港渠開挖卸載對既有下臥地鐵盾構隧道影響分析

陳建斌，郭少波，吳立鵬，范　偉

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023；2.武漢市洪山城市建設投資有限公司，湖北 武漢 430070）

港渠開挖卸載對既有下臥地鐵盾構隧道影響分析

陳建斌1，郭少波2，吳立鵬1，范偉1

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023；2.武漢市洪山城市建設投資有限公司，湖北 武漢 430070）

通過對位于既有下臥盾構隧道的港渠渠底開挖卸載工程案例介紹，采用卸荷比和基坑卸荷影響深度分析方法，定性判斷渠道卸載影響深度，同時對卸荷后所產生的隧道抗浮穩定性進行了驗算，并采用大型巖土與隧道有限元分析Midas/GTS對卸荷所引起的隆起變形進行了數值計算。依據多項分析結果，推薦采取土體加固處理、渠道底部硬化、分層分段卸載，以及信息化監測的措施。并且，其措施的有效性也在工程實施中得到了驗證。

開挖卸載；盾構隧道；卸荷比；卸荷影響深度；抗浮分析

0　引言

隨著城市軌道交通建設的快速推進，與其相關聯的地下工程之間相互影響的矛盾也日益突出，尤其是地下工程近接施工對臨近工程的影響。其中，比較典型的就是基坑開挖卸載對臨近或下臥地鐵工程的影響。采用合理的分析手段來判斷其影響程度并采取有效合理的措施，一直以來都是科研人員和工程技術人員所關注的話題［1-3］。本文通過對位于既有下臥盾構隧道的港渠渠底開挖卸載工程案例介紹，采用卸荷比和基坑卸荷影響深度分析方法，定性判斷渠道卸載影響深度；同時，對卸荷后所產生的隧道抗浮穩定性進行了驗算，并采用大型巖土與隧道有限元分析Midas/GTS對卸荷所引起的隆起變形進行了數值計算。依據多項分析結果，采取了土體加固處理、渠道底部硬化、分層分段卸載，以及信息化監測的措施。其措施的有效性也在工程實施中得以驗證。

1　工程概況

1.1工程簡介

武漢市軌道交通4號線一期工程線路南起武昌火車站，穿過武昌區、洪山區等主城區后至終點武漢火車站止，全長16.488 km。該工程于2008年啟動土建施工。其中，位于洪山區的鐵機村站～羅家港站區間（簡稱羅鐵區間）右DK23+400～右DK23+485段下穿了現狀沙湖港（樁號S1+807～S1+827）區域。該段港渠渠底寬度為13.6 m，渠底標高約為17.6 m，兩岸標高約為21.5 m，而該段區間隧道頂標高約為12.6 m，底標高約6.6 m，渠底處覆土厚度僅有5 m，兩岸處覆土厚度為8.9 m。具體見圖1、圖2所示。

圖1　沙湖港與羅鐵盾構區間平面圖

圖2　沙湖港及羅鐵區間剖面圖

隧道斷面（見圖3）為單洞單線圓形隧道，管片外徑6.0 m，內徑5.4 m，管片厚度為0.3 m，環寬為1.5 m，全環由一塊封頂塊、兩塊鄰接塊、三塊標準塊共六塊管片組成，采用錯縫拼裝。該段區間于2012年7月7日洞通，2013年5月1日鋪軌完成，按總體工期要求，應于2013年12月份正式通車。

圖3　羅鐵區間隧道結構示意圖

1.2存在問題

沙湖港為橫跨武昌區和青山區的渠道，根據武漢市排水規劃要求，該港需要進行斷面拓寬加深改造工作。其中，改造后的羅鐵區間段沙湖港底寬將達34 m～64 m，改造后渠底標高為16.4 m，渠道南側采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，北側采用1：1～1:1.5的放坡，渠底主要為土質明渠。該段拓寬工程將于2013年9月份啟動，2013年12月完成通水。

由于該段羅鐵區間已經貫通，而上部港渠即將開工，需對隧道上部進行卸土1.2 m～4.6 m，此時隧道覆土僅為3.8 m（0.63洞徑）。這就存在著隧道頂部卸載造成土體應力釋放后對既有隧道結構安全的影響，以及對運營期間隧道的整體穩定性影響，可能會出現坑底卸載后引起隧道結構上抬，從而造成隧道環、縱縫張開而引起結構漏水涌砂事故，也可能出現上部壓重減輕后隧道受承壓水作用出現整體上浮問題。為此，需對渠道施工期間及運營期間隧道安全進行影響分析和評估，以采取可靠、合理的保護措施。

1.3工程地質

場址范圍內從上到下的地層依次為：②1淤泥、③1黏土、③3黏土、③5粉質黏土夾粉土粉砂、④1粉細砂和⑥2細砂夾礫卵石。其中，盾構穿越地層主要為③3黏土、③5粉質黏土夾粉土粉砂和④1粉細砂。

各土層物理力學參數建議值見表1所列。

1.4水文地質條件

1.4.1地表水

該工程范圍內主要地表水為沙湖港。沙湖港寬約20 m～25 m，水深1 m～2 m。

表1　巖土參數建議值一覽表

1.4.2地下水類型及地下水位

在勘探深度范圍內場地地下水類型以上層滯水和孔隙承壓水為主。上層滯水主要賦存于①層填土層中，接受大氣降水及周邊湖塘滲透補給，無統一自由水面。孔隙承壓水主要賦存于④層砂土及⑥礫卵石層中，水量豐富，與長江有較密切的水力聯系。③5層粉質黏土夾粉土粉砂中也賦存有過渡型弱孔隙承壓水。承壓水水位標高一般為15.00 m～20.00 m（黃海高程），年變幅為3～4 m，勘察期間該場地實測承壓水水位為19.00 m。

2　港渠卸載影響分析及治理措施

港渠卸載區域根據卸載深度共分為2個區域，見圖4所示。區域一：渠道底從現狀渠底標高17.6 m開挖至設計渠底標高16.4 m，平均挖深D=1.2 m；區域二：渠道底從現狀地面標高21.0 m開挖至設計渠底標高16.4 m，挖深D=4.6 m。

圖4　渠底卸載區域圖

根據卸載深度的不同，分別采用卸荷比與回彈率關系、基坑坑底卸荷影響深度經驗，以及數值計算方法，從定性和定量角度分析施工期間渠底卸載對既有盾構隧道結構的影響，以及判斷初步處理措施的有效性。同時，根據隧道所處的特殊地層及其水力賦存條件，分析運營期間隧道結構的抗浮安全穩定性。

2.1施工期間卸載影響分析

2.1.1卸荷比影響深度分析

文獻［4、5］在室內壓縮回填試驗、原位載荷試驗、大比尺模型試驗基礎上，對回填變形隨卸荷發展規律進行了較為深入的研究，并提出了卸荷比概念，即（其中，α是附加應力系數，γ是土體重度，D是卸載深度，Z是卸荷影響深度）。基坑開挖卸載所引起的回彈率與卸荷比有一定聯系。根據室內土體回填試驗性質分析：當R＜Rcr（臨界卸荷比），其回彈模量較大，回彈變形量較小；當Rcr＜R＜Ru（極限卸荷比），其回彈模量隨R呈log對數衰減；當Ru＜R，其回彈模量隨R呈極具衰減。當R≤Rcr=0.2，其回彈比率很小，根據相關試驗成果分析，卸載后對應坑底一定深度以下土體不發生回彈變形，由此可推算出卸載回彈影響深度Zcr，見圖5、圖6所示。

圖5　坑底卸載回填影響深度圖

圖6　回填比率與卸荷比關系圖

對于區域一而言，卸荷深度D=1.2 m，Rcr=0.2，推算出影響深度Zcr=4.8m，坑底標高16.4 m，回彈影響標高為16.4-Zcr=11.6（m）小于盾構隧道頂部標高12.6 m，故卸載后隧道僅頂部1 m處有一定回彈，除此之外，隧道基本不出現上抬現象。

對于區域二而言，卸荷深度D=4.6 m，Rcr=0.2，推算出影響深度Zcr=17 m，坑底標高16.4 m，回彈影響標高為16.4-Zcr=-0.6（m）小于盾構隧道頂部標高12.6 m，該區域內盾構隧道處于卸載回彈影響范圍之內。

2.1.2基坑開挖坑底回彈相關研究

文獻［6］中通過K0試驗，采用側向應力松弛法和E0-R法分析了深基坑開挖坑內回彈的規律，得出了基坑開挖卸載所引起的土體回彈影響區一般為2.0～2.5倍的基坑開挖深度的結論，具體見圖7所示。根據上述規律，結合該工程情況，分別對各種區域影響深度進行分析。

圖7　坑底卸載影響深度圖

對于區域一而言，卸荷深度D=1.2 m，推算出影響深度2.4～3.0 m，坑底標高16.4 m，影響標高為16.4-（2.4～3.0）=14～13.4（m）小于盾構隧道頂部標高12.6 m，故卸載后隧道基本不出現上抬現象。

對于區域二而言，卸荷深度D=4.6 m，推算出影響深度9.2～11.5 m，坑底標高16.4 m，影響標高為16.4-（9.2～11.5）=7.2～4.9（m）小于盾構隧道頂部標高12.6 m。

根據上述兩種方法定性分析可知，區域一范圍內卸載對隧道影響甚微，區域二在卸載后隧道周邊土體均處于卸載回彈影響區，隧道可能出現上抬現象。

2.1.3數值影響分析

為進一步定量分析區域二范圍內坑底卸載對下臥隧道結構的影響，采用了大型巖土與隧道結構有限元分析軟件Midas/GTS對該工況進行了二維平面數值模擬分析。模型的基本假定為：土體采用M-C本構模型，盾構隧道采用線彈性梁單元，選擇80 m×23.5 m（x-y）區域內作為邊界條件，通過土體鈍化來模擬渠底施工開挖所引起的土體應力場和位移場，計算模型見圖8所示。具體材料的物理力學參數和單元類型見表2所列。

圖8　渠道計算模型

表2　材料單元物理力學指標參數一覽表

根據類似地下工程施工案例，為降低卸載對既有結構的影響，一般采用對隧道周邊的土體進行加固處理。因此，該工況下也進行了在未進行土體加固處理工況、對隧道頂部和兩側土體進行加固處理工況分別進行卸載影響分析（見圖9～圖14）。加固后土體參數見表3所列。

圖9　渠道豎向位移云圖（土體未加固工況）

圖10　盾構隧道結構彎矩圖（土體未加固工況）

圖11　盾構隧道結構軸力圖（土體未加固工況）

圖12　渠道豎向位移云圖（土體加固工況）

圖13　盾構隧道結構彎矩圖（土體加固工況）

圖14　盾構隧道結構軸力圖（土體加固工況）

表3　計算結果對比表

從上面計算結果的圖9～圖14和表3可以看出，區域二卸載4.6 m后，在不考慮地基加固作用下，渠底上抬58 mm，隧道結構上抬9.4 mm。在考慮地基加固作用下，渠底上抬18 mm，隧道拱頂位移上抬6.3 mm。這表明采用地基加固措施，可以有效地降低由于土體卸載造成的渠底土體隆起量，同時可在一定程度上控制盾構隧道的豎向上抬量。

2.2抗浮穩定分析

根據地質報告可知，隧道區間底部對應120°弧長范圍結構是位于承壓水層，直接受承壓水頂托作用，而其余部位位于不透水層③1和③2層粘土層中，并未直接承受高水頭承壓水壓力作用，因此需對渠道施工工況和按規劃斷面形成后永久工況進行隧道整體抗浮分析。

根據隧道結構整體抗浮要求，其抗浮安全穩定系數需滿足（G+W+Ws）/Fw≥1.05（不考慮結構側向土體摩阻力、結構縱向約束時）。式中：G為結構自重；W為上覆土重；Ws為渠道水壓重；Fw為承壓水壓力。計算簡圖見圖15所示。

圖15　地層加固剖面圖

（1）渠道施工工況（渠道內無水情況）：

在滿足抗浮安全系數前提下，承壓水頭標高小于等于16.5 m。

（2）渠道運行工況（渠道內常水位2 m）：

在滿足抗浮安全系數前提下，承壓水頭標高小于等于18.4 m。

根據勘察資料，該場地承壓水標高15.0～20.0 m，隧道在長期運營期間其結構整體抗浮不滿足要求！

2.3治理措施

通過計算表明，沙湖港改造會引起盾構隧道一定量的上抬，計算的上抬值小于20 mm，參考《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》等相關要求，基本滿足地鐵隧道運營的要求，但是由于地鐵隧道結構為裝配式襯砌，管片之間是通過環向和縱向螺栓連接，縫間通過設置彈性密封墊進行止水處理。如果管片之間上抬量不均勻，勢必會造成環縱縫之間的張開，當張開量達到一定數值時，擠壓式的彈性密封墊將失去止水效果，造成水土涌入隧道內，發生事故。又經抗浮驗算，發現渠道運行期間隧道抗浮略有不足，因此為了降低上覆土體卸載對隧道結構的影響，以及避免后期水流沖刷及疏浚施工對隧道頂部覆土的擾動，進而影響隧道長期穩定性，需要采取一些措施來減小沙湖港改造對地鐵隧道的影響。

2.3.1地層加固處理

根據上述分析，需對隧道周邊的土體進行加固處理。由于三軸攪拌樁具有施工擾動較小、加固效果較好等特點，故該工程采用了650@450三軸攪拌樁進行地層加固。加固深度從設計渠底至隧道結構拱底以下2 m。加固體位于④1粉細砂層，該范圍內實樁水泥摻量為20%，從現狀地面至設計渠底為空攪部分，水泥摻灰量為8%，加固體必須達到28 d無側限抗壓強度應不小于1.0 MPa。加固寬度以雙洞隧道中線向兩側各11.825 m為加固邊界，總寬度為37.65 m，具體見圖16所示。為盡量減輕施工對既有隧道的影響，同時考慮一定的施工誤差，攪拌樁與隧道結構外壁最小安全距離控制為1 m。

圖16　地層加固剖面圖

由于采用攪拌樁將渠底軟土進行加固處理（見圖17），加固厚度約3.8 m，除提高了土體強度，同時也增加了土體容重約0.5 kN/m3，相應地也提高了上覆壓重厚度約0.5×3.8=1.9（m），在此情況下，盾構隧道可抵抗18.4+1.9=20.3（m）的承壓水頭，運營期間抗浮穩定性得以滿足。

圖17　施工現場攪拌樁加固之實景

2.3.2分層分區卸載

充分利用土體的“時空效應”，采用分層分區開挖的方式，盡量將坑底卸載對隧道的影響降低到最低。根據該工程實際情況，沙湖港拓寬清淤共分3層進行，每層卸載的厚度控制在1.5 m之內，每層土體分段開挖，每段底部寬約5 m，兩側采用1:2的放坡。分段開挖盡量以隧道中心線采用對稱平衡開挖方式，減小偏心卸載引起隧道橫向位移。具體見圖18所示。

2.3.3渠道底部硬化處理

在原設計中，沙湖港渠底僅在坡腳以外3 m范圍內采用硬質預制塊護砌，其余部分采用土質明渠。雖采用水泥土攪拌樁進行渠底硬化，但考慮到長期水流沖刷，以及渠道疏撈等因素對渠底土體穩定的影響，采用了鋼筋混凝土底板進行渠底全護砌的處理措施，見圖19所示。具體如下：

圖18　渠道分層開挖示意圖

圖19　渠底硬質護砌斷面圖

改造后的渠底采用150 mm厚現澆C30鋼筋混凝土護底，下設一層土工布和50 mm厚砂石混合料反濾層，縱橫向每3 m設置φ75PVC排水孔。

2.3.4信息化監測

由于目前隧道已經完成鋪軌，正在進行設備及綜合管線的安裝等工作，為確保施工期間隧道的安全，采取了信息化監測的手段，及時反饋獲取與施工過程有關的監測信息，及時指導施工。具體監測的內容有：隧道結構的水平、頂部變形、軌道變形及渠道底部土體的隆起量，各項監控控制指標如下：

既有隧道變形：羅鐵區間隧道的水平位移和拱頂變形的控制值定為20 mm，預警值為14 mm；

軌道變形：道床及結構隆沉值最大不超過6 mm，預警值為3 mm；

變形速率：隆沉平均速率不大于1.0 mm/d，最大隆沉速率不大于2.0 mm/d。

如有監測指標超過預警值，必要時，可在隧道內對隧道周邊土體進行注漿加固處理。

隧道在樁體加固，以及渠道開挖期間的各項變形指標見表4所列，結果顯示各項指標均在正常范圍之內，整個施工基本沒有對區間安全造成影響。這證明了該處理措施是有效的。

表4　監測結果匯總表

3　結論

（1）采用卸荷比和基坑卸荷影響深度分析方法，定性判斷渠道卸載影響深度，同時對卸荷后所產生的隧道抗浮穩定性進行了驗算，并采用大型巖土與隧道有限元分析Midas/GTS對卸荷所引起的隆起變形進行了數值計算，可有效地判斷卸荷對既有隧道的影響程度。

（2）根據計算結果，沙湖港改造清淤卸載會造成地鐵隧道上抬，容易引起管片接縫之間漏水涌砂，進而造成工程事故，應對隧道周邊土體進行加固處理。

（3）為減小沙湖港卸載對隧道的影響，可采取分層分步開挖、信息化施工等施工措施以加強地鐵隧道的安全性。分段開挖盡量以隧道中心線采用對稱平衡開挖方式，減小偏心卸載引起隧道橫向位移。

（4）為避免后期水流沖刷及疏浚施工對隧道頂部覆土的擾動，改造后的渠道采用鋼筋混凝土結構進行護底是必要的。

［1］秦愛芳，胡中雄，彭世娟.上海軟土地區受卸荷影響的基坑工程被動區土體加固深度研究［J］.巖土工程學報，2008，30（6）.

［2］楊秀仁.北京地鐵盾構隧道設計施工要點 ［J］.都市快軌交通，2004，17（6）.

［3］陳郁，李永盛.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的計算方法［J］.地下空間與工程學報，2005，1（1）.

［4］李建民，滕延京.從不同土的室內壓縮回彈試驗分析基坑開挖回彈變形的特征［J］.建筑科學，2011，27（1）.

［5］李建民，滕延京.基坑開挖回彈再壓縮變形試驗研究［J］.巖土工程學報，2010，32（Supp.2）.

［6］鄧指軍，賈堅.地鐵車站深基坑卸荷回彈影響深度的試驗［J］.城市軌道交通，2008.

U458

A

1009-7716（2016）07-0299-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.089

2016-04-26

陳建斌（1974-），男，湖北武漢人，博士，教授高級工程師，從事巖土工程設計和技術研究工作。