吉 文，楊 旭

(江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 210041)

長江沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，建設(shè)工程多。過江地鐵隧道結(jié)構(gòu)地處漫灘地貌單元，極易受周邊施工擾動的影響，導(dǎo)致土層原有的平衡狀態(tài)被破壞[1]，沿江地鐵的結(jié)構(gòu)安全面臨巨大挑戰(zhàn)，其周邊的建設(shè)活動受到極大的關(guān)注。

軟土地區(qū)深基坑施工過程中，降水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、土方開挖、地下室結(jié)構(gòu)施工以及重載車輛碾壓和建材堆載等都會對下臥地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。吳紅斌[2]以上海某地鐵車站基坑工程為背景，采用數(shù)值模擬的方法對開挖過程中地鐵隧道的變形及周邊地表沉降進(jìn)行了研究，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。吳龍梁[3]等依托某橋梁承臺深基坑工程采取預(yù)先加固、超前支護(hù)和分層分段開挖的施工方法，分析隧道累計(jì)沉降和水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究不同施工工況對地鐵隧道位移和變形的影響規(guī)律。黃睿[4]等基于軟土地區(qū)某臨近地鐵隧道的超大深基坑工程實(shí)例，利用自動化監(jiān)測及三維激光掃描技術(shù)等現(xiàn)場監(jiān)測手段，獲取區(qū)間隧道在臨近深基坑分區(qū)開挖下的變形數(shù)據(jù)及裂縫發(fā)展情況，并結(jié)合施工過程對典型斷面的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。佘格格[5]采用HSS模型分析深基坑工程引起的鄰近線路主體結(jié)構(gòu)變形和地表沉降規(guī)律，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證了HSS模型的適用性。

目前軟土地區(qū)的地鐵安全保護(hù)研究案例較多，也比較深入，但長江沿岸深基坑對過江隧道的影響案例研究還較少[6]。本文基于長江南岸某深基坑工程，通過建立數(shù)值模型進(jìn)行有限元分析，研究總結(jié)深基坑施工對過江隧道結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)對數(shù)值模型的參數(shù)設(shè)定提出建議。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于長江南京段南岸，地處長江漫灘地貌單元，基坑長約100～127m，寬約83～91m，深度約13.1～15.1m(局部承臺部位下沉1.6～2.0m)，距離過江地鐵隧道區(qū)間約66.1～70.1m。深基坑和過江地鐵隧道位置如圖1所示。

圖1 基坑和過江地鐵隧道位置

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型及地下水處理

基坑豎向支護(hù)體系采用鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)，樁型為1100@1300、1200@1400；采用三層鋼筋砼支撐體系；立柱樁采用鉆孔灌注樁，樁徑1000；鋼立柱采用型鋼格構(gòu)柱立柱；止水體系采用TRD工法、CSM工法水泥土攪拌墻；降水體系采用管井進(jìn)行降水?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖2所示。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置圖

1.3 地質(zhì)條件

地鐵隧道區(qū)間所處地層主要為②-3b-4～3軟塑-流塑狀粉質(zhì)粘土(夾粉砂薄層)、②-5b-4～3軟塑-流塑狀粉質(zhì)粘土、②-5d-2～1粉砂、細(xì)砂。

項(xiàng)目地塊位置所處地層從上至下主要為①-1雜填土、②-1b-3-2粉質(zhì)粘土(軟-可塑)、②-3b-4～3軟塑-流塑狀粉質(zhì)粘土(夾粉砂薄層)(厚度約13m)、②-5b-4～3軟塑-流塑狀粉質(zhì)粘土(厚度約19.8m)、②-5d-2～1粉砂、細(xì)砂。項(xiàng)目地塊坑底位于②-3b-4～3軟塑-流塑狀粉質(zhì)粘土。過江隧道和基坑所處地層如圖3所示。

圖3 過江隧道和基坑所在位置地質(zhì)縱斷面圖

1.4 地鐵結(jié)構(gòu)概況

過江地鐵隧道采用外徑11.2m、內(nèi)徑10.2m的大直徑盾構(gòu)法施工，為單洞雙線圓形結(jié)構(gòu)型式，內(nèi)部按三層布置、上層為排煙道，中間為軌行區(qū)，下層為排水泵房，中間層通過設(shè)置中隔墻進(jìn)行防火分隔，中隔墻兩側(cè)設(shè)置疏散平臺。大直徑盾構(gòu)法隧道如圖4所示。

圖4 大直徑盾構(gòu)法隧道剖面圖

工程影響段地鐵長期結(jié)構(gòu)監(jiān)測截止2018年4月相對于監(jiān)測初值(觀測于2015年6月)道床累計(jì)下沉量在0.8～8.7mm之間。工程影響段左右線直徑收斂相對于標(biāo)準(zhǔn)圓變化分別在10.8～67.1mm之間，均為外擴(kuò)。通過項(xiàng)目施工前的數(shù)據(jù)搜集和分析，可以發(fā)現(xiàn)：該工程影響段地鐵區(qū)間由于地處軟土地區(qū)，經(jīng)過近3年的運(yùn)營，該段地鐵結(jié)構(gòu)有較大的變形。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

本次計(jì)算采用專業(yè)巖土軟件PLAXIS 2D 2013，該軟件是用于巖土工程的變形、穩(wěn)定性以及地下水滲流等問題的通用有限元系列軟件。計(jì)算模型大小選取原則：①明挖基坑范圍按對稱設(shè)置取一半結(jié)構(gòu)；②由于基坑開挖對迎地鐵一側(cè)影響較大，故地鐵區(qū)間隧道反向僅取1.5D范圍即可；③沿深度方向，取地鐵隧道3D～5D深度。

為了抓住重點(diǎn)，較為精確地得到本項(xiàng)目施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，模型的簡化思路：①地鐵區(qū)間隧道采用板單元模擬；②區(qū)間隧道與土的關(guān)系通過界面單元模擬；③地面超載通過添加荷載來實(shí)現(xiàn)。

為反映初始應(yīng)力狀態(tài)及施工過程，本次計(jì)算共分7個(gè)施工步驟進(jìn)行，見表1。

表1 計(jì)算工況匯總表

工況7基坑支護(hù)樁水平位移如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)基坑開挖到底時(shí)，基坑支護(hù)樁水平最大位移為23.37mm，小于二維計(jì)算35.05mm的水平位移最大值；地鐵隧道總沉降值如圖6所示。由圖6可以看出，地鐵隧道的最大沉降為2.293mm(考慮降水分析最大沉降0.7mm)，由于地鐵隧道距離基坑較遠(yuǎn)，基坑開挖引起的地鐵隧道的最大水平位移約2mm，隧道徑向收斂值為0.1mm，滿足施工期變形控制指標(biāo)要求。

圖5 工況7基坑支護(hù)樁水平位移

圖6 地鐵隧道總沉降值

3 地鐵結(jié)構(gòu)變形影響研究

3.1 地鐵監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

在深基坑施工期間，對影響區(qū)地鐵結(jié)構(gòu)實(shí)施動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目包括道床沉降、隧道水平收斂、道床差異沉降和裂縫監(jiān)測。當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)變形較快時(shí)，采取優(yōu)化措施，確保地鐵隧道的安全，同時(shí)也對本項(xiàng)目三維數(shù)值模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 模型適用性驗(yàn)證

地鐵道床垂直位移和水平收斂變化曲線分別如圖7—8所示。

圖7 地鐵道床垂直位移變化曲線圖

從圖7和圖8可以看出，在近地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期，道床沉降和水平收斂相對平穩(wěn)，在2019年6—7月份道床出現(xiàn)小幅度上浮，最大上抬量達(dá)到+2.63mm；圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后因故停工1年，在此期間，隧道周邊其他基坑陸續(xù)施工，隧道也出現(xiàn)了一定的變形。在2021年3月復(fù)工后，為更好的評估該項(xiàng)目地塊深基坑施工對地鐵隧道的影響，監(jiān)測單位對該段隧道區(qū)間測項(xiàng)重新采集了初值。隨著開挖進(jìn)程加快，5月底道床上浮超黃色預(yù)警(+3.0mm)，達(dá)到了+3.9mm，月變形速率+0.09mm/d，水平收斂也逼近黃色預(yù)警(±6.0mm)；到7月中旬道床上浮超紅色預(yù)警(+5.0mm)，到了11月份，道床出現(xiàn)一定程度的下沉，但水平收斂超紅色預(yù)警(±10.0mm)；結(jié)合3個(gè)地塊的空間位置關(guān)系以及施工時(shí)序，初步認(rèn)為水平收斂外擴(kuò)超紅色預(yù)警值，受本項(xiàng)目地塊和周邊地塊施工的共同影響。

圖8 地鐵水平收斂變化曲線圖

4 結(jié)論

依托長江沿岸某深基坑工程，研究基坑施工過程中過江隧道結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論和建議。

(1)2021年土方開挖期間，道床沉降和隧道水平收斂變形先后達(dá)紅色預(yù)警，這與之前的有限元計(jì)算結(jié)果差異較大；經(jīng)過綜合研判，分析認(rèn)為與中后期的群坑施工有一定的關(guān)聯(lián)，影響因素與之前的計(jì)算條件發(fā)生了很大的變化[7-8]；同時(shí)進(jìn)出施工區(qū)唯一通道位于地鐵隧道正上方，深部土方開挖后出土量大，大量渣土車停在道路上，對地鐵結(jié)構(gòu)造成擠壓，也對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

(2)2022年6月份起，周邊地塊基坑基本處于地下室施工階段，隧道道床進(jìn)一步下沉，水平收斂進(jìn)一步擴(kuò)大，直至地下室施工結(jié)束仍未收斂。通過查詢長江南京段水位變化情況發(fā)現(xiàn)：2019年、2021年汛期(2020年停工未監(jiān)測)，長江中下游地區(qū)出現(xiàn)了多輪強(qiáng)降雨，長江南京段水位處于高位，此階段隧道道床均出現(xiàn)一定幅度的上?。欢?022年自4月起長江南京段水位持續(xù)走低，隧道道床也持續(xù)下沉。本項(xiàng)目段距離長江僅30m，所處地層與長江的水力聯(lián)系較強(qiáng)，該段過江隧道結(jié)構(gòu)沉浮趨勢與長江水位漲落基本一致，分析認(rèn)為存在一定的聯(lián)系，但影響程度的定量分析還需后續(xù)大量數(shù)據(jù)試驗(yàn)和更實(shí)用的數(shù)值分析模型進(jìn)行驗(yàn)證模擬[9]。

(3)本次項(xiàng)目根據(jù)規(guī)范要求，由于項(xiàng)目基坑距離隧道區(qū)間超66m，原監(jiān)測方案只設(shè)置了道床沉降、隧道水平收斂、道床差異沉降和裂縫監(jiān)測等測項(xiàng)，缺少了結(jié)構(gòu)水平位移和豎向收斂等測項(xiàng)，原因在于前期的有限元計(jì)算變形數(shù)值較小。而在中后期施工環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)，建議重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)病害普查、數(shù)值計(jì)算和中期安全評估[10-11]，進(jìn)一步確定各地塊施工對地鐵隧道的影響值，從而確定新的變形控制指標(biāo)；同時(shí)應(yīng)適時(shí)增加結(jié)構(gòu)水平位移和豎向收斂等測項(xiàng)，滿足對隧道結(jié)構(gòu)全方位的監(jiān)測。

(4)過江隧道區(qū)間的地鐵監(jiān)測建議適時(shí)采用自動化監(jiān)測手段，確保在外部工程全力施工階段能實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)變形，在變形過快時(shí)可以指導(dǎo)外部工程優(yōu)化施工方案，降低對隧道結(jié)構(gòu)附近地層的擾動，保證地鐵運(yùn)營安全。