲漏補(bǔ)給，并以蒸發(fā)、地下徑流、越流為主要排泄方式；⑨細(xì)中砂、⑨4 中粗砂含承壓水（六），盾構(gòu)隧道所處⑨細(xì)中砂、⑨4中粗砂承壓水水頭高度6～7m。

2 擬定上跨隧道管廊基坑施工方案

由于地鐵盾構(gòu)隧道已通車，管廊基坑底與盾構(gòu)隧道頂之間凈距離只有5．4m，此距離小于1D（D 為隧道直徑），管廊正交上跨地鐵盾構(gòu)隧道施工為一級風(fēng)險(xiǎn)工程?；娱_挖卸載勢必引起地層變形，從而導(dǎo)致成型隧道的豎向和水平位移，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及工程所處地質(zhì)水文等實(shí)際情況，本著抑制地層變形效果明顯、便于施工、縮短工期及成本較低的原則制定控制措施。

根據(jù)所處道路現(xiàn)狀，為確保主干路正常通行，同時(shí)確保隧道兩側(cè)對稱施工，對橫跨隧道管廊38m 長度范圍擬分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)，隧道兩側(cè)為第Ⅰ區(qū)，隧道上方為第Ⅱ區(qū)，隧道間為第Ⅲ區(qū)，長度為分別為6m 和10m（如圖3、圖4），Ⅰ與Ⅱ區(qū)、Ⅱ與Ⅲ區(qū)之間采用φ600@1000鉆孔灌注樁進(jìn)行分隔，Ⅰ區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)段采用1:0．4土釘墻+掛網(wǎng)噴混護(hù)坡進(jìn)行分隔。

圖3 管廊橫跨段分區(qū)示意圖

圖4 分區(qū)、導(dǎo)改施工示意圖

因管廊基底以下為粉細(xì)砂④、細(xì)中砂⑤層，隧道斷面處于粉質(zhì)粘土⑥、細(xì)中砂⑨層，且隧道處于承壓水中，經(jīng)過計(jì)算，管廊基坑卸載后抗突涌破壞安全系數(shù)大于2，為提高基底砂層的整體性和重度，對管廊基底粉細(xì)砂層進(jìn)行注漿加固，本著加固效果佳、速度快、施工靈活及擾動小等原則采用高壓旋噴注漿加固，加固范圍如圖4、圖5所示。

圖5 有限元分析模型

圖6 管廊基坑開挖前初始位移云圖

為減小卸載面積和基底暴露時(shí)間，基坑采取“分區(qū)、分層、分塊、對稱”的順序進(jìn)行開挖，先開挖隧道兩側(cè)6m 長Ⅰ、Ⅲ區(qū)，而后開控隧道上方Ⅱ區(qū)。

3 數(shù)值模擬分析方案

3.1 模型及材料參數(shù)確立

根據(jù)管廊與隧道位置關(guān)系、成功工程案例及相關(guān)規(guī)范，為盡可能反映實(shí)際工況，考慮管廊、隧道所處地質(zhì)水文情況，為減小單元數(shù)量，提高計(jì)算速度，以單條隧道進(jìn)行分析，模型尺寸為50m×50m×40m（如圖5）管廊縱向?yàn)閄 軸,管廊斷面方向?yàn)閅 軸，管廊開挖埋深方向?yàn)閆 軸，模型四周及底部限制豎向和水平位移，頂部表面為自由面。

成型隧道及管廊基坑開挖過程卸載過程較為復(fù)雜，為便于模擬管廊開挖對成型隧道影響，對材料模型及地層分布做相應(yīng)簡化，土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則；管廊圍護(hù)樁、內(nèi)支撐及鋼圍檁、盾構(gòu)襯砌管片及注漿層采用線彈性模型。初始應(yīng)力只考慮地層的自重應(yīng)力及地面20kN/m2等效均布荷載，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，根據(jù)勘察報(bào)告選取地層力學(xué)參數(shù)（如表1）。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

由于盾構(gòu)隧道縱向環(huán)與環(huán)、橫向塊與塊之間通過螺栓連接，對于盾構(gòu)隧道整體的抗拉、抗壓和抗剪能力會產(chǎn)生影響，所以需要對管片整體的橫向和縱向進(jìn)行適當(dāng)折減。由文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[10]可知，計(jì)算盾構(gòu)管片等效剛度時(shí)，橫向一般取折減系數(shù)0．6～0．7，縱向上抗拉、抗剪及抗彎的剛度折減系數(shù)約為0．01，而抗壓剛度不考慮折減。

3.2 施工步序模擬計(jì)算

按照擬定管廊基坑穿越范圍分區(qū)、分層、分塊、對稱開挖順序進(jìn)行數(shù)值分析，開挖前自重應(yīng)力下位移計(jì)算后歸零（如圖6）。橫跨隧道管廊基坑分區(qū)后，隧道兩側(cè)Ⅰ、Ⅲ區(qū)同時(shí)施工，Ⅰ、Ⅲ區(qū)第一層土方開挖至地面以下2．5m 處后（第一道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為4．31mm，隧道上方Ⅱ區(qū)隆起值為0．15mm，隧道隆起值為0．37mm（如圖7）。

圖7 第一層土方開挖后基坑及隧道隆起值云圖

圖8 第三層土方開挖至基底基坑及隧道隆起值云圖

Ⅰ、Ⅲ區(qū)第二層土方開挖至地面以下6．5m 處后（第二道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為12．78mm，隧道上方Ⅱ區(qū)隆起值為1．52mm，隧道隆起值為0．23mm；第三層土方開挖至基底，Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為28．75mm，隧道上方Ⅱ區(qū)隆起值為3．13mm，隧道隆起值為1．07mm（如圖8）。

Ⅱ區(qū)第一層土方開挖至地面以下2．5m處后（第一道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為33．84mm，隧道上方Ⅱ區(qū)坑中隆起值為6．87mm，隧道隆起值為2．21mm（如圖9）；第二層土方開挖至地面以下6．5m（第二道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為33．97mm，隧道上方Ⅱ區(qū)隆起值為11．73mm，隧道隆起值為2．49mm。

圖9 二區(qū)第一層土方開挖后基坑及隧道隆起值云圖

Ⅱ區(qū)第三層土方開挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為34．56mm，隧道上方Ⅱ區(qū)隆起值為27．34mm，隧道隆起值為12．64mm（如圖10）。

而后，對第三層土方分A、B、C 三塊開挖，先挖A、C塊后挖B塊，先將Ⅱ區(qū)第三層土方A、C塊開挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為34．12mm，隧道上方Ⅱ區(qū)隆起值為24．23mm，隧道隆起值為4．76mm；第三層土方B 塊開挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ區(qū)坑中間隆起值為34．12mm，隧道上方Ⅱ區(qū)隆起值為26．27mm，隧道隆起值為8．51mm（如圖11）。

圖11 二區(qū)第三層土方分塊開挖至基底基坑及隧道隆起值云圖

從圖10、圖11基坑及隧道隆起變化值可以看出，隧道上方基坑最后一層土整體開挖后，隧道隆起值12．64mm，而分塊先后開挖見底后，隧道隆起值為8．51mm，最后3m 土層分塊先后開挖對隧道結(jié)構(gòu)隆起變形抑制作用明顯，較整體開挖隆起值減少33%，若分塊再小，抑制作用還會增加，但考慮施工作業(yè)方便性，暫定按照3m 寬分成3塊。隨著每道開挖步序（如表2），對隧道上方基坑坑底隆起值與隧道隆起值及水平位移值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制相關(guān)曲線圖（如圖12、圖13）。經(jīng)數(shù)值模擬對比分析，將基坑分區(qū)實(shí)施開挖，基坑體量小，挖土拆支撐快，可有效縮短地鐵盾構(gòu)隧道上基坑暴露時(shí)間，減小地層變化隆起對隧道的影響。

表2 開挖步序與開挖深度（位置）關(guān)系表

圖12 開挖步序與隆起值關(guān)系曲線

圖13 開挖步序與水平位移關(guān)系曲線

隨著開挖步序進(jìn)行，根據(jù)隧道上方基坑隆起值與隧道隆起值關(guān)系曲線得出，隧道隆起較基坑隆起趨勢更為平緩，沒有間越式突變，隧道隆起變形最大區(qū)域從側(cè)上方過渡到正上方。施工期間，盡可能對基底進(jìn)行施加荷載，縮短卸載后暴露時(shí)間，盡早進(jìn)行覆載，從而有效抑制隧道隆起值。在工期滿足要求前提下，考慮待兩側(cè)基坑主體結(jié)構(gòu)、回填土完成后才開始挖正線隧道上方基坑土方。

經(jīng)過上述數(shù)值分析可以得出，橫跨隧道基坑分區(qū)、分層及分塊進(jìn)行土方開挖，對抑制隧道結(jié)構(gòu)變形效果明顯，最大值為8．51mm，較最后一層土整體開挖減小33%；因同一層（塊）存在時(shí)間差，導(dǎo)致隧道縱、橫向節(jié)點(diǎn)間存在差異沉降，但縱、橫向最大與最小值相差分別只有3．46mm 和1．87mm，該差值小于規(guī)范規(guī)定的5mm，不會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

3.3 結(jié)合計(jì)算分析確定方案

結(jié)合以上對基坑開挖過程中Ⅰ、Ⅲ區(qū)基坑基底、Ⅱ區(qū)地面及盾構(gòu)隧道變形情況，針對盾構(gòu)隧道處承壓水砂層，且承壓水水頭較高，以及現(xiàn)場施工條件、工期及綜合成本等實(shí)際情況，對管廊基坑開挖范圍采取如下控制措施：

①本著基坑“分區(qū)、分層、分塊、跳倉、對稱”的開挖原則，對橫跨隧道管廊基坑長度（38m）劃分為3 個(gè)區(qū)，隧道上方及之間區(qū)域采用圍護(hù)樁分隔，兩側(cè)采取1:0．4放坡；

②對比三軸攪拌和高壓旋噴加固方式，本著對周邊地層擾動小原則，根據(jù)管廊基底地層及地下水情況，選擇高壓旋噴注水泥漿加固地層，加固后地層強(qiáng)度不小于0．8MPa，注漿加固推薦注漿壓力控制在0．8～1．0MPa，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿加固效果通過鉆芯取樣檢測確定；管廊縱向加固60m、橫向圍護(hù)樁外皮以外3m、豎向?yàn)榛字了淼理斠陨?m；

③通過經(jīng)典力學(xué)簡化計(jì)算，地層中管廊結(jié)構(gòu)置換原土地層后，隧道上方相當(dāng)于卸載，未考慮管廊內(nèi)使用條件下排水管道重量，如因管廊結(jié)構(gòu)修建后一段時(shí)間未投入使用，還是存在一定風(fēng)險(xiǎn)，為確保萬無一失，在隧道兩側(cè)設(shè)置兩排抗拔樁進(jìn)行約束周邊地層，從而抑制隧道隆起，抗拔樁與圍護(hù)樁同時(shí)施工（如圖14）。

圖14 管廊基坑施工縱斷面圖

以上工序及控制措施總體施工順序?yàn)閳龅仄秸?、底板鋼筋骨架加工預(yù)制→圍護(hù)樁、抗拔樁施工→基底注漿加固→基坑冠梁、擋土墻施工→基坑Ⅰ、Ⅲ區(qū)第一層土方開挖→基坑Ⅰ、Ⅲ區(qū)第二層土方開挖→基坑Ⅰ、Ⅲ區(qū)基坑見底→施工主體結(jié)構(gòu)→開挖Ⅱ區(qū)第一層土方→開挖Ⅱ區(qū)第二層土方→開挖Ⅱ區(qū)第三層A、C 塊土方→施做底板連接抗拔樁→施做A、C塊側(cè)墻、頂板、開挖第三層B塊→施做底板連接抗拔樁→施做B 塊主體結(jié)構(gòu)→回填土施工（如圖15）。

圖15 管廊基坑土方分層、分塊及結(jié)構(gòu)施工步序圖

4 現(xiàn)場施工監(jiān)測情況

根據(jù)專項(xiàng)施工方案在既有地鐵隧道軌道兩側(cè)布置監(jiān)測點(diǎn)，隧道內(nèi)設(shè)三個(gè)監(jiān)測斷面，分別位于管廊斷面中線及兩側(cè)2．5m 處。每個(gè)斷面監(jiān)測隧道豎向隆起值及收斂情況，同時(shí)對橫跨影響范圍隧道內(nèi)做好紅漆標(biāo)記，施工期間定時(shí)對洞內(nèi)做好巡視和監(jiān)測工作。對其中一個(gè)斷面監(jiān)測數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪制曲線圖（如圖16）。

圖16 實(shí)測隧道隆起、收斂變化曲線圖

從現(xiàn)場監(jiān)測隧道隆起及收斂變化值可以看出，隆起值較數(shù)值模擬分析偏小，隧道收斂值基本沒有變化。筆者認(rèn)為施工期間隧道周邊進(jìn)行低壓力注雙液漿對抑制隧道隆起起到作用，因?yàn)樗淼赖靥幱诟缓咚^承壓水砂層中，雙液漿短期固化周邊砂層；其次底板施工時(shí)采用預(yù)制墊層、預(yù)制底板鋼筋骨架，極早澆筑混凝土并對基底覆載，縮短基坑暴露時(shí)間。

圍護(hù)樁、抗拔樁及基底注漿加固施工前，向運(yùn)營單位提交施工申請，同時(shí)隧道內(nèi)備好應(yīng)急物資，施工時(shí)隧道內(nèi)安排技術(shù)人員及作業(yè)人員現(xiàn)場值守，并與地面鉆機(jī)施工保持信息暢通。圍護(hù)樁（抗拔樁）施工嚴(yán)格控制旋挖鉆機(jī)扭矩及護(hù)壁泥漿質(zhì)量，減小對周邊地層的擾動及塌孔的可能性?；鬃{前在非隧道區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，對漿液配比、注漿壓力及注漿效果通過取芯進(jìn)行確定。施工后，巡查隧道內(nèi)道床未發(fā)現(xiàn)裂縫，軌道壓板螺栓及管片螺栓未發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象，管片環(huán)、片間未發(fā)現(xiàn)錯臺、掉渣現(xiàn)象（如圖17）。

圖17 既有地鐵隧道及管廊施工照片

5 結(jié)語

本文以管廊基坑橫跨正交地鐵隧道施工為背景，通過數(shù)值分析、對比并結(jié)合地質(zhì)水文情況，確定相關(guān)抑制隧道隆起措施，并在施工過程中得到很好應(yīng)用，確保隧道變形要求，同時(shí)也確保管廊施工過程風(fēng)險(xiǎn)控制，相關(guān)結(jié)論如下：

①基坑開挖卸荷使地層發(fā)生變位，帶動地層中的隧道產(chǎn)生變形，經(jīng)過數(shù)值分析表明，“整坑分區(qū)、豎向分層、底層分塊、斷面對稱”開挖基坑土方能較好控制地層變位，從而抑制隧道變形，特別是在其他條件不變情況下，底層土體分塊開挖、施做結(jié)構(gòu)后再開挖中間塊后，隧道隆起值較底層土整體開挖減小33%；

②基坑底與隧道間土體加固后其整體性、自重及強(qiáng)度均得到改善，不僅很好抑制隧道變形，同時(shí)也限制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平、豎向位移，避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)移動引起鋼支撐墜落的安全隱患；

③根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，底層土分塊見底施做底板與抗拔樁連接，可以盡早約束地層變位、控制隧道隆起，如恰趕冬季施工，混凝土中加入早強(qiáng)劑或提高標(biāo)號。施工條件具備情況下，相比較抗拔樁在控制效果、施工速度及成本方面更具優(yōu)勢，以及應(yīng)對后續(xù)地下水位上漲情況，抗拔樁抑制隧道隆起作用將更加顯著；

④既有地鐵隧道附近施工，制定各項(xiàng)控措施同時(shí)，做好各項(xiàng)應(yīng)急措施及信息化監(jiān)測工作。