大范圍覆土嚴重卸載條件下的盾構隧道保護技術研究

張書豐 ，陸　航，沈曉偉

(1.南京地鐵集團有限公司，江蘇 南京 210008；2. 南京市地鐵交通設施保護辦公室，江蘇 南京 210012)

0　引言

盾構法以其快速、高效、擾動較小的特點，近年已成為城市隧道使用最為廣泛的施工方法之一。隨著城市建設項目數量增多和規模擴大，常常會出現基坑工程上跨盾構隧道的情況。由于基坑開挖的大范圍卸荷會引起坑內土體回彈，導致下方隧道上抬變形，變形過大將嚴重影響隧道結構及運營安全[1-2]。如何準確預測和防治地鐵上抬變形便成為眾多類似工程急需解決的問題。

目前國內學者已對該類問題的保護體系和施工技術進行了不同程度的研究，研究方法多為理論研究、數值分析、現場驗證等方法，衛俊杰、宗翔、蔡建鵬[3-7]等對盾構隧道上方基坑開挖卸載引起的變形特征進行了理論及計算研究；王士民、王道遠等[8-9]對盾構隧道變形的變形特性進行試驗及實踐研究，但既有研究對象多為開挖后隧道上方覆土厚度仍處于相對安全狀態，對于較為極端卸載條件下盾構隧道的保護措施研究與分析仍較少。本文主要對某盾構隧道上部覆土厚度嚴重不足，抗浮遠不能滿足設計要求的情況[10-11]，提出以樁板結構為核心，綜合隧道內配重、土層注漿加固、洞內注漿等措施的綜合保護技術，以保障河道疏浚施工期間及后期盾構隧道結構安全。為了分析基坑開挖卸荷對盾構隧道的影響及采用的保護技術對隧道隆起的抑制效果，本文采用有限元軟件ABAQUS建立三維模型進行計算，并通過實際監測數據對計算結果及保護技術的實施效果進行驗證。據此提出在類似工況和地質條件下可行的地鐵結構保護技術方案及措施。旨在為相似地鐵結構保護工程提供更多可行的實際案例參考和比選依據。

1　基本情況

1.1　工程概況

該盾構隧道以84°交角已順利下穿河道，由于河道需要進行拓浚，交叉處河道河口將由現有的52 m拓寬至104.5 m，現有河底需向下挖深6.8 m，拓寬處最大挖深約12.9 m，隧道上方存在大范圍卸土，下挖后河底距離隧道結構最小距離約2.4 m，河道基坑與盾構隧道平縱斷面關系如圖1，2所示。

圖1　基坑與盾構隧道平面關系Fig.1　Plane position between foundation pit and shield tunnel

圖2　基坑與盾構隧道橫斷面Fig.2　Profile of foundation pit and shield tunnel

該段盾構隧道線路中心線間距為12.7～14.8 m，且位于平面曲線上，曲線半徑為1 200 m，線路縱坡為右線5.107‰、左線5.098‰，區間隧道頂埋深約為9.2～15.3 m(河床、堤岸起伏較大)。每環由6塊厚350 mm的管片拼裝而成，縱向設置16根連接螺栓，環向設置12根連接螺栓。

1.2　地質情況

建設場地地貌屬河道漫灘地層，主要地層為填土、粉質粘土及卵礫石，河道底部及盾構隧道基本位于粉質粘土層中。土層物理力學參數詳見表1。

表1　土層主要物理力學參數

場地地下水主要為孔隙潛水及孔隙微承壓水。其中孔隙潛水主要賦存于①-2b層填土中及②-1b2、②-2b3層粉質粘土中；孔隙微承壓水主要賦存于③-4e層卵礫石層中。孔隙潛水水位埋深0.40～2.60 m，水位年變化幅度約1.00 m。常年最高水位約在地表下0.50 m。

2　既有盾構隧道的保護設計

2.1　工程風險分析

考慮到盾構隧道自身及所處地層的特點，以及河道工程的特殊性，可分析出該護工程主要存在以下風險。

1)河道改造施工需在隧道上方大范圍卸土(最大卸土厚度12.9 m)，而因施工需求，開挖期間對施工范圍內河水進行疏排并降水，在地下水位下降的綜合作用下，極易引起地層回彈而導致隧道隆起變形，進而導致管片縱、橫向的變形、開裂與錯臺。同時由于盾構施工完后局部管片已存在滲漏點和裂縫，如圖3所示，結構安全風險大大增加。

圖3　盾構隧道既有病害Fig.3　Existing diseases of shield tunnel

2)場地地層條件較差，受擾動后易產生較大位移并持續增加，其中卵礫層深度較厚，整體性差，極易塌孔[12]，增加施工難度進而影響施工進度，導致隧道變形不斷增加。

3)基坑開挖施工期間及河道疏浚完成后盾構隧道上部覆土已不滿足抗浮需求，河流對河床存在搬運、沖刷等效果可進一步導致覆土厚度減少。

根據以上分析，該工程必須在施工期間對盾構隧道進行加固處理，且加固結構應確保河道使用期間盾構隧道結構安全。

2.2　保護方案設計

綜合考慮既有風險、保護結構效果、施工時效性及可行性、體系建成后對地鐵隧道的持續保護效果等因素，該工程主要采用如圖4所示以樁板結構為核心的加固技術。

圖4　樁板加固結構Fig.4　Pile-board reinforce structure

1)樁板結構

采用咬合樁+壓板結構體系，咬合樁采用全回轉鉆機套筒跟進成樁工藝，確保實施性。板與樁成條形板帶，抑制河道疏浚完成，洞內配重卸載后隧道結構的隆起變形；河道使用期間，樁板體系形成封閉的抗壓結構，削減由于河道沖刷和堆積對隧道的不利作用。

2)土體加固

基坑開挖前對隧道周邊土體進行加固有利于減小開挖卸載過程土體回彈變形、有利于管片結構的內力重分布。土體加固主要通過洞內通過盾構管片內部二次注漿及坑外三軸攪拌樁滿堂加固2種方式進行。其中坑外加固范圍確保距隧道結構不小于1 m，減小土體加固對既有區間隧道的影響。同時為減少咬合樁施工的不利影響，對咬合樁采用樁身側壁注漿方式，加固卵礫石層樁周被擾動土體，防止樁體施工時坍塌。

3)洞內加固

為加強隧道縱向及橫向的連接剛度，抑制隧道橫向變形、管片開裂與錯臺，施工前在隧道內縱向100 m范圍內增設縱向槽鋼拉和橫向8腳支撐。同時為解決施工期隧道抗浮、隆起變形等問題，在基坑開挖前，在隧道內增設土袋配重，以抵消隧道在開挖期間的上抬。

圖5　隧道內加固及配重Fig.5　Reinforcement and counterweight in shield tunnel

4)其他保護措施

施工階段還實施一系列其他常規保護措施，如基坑分部開挖，選用合理的開挖面和開挖形狀，并分段、分塊、限時進行；考慮時空效應，盡量減少基坑開挖過程中的暴露時間，快挖快做，嚴禁超挖；施工完成及時澆筑條形板帶等。

3　計算分析

3.1　計算模型

基坑開挖前盾構隧道處于受力平衡狀態，基坑施工使該平衡狀態打破，大范圍卸載導致土體回彈同時增加前期平衡狀態殘余應力影響深度，導致隧道回彈、變形。因此本文采用通用有限元軟件ABAQUS建立整體分析模型，對基坑開挖期間隧道變形情況及樁板加固體系對隧道變形抑制效果進行預測。計算過程主要采取假設如下：

1)假設開挖前隧道上方土體已充分固結，且土體加固已實施完成。

2)土體為各向同性，且均勻連續。

3)假設隧道位移與土體位移相容。不考慮土體與隧道結構分離狀況。由于隧道局部結構剛度比土體大很多，但對于柔性襯砌而言，線性隧道的整體變形剛度較小，接近其影響土層的剛度。在小變形的情況下，盾構隧道位移和土層位移基本一致，滿足位移相容假設。

計算模型主要包含土體、加固區、樁板結構及隧道等構件。土體及加固土體采用Drcuker-Parger模型，并采用實體單元進行模擬，其中開挖階段采用生-死單元技術模擬土體卸載過程。對于樁板結構采用的φ1 000@700咬合樁采用等效剛度原則[13-14]換算為0.9 m厚地連墻并采用線彈性板單元模擬，頂部壓板及盾構管片同樣用線彈性板單元模擬。

由此建立有限元模型如圖6所示，其中隧道縱向方向長260 m，河道縱向方向長300 m；土體深度約62 m。

圖6　三維計算模型Fig.6　3D-Finite element model

計算土層采用物理力學參數詳見表1，加固區土體及樁板結構參數取值詳見表2。

表2　計算模型材料參數取值

基于如上假設，主要分析步驟劃分如下：

1)初始狀態建立。

2)坑內滿堂加固。

3)基坑分部開挖，同時隧道內配重。

4)基坑開挖完成，樁板加固結構施工完成。

5)卸除隧道內配重。

3.2　計算結果

選取基坑施工最不利工況進行研究，即各階段施工均完成后坑內整體變形及隧道變形情況如圖7，8所示，通過對施工階段隧道最大隆起變形進行分析，可以看出采用基坑分部開挖、土體加固、隧道內配重、樁板加固結構等措施后，整個施工過程中既有隧道最大隆起變形約17.7 mm，因配重卸載造成隧道最大隆起變形約1.3 mm，各階段變形見圖9。

圖7　土體豎向位移云圖Fig.7　Contour of vertical displacement of soil

圖8　隧道豎向位移云圖Fig.8　Contour of vertical displacement of tunnel

圖9　各工況對應隧道整體最大豎向位移Fig.9　Contour of maximum vertical displacement of tunnel in each stage

盾構隧道內力云圖見圖10，可以得出，在施工最不利工況下，管片每延米最大負彎矩為183.9 kN·m，對應軸力698 kN，最大正彎矩為172.2 kN·m，對應軸力533 kN，經復核計算得到管片裂縫寬度分別為0.182，0.193 mm，在不利工況下管片內力及裂縫均能夠滿足原設計要求。

圖10　隧道內力云圖Fig.10　Contour of tunnel internal force

根據計算結果，可以得出如下主要結論：

1)隧道變形特性與預期因卸荷導致的上抬變形特征一致，最大變形及內力變化均發生在基坑中心部位，即隨著開挖深度越大，基坑對應的隧道隆起越大。

2)最大階段變形發生在基坑開挖階段，隨著樁板結構施工完成，后續拆除配重對隧道不利影響有限。

3)采用的土體加固、分區開挖、配重等措施，可保證隧道結構在基坑開挖施工階段變形及內力均在允許范圍內。但基坑開挖過程受配重及土體加固影響，隧道呈現先沉降后上浮的變形特征。

4)采用的樁板結構體系，在配重拆除后可有效控制基坑大范圍開挖后隧道上抬變形。

4　監測驗證

為驗證數值計算準確性及綜合保護體系的實際實施效果，本文對項目實施期間盾構隧道監測數據進行整理并與計算結果進行比對。

本項目自2016年1月18日進場，至2016年11月21日監測結束，其中2016年6月29日完成土體加固、基坑開挖及壓板施工，2016年8月21日完成拆除加固措施、洞內配重等。基坑開挖施工監測期為31周，跟蹤期為13周。

4.1　監測范圍

項目盾構隧道監測范圍為基坑東側邊線外擴30 m，西側邊線外擴40 m。監測采用人工與自動化相結合的測量方法。垂直位移監測點及水平、豎向收斂布置如圖11所示。

圖11　監測點布置Fig.11　Layout of monitoring points

4.2　監測成果

圖12　右線隧道累計豎向位移變化曲線Fig.12　Accumulative vertical displacement curve of right line

圖13　左線隧道累計豎向位移變化曲線Fig.13　Accumulative vertical displacement curve of left line

圖12，13表明：土方開挖至壓板結構施工期間，由于進行土體加固與配重，局部隧道呈沉降趨勢，隨著上部大面積荷載的卸除，隧道有一定程度上抬，拆除配重階段隧道同樣出現一定程度隆起，隧道整體最大豎向位移約5.2 mm(正值表示隆起、負值表示下沉)。進入跟蹤期后，隨著外加荷載消除，隧道豎向位移進入穩定狀態。

圖14　右線隧道累計水平收斂變化曲線Fig.14　Horizontal convergence curve of right line

圖15　左線隧道累計水平收斂變化曲線Fig.15　Horizontal convergence curve of left line

圖14，15表明：洞內加固、外部土體加固施工期間，監測區段盾構隧道結構水平收斂整體有較大變化，呈擴張狀態；土方開挖階段變化不明顯，加固措施拆除及跟蹤期階段由于外加荷載逐漸消除，隧道開始回擴并逐漸趨于穩定。整個階段隧道最大水平收斂變形為5.8 mm(負值表示收縮、正值表示擴張)。

圖16　右線隧道累計豎向收斂變化曲線Fig.16　Vertical convergence curve of right line

圖17　左線隧道累計豎向收斂變化曲線Fig.17　Vertical convergence curve of left line

圖16，17表明：洞內加固、外部土體加固施工期間，監測區段盾構隧道結構豎向收斂整體有較大變化，呈壓縮狀態；土方開挖階段變化不明顯，加固措施拆除及跟蹤期階段，隧道開始回縮并逐漸趨于穩定。整個階段隧道累計最大豎向收斂為4.3 mm(負值表示收縮、正值表示擴張)。

4.3　成果分析

通過對監測成果的統計與分析，對比數值分析計算結果可以發現，模擬計算結果與檢測系統監測得出的數據存在一定差異，但各施工階段對盾構隧道變形影響基本一致，隧道均表現出先沉降后隆起的變形最終趨于穩定，且樁板結構可有效控制基坑開挖，洞內配重拆除后隧道的隆起變形；由于施工與模擬加卸載過程存在一定差異，實際監測數值較數值分析計算數值小；整個施工階段隧道變形均能滿足相關技術標準[15]要求，隧道變形處于允許范圍。兩者相互印證證明本項目的數值模擬分析結果具備參考意義，監測結果也表明基坑采取的綜合保護措施是有效的。

5　結論

1)在盾構隧道上方進行大范圍卸載，隧道上部覆土嚴重不足的情況下，采用壓板結構，綜合采用洞周土體加固、洞內加固、基坑分區分塊開挖、配重等技術可以取得良好的保護效果。

2)在隧道內實施配重反壓措施應嚴密結合開挖工況進行實施，否則易造成隧道內荷載增加產生不同程度沉降。

3)在接近隧道等易受外界擾動的工程施工時，針對卵礫石層整體性差、成孔困難等特性，可采用鋼套筒跟進成樁結合樁身側壁注漿工藝保證施工質量和保護效果。

4)本文僅對樁板加固體系初步實施效果進行了研究，尚未對該壓板結構在河道及隧道投入使用后其可靠性及長期變形特性進行分析，后期將對其進行跟蹤調查并完善相關研究。

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