淺埋段地鐵隧道正上方基坑施工對(duì)隧道變形的影響

趙鶴泉 梁昊慶 錢(qián)煒駿

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

目前，地下空間開(kāi)發(fā)與施工的研究主要集中于緊鄰地鐵隧道或車(chē)站的工程，而未來(lái)越來(lái)越多的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)將涉及地鐵隧道正上方區(qū)域的施工與保護(hù)[1-4]。本文基于某實(shí)際工程的地鐵隧道上方基坑開(kāi)挖及底板施工過(guò)程的記錄與地鐵變形結(jié)果的分析，研究基坑暴露時(shí)間對(duì)隧道上方加固區(qū)域的變形影響，以及基坑施工方案的優(yōu)化。通過(guò)建立數(shù)值模型分析變形趨勢(shì)并與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型數(shù)值分析的正確性與施工方案的優(yōu)化效果。

1 施工時(shí)間及分塊對(duì)隧道的影響

1.1 工程概況

某大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目位于上海市中心城區(qū)，周邊環(huán)境極為復(fù)雜。北側(cè)有眾多商業(yè)辦公樓及居民住宅區(qū)，南側(cè)包括超高層建筑、受保護(hù)的學(xué)校及居民區(qū)等。此外，對(duì)施工制約最大的還有南側(cè)的市政核心道路以及緊密相關(guān)的2條地鐵線路。其中東側(cè)為某地鐵線路車(chē)站，與基坑?xùn)|側(cè)共用基坑地下連續(xù)墻，北側(cè)的另一地鐵區(qū)間隧道橫臥于施工場(chǎng)地下方，基底距隧道正上方約5 m。在地鐵隧道正上方進(jìn)行開(kāi)挖施工，會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)造成諸多影響，比如：基坑卸土造成土體應(yīng)力減小而產(chǎn)生變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響、樁頭破除時(shí)的振動(dòng)對(duì)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)等?；诎踩紤]，此區(qū)域施工必須嚴(yán)格按照地鐵管理方的要求，在每日地鐵停運(yùn)后開(kāi)始施工，并需要在次日地鐵運(yùn)營(yíng)前完成開(kāi)挖區(qū)塊的底板混凝土澆筑。該區(qū)域的底板共分為165塊，基坑地板分區(qū)如圖1所示。

圖1 基坑開(kāi)挖分塊平面示意

1.2 施工時(shí)間的影響分析

對(duì)區(qū)間隧道而言，基坑施工影響最大的便是卸載的工況，盡管該施工區(qū)域已完成門(mén)式滿堂加固，但仍會(huì)造成隧道整體的垂直位移以及管片的徑向收斂變形。基于以上分析，此區(qū)域基坑最后一皮土方與底板施工于23時(shí)開(kāi)始開(kāi)挖。開(kāi)挖方案為每次施工上行線或下行線隧道上方的3 m×17 m單塊底板，并在此范圍東西兩側(cè)留置一定的加固土坡。

盡管主要的卸載過(guò)程為挖土，但直至混凝土澆筑完成之前，僅有預(yù)制的底板鋼筋籠有一定的壓重作用，因此開(kāi)挖至澆筑混凝土完畢前均認(rèn)為是卸載影響時(shí)段。

另一方面，每個(gè)施工日（按照地鐵管理方要求，原則上每周的施工窗口期僅為3 d）前后2次的地鐵監(jiān)測(cè)報(bào)表需悉數(shù)匯總。數(shù)據(jù)從監(jiān)測(cè)方法上分為“人工監(jiān)測(cè)”與“自動(dòng)化監(jiān)測(cè)”，變形數(shù)據(jù)重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)主要為“管徑收斂”與“垂直位移”。

人工監(jiān)測(cè)報(bào)告的頻率一般為一周3次，同一個(gè)點(diǎn)的累計(jì)變化量可能未能準(zhǔn)確表達(dá)施工當(dāng)日的影響。而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)則是每日更新，可以更直觀地看到當(dāng)日的變化情況。自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)頻率高，可以準(zhǔn)確分析出施工當(dāng)日前后的變化。但是根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果（圖2），自動(dòng)化監(jiān)測(cè)大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)均為0，可認(rèn)為短時(shí)間的影響較小，故認(rèn)為此類(lèi)變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可以人工監(jiān)測(cè)為主。

圖2 施工時(shí)間對(duì)管徑收斂的影響（自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）

將施工時(shí)間按照升序排列后，將其與垂直位移與管徑收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響

圖4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響

圖5 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)管徑收斂的影響

對(duì)圖3～圖5進(jìn)行分析可知，首先，盡管人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了部分下沉的情況，但幾乎絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都反映了隧道結(jié)構(gòu)上浮的結(jié)果。并且施工時(shí)間與上浮程度呈正相關(guān)，這一點(diǎn)在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果中更得到了清晰的顯現(xiàn)。

雖然每次施工對(duì)于結(jié)構(gòu)垂直位移的影響只有0.5 mm左右，但施工時(shí)間確實(shí)是地鐵區(qū)間隧道變形的主要影響因素。出于保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)安全的原則，應(yīng)該合理調(diào)整施工的搭接并提高工作效率以減少基坑暴露時(shí)間和地鐵區(qū)間隧道周邊土體卸載時(shí)間。

從圖5中，還可以看到，大部分的管徑收斂數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)，代表著基坑開(kāi)挖施工導(dǎo)致的隧道上方空間卸載會(huì)引起隧道管片的左右徑向收縮，呈橢圓狀。因此出于對(duì)地鐵保護(hù)的考慮，需要加固隧道兩側(cè)的土體強(qiáng)度。

1.3 施工方案的比對(duì)

由于本工程本身的工期壓力比較緊張，而且地鐵管理單位也同樣提出了較高的施工工期要求。因此項(xiàng)目部提出之前并未開(kāi)展過(guò)的施工安排，即從原來(lái)的僅施工上行線或下行線隧道上方的單塊底板，改為同時(shí)施工上下行線隧道上方的兩塊底板。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，由于鋼筋籠都是提前預(yù)制，相較原施工方案的區(qū)別僅為土方開(kāi)挖時(shí)間，而經(jīng)過(guò)施工搭接磨合后，現(xiàn)場(chǎng)施工團(tuán)隊(duì)也已可以做到較好的施工同步性。因此，重點(diǎn)考慮因素為開(kāi)挖范圍擴(kuò)大是否會(huì)導(dǎo)致區(qū)間隧道周?chē)馏w變形增大。實(shí)際情況如圖6～圖8所示。

圖6 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)管徑收斂的影響

圖7 人工監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響

圖8 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)下施工時(shí)間對(duì)垂直位移的影響

從圖6、圖8可以看出，新施工方案變形影響略有增大，但圖8中的垂直位移變形兩者區(qū)別較小，采用新方案之后，暴露時(shí)間確實(shí)略有增加，綜合來(lái)看，盡管開(kāi)挖的區(qū)域變大，但是整個(gè)窗口期（地鐵停運(yùn)期間）的卸載時(shí)間卻并沒(méi)有較為明顯的增加，而且同步施工的另一好處就是可以保證上、下行線垂直方向微小位移的同步性，不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)允許的差異位移要求。

綜上所述，優(yōu)化施工后的“上、下行線同步開(kāi)挖”方案，與原方案對(duì)地鐵造成的變形影響較為一致，且能較早地完成施工，以及合理地安排夜間施工的人、機(jī)、物料組織，是一個(gè)可以借鑒的新型地鐵隧道上方基坑施工的方案。

2 基坑-隧道相互作用數(shù)值模擬計(jì)算

通過(guò)有限元分析，建立和施工情況相近的數(shù)值模型。分別模擬基坑原始情況與開(kāi)挖施工后的卸載工況。如圖9、圖10所示。通過(guò)模擬該工況下的地下空間變形情況，可看到地下加固區(qū)域的變形趨勢(shì)及隧道結(jié)構(gòu)自身的變形趨勢(shì)。由于模型均參照實(shí)際工況以及地下土的門(mén)式加固情況，因此該模擬下的數(shù)值變化對(duì)于實(shí)際施工具有指導(dǎo)意義。

圖9 基坑（加固）數(shù)值模型

圖10 基坑開(kāi)挖數(shù)值模型

而針對(duì)隧道本身，同樣也模擬了其施工狀態(tài)前后的變形區(qū)別，如圖11、圖12所示。從結(jié)果上來(lái)說(shuō)，斜橢圓的變形模式可能是基坑中間到兩側(cè)隆起量不同所造成的。

圖11 開(kāi)挖前的隧道形態(tài)

圖12 開(kāi)挖后的隧道形態(tài)

3 基坑-隧道相互作用數(shù)值模型驗(yàn)證

通過(guò)以上施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，基坑施工時(shí)區(qū)間隧道變形主要以水平徑向收縮為主。而數(shù)值模型所體現(xiàn)的斜橢圓變化形態(tài)與實(shí)際監(jiān)測(cè)隧道變形數(shù)據(jù)相符。但需要指出數(shù)值模型無(wú)法精確預(yù)測(cè)隧道變形量，體現(xiàn)為計(jì)算值高估了隧道實(shí)際變形，這一現(xiàn)象主要是因?yàn)樗捎玫谋緲?gòu)模型不能完全地描述土體復(fù)雜的非線性特征所致。

但考慮到現(xiàn)場(chǎng)地層情況的復(fù)雜性，通過(guò)本文所介紹的數(shù)值模型可以幫助理解基坑開(kāi)挖對(duì)下臥地鐵隧道影響的機(jī)理，初步設(shè)計(jì)階段可對(duì)優(yōu)化加固方案、施工時(shí)序等方面提供建議和指導(dǎo)。

在原位土體試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐下，可采用能考慮土體加卸載非線性以及固結(jié)特性的精細(xì)化土體本構(gòu)模型，同時(shí)精確模擬周邊環(huán)境邊界的狀態(tài)，以得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，為設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)施工記錄與地鐵監(jiān)測(cè)報(bào)告的整理分析，明確了地鐵區(qū)間隧道在上部土方開(kāi)挖工況的變形以上浮以及隧道徑向收縮為主。

2）通過(guò)施工方案的調(diào)整比對(duì)以及2個(gè)不同施工方案下的地鐵變形趨勢(shì)的分析，得出跨上、下行線，一次施工2個(gè)基坑的方案是合理的，對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)的變形在可控范圍之內(nèi)，同時(shí)可加快施工進(jìn)度，減少影響地鐵區(qū)間隧道變形的絕對(duì)時(shí)間。

3）通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析，將數(shù)值分析結(jié)果與施工實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地鐵區(qū)間隧道變形趨勢(shì)一致，數(shù)值分析對(duì)于橫臥基坑下方的地鐵隧道在施工期間的變形趨勢(shì)預(yù)判將有較大的指導(dǎo)意義，可對(duì)施工工況引起的地鐵區(qū)間隧道變位進(jìn)行預(yù)測(cè)。