明挖區(qū)間上跨地鐵區(qū)間施工安全分析

黃 菁

(北京建材地質(zhì)工程有限公司，北京 100102)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵新線的大規(guī)模建設(shè)和地鐵線網(wǎng)不斷加密，必然會(huì)引起各條線路的交叉，新建地鐵臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)施工的情況日益增多。在新建地鐵隧道穿越既有地鐵的過程中，當(dāng)新舊結(jié)構(gòu)特別靠近時(shí)，如果不采取專門的對(duì)策，新建地鐵會(huì)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，如變形、沉降甚至可能因強(qiáng)度不足而破壞[1,2]，因此當(dāng)處理這類工程時(shí)既要保證既有結(jié)構(gòu)的安全使用又要保證新建工程的順利安全施工，因此對(duì)施工引起的變形量和沉降控制非常嚴(yán)格[3]。

本文依據(jù)北京現(xiàn)代有軌電車西郊線工程頤和園—巴溝站區(qū)間隧道上跨既有10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間的工程實(shí)例，建立三維有限元模型，模擬西郊線區(qū)間明挖隧道施工全過程,通過對(duì)既有盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的受力、變形、沉降等分析，得到明挖隧道上跨既有區(qū)間時(shí)的受力和變形規(guī)律，為其他類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 區(qū)間介紹

本區(qū)間為地下區(qū)間，整體呈東西走向，西起頤和園西門，東至10號(hào)線巴溝站，區(qū)間下穿四環(huán)主路，輔路及匝道，下穿昆玉河、藍(lán)靛廠路、電力、雨污水等重要管線，上跨10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間。區(qū)間結(jié)構(gòu)型式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土U型槽，區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式為土釘墻+放坡，上跨范圍內(nèi)，U型槽結(jié)構(gòu)底板與既有區(qū)間管片外皮豎向距離為3.42 m～3.86 m。明挖區(qū)間與既有區(qū)間平面關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

1)工程地質(zhì)。

區(qū)間所在土層從上到下依次為①粉土填土、②黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、②1粉質(zhì)黏土、②3粉細(xì)砂、⑤卵石。

2)水文地質(zhì)。

地下水類型及水位。

潛水(二)，水位埋深11.00 m～13.70 m，水位標(biāo)高38.39 m～39.07 m，含水層巖性主要為⑤層卵石、⑤1層中粗砂、⑤3層黏質(zhì)粉土，透水性好。

承壓水(三)，含水層巖性主要為⑦層卵石、⑦1層細(xì)中砂及⑨層卵石，透水性好。

2 施工方案比選

既有區(qū)間結(jié)構(gòu)外皮埋深約10.8 m，新建U型槽結(jié)構(gòu)底板與既有區(qū)間管片外皮豎向距離為3.42 m～3.86 m。故本工程宜采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可選用鉆孔灌注樁或土釘，由于基坑埋深較淺，且與既有結(jié)構(gòu)距離較近，若采用鉆孔灌注樁施工會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，造價(jià)高經(jīng)濟(jì)效益差，故最終選用對(duì)既有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)小、經(jīng)濟(jì)合理的土釘支護(hù)方式，土釘鉆孔直徑120 mm，水平間距1.2 m，梅花形布置。

3 施工過程數(shù)值計(jì)算分析

3.1 基坑開挖模擬步序

為了減少基坑開挖對(duì)既有線盾構(gòu)區(qū)間的影響，明挖U型槽段分三期施工，每期施工1/3上跨長(zhǎng)度的基坑，每段開挖的長(zhǎng)度分別為13 m，10 m，10 m，共5步，如圖2～圖6所示。

第一步：基坑開挖之前，自地面采用深孔注漿加固擬開挖的基坑坑底土體及既有線結(jié)構(gòu)兩側(cè)2 m范圍以外3 m寬度土體，減少開挖對(duì)既有線結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

本文采用Yin(2003)對(duì)案例研究資料的收集規(guī)則，首先利用多種渠道采集企業(yè)的基本信息和與本研究相關(guān)的資料。然后利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集相關(guān)二手資料，如通過中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方等國(guó)內(nèi)主流知名數(shù)據(jù)庫(kù)收集關(guān)于“三只松鼠”的案例研究記錄、案例研究文件、圖表資料等，建立案例研究資料庫(kù)。最后，對(duì)建立的案例分析數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行深度文本分析，找到本案例研究所需的引證來源，結(jié)合相關(guān)理論，得出研究結(jié)論。

第二步：待深孔注漿達(dá)到強(qiáng)度后，先分層開挖既有區(qū)間左線上方土體，基坑正下方既有區(qū)間上浮位移大于未開挖側(cè)既有區(qū)間，開挖后應(yīng)及時(shí)施作土釘支護(hù)及噴混凝土護(hù)坡。

第三步：待既有區(qū)間左線上方基坑開挖完成后，及時(shí)施作U型槽結(jié)構(gòu)底板及側(cè)墻，并在此施工過程中嚴(yán)格控制既有線上浮量。

第四步：待U型槽結(jié)構(gòu)完成并達(dá)到強(qiáng)度后，繼續(xù)開挖既有線左右區(qū)間之間土體，此時(shí)既有線右線區(qū)間上浮量逐漸增大，開挖后應(yīng)及時(shí)施作土釘支護(hù)及噴混凝土護(hù)坡，待土體開挖完成后，及時(shí)施作U型槽結(jié)構(gòu)底板及側(cè)墻，并在此施工過程中嚴(yán)格控制既有線上浮量。

第五步：待U型槽結(jié)構(gòu)完成并達(dá)到強(qiáng)度后，繼續(xù)開挖既有區(qū)間右線上方土體，此時(shí)既有線右線區(qū)間上浮量逐漸增大至峰值，開挖后應(yīng)及時(shí)施作土釘支護(hù)及噴混凝土護(hù)坡，待土體開挖完成后，及時(shí)施作U型槽結(jié)構(gòu)底板及側(cè)墻，并在此施工過程中嚴(yán)格控制既有線上浮量。

3.2 上跨既有區(qū)間數(shù)值模擬計(jì)算

本模型采用地層—結(jié)構(gòu)法計(jì)算，利用大型通用有限元軟件Midas進(jìn)行計(jì)算分析地面沉降及圍巖變形。三維模型計(jì)算的初始條件是新建地鐵明挖區(qū)間尚未開挖，并且認(rèn)為既有結(jié)構(gòu)以及所在地層均處于變形穩(wěn)定的狀態(tài)。考慮巖土工程施工過程中的空間效應(yīng)，采用三維計(jì)算分析新建明挖隧道開挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，從而進(jìn)行建模。圍巖材料的本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，并考慮圍巖的非線性變形。模型圍巖采用彈塑性各向同性材料模擬，地層采用實(shí)體單元模擬，襯砌采用梁?jiǎn)卧M，結(jié)合規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)確定巖土應(yīng)力釋放系數(shù)。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告和結(jié)構(gòu)斷面建立有限元模型，隧道開挖寬度為19.5 m，開挖深度為6.4 m～7.7 m，計(jì)算模型見圖7，圖8。

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)論

基坑與既有區(qū)間為斜向交角上跨，分三期施工，每期施工約1/3上跨長(zhǎng)度，每段開挖的長(zhǎng)度分別為13 m，10 m，10 m。經(jīng)模擬計(jì)算分析可知，隨著基坑開挖位置及深度逐漸鄰近既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)，既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)底板上浮量逐漸加大，開挖位置越鄰近、開挖深度越深，既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)上浮量越大，最終導(dǎo)致既有區(qū)間隧道底板上浮量為1.45 mm，基坑底隆起3.05 mm，滿足變形控制要求。

4 對(duì)既有結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

基坑開挖期間，基坑開挖深度h≤5 m,1次/3 d；基坑開挖深度5 m

4.2 變形控制指標(biāo)

針對(duì)本論文研究項(xiàng)目，并根據(jù)以往北京地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，既有區(qū)間按以下數(shù)據(jù)作為控制指標(biāo)：隧道變形及軌面變形為2 mm。根據(jù)目前三維模型的模擬計(jì)算結(jié)果，建筑物的變形均不超過控制指標(biāo)。

5 施工措施

1)采取基坑底至既有線區(qū)間上方1.5 m處及既有線區(qū)間兩側(cè)2 m范圍以外進(jìn)行深孔注漿加固的保護(hù)措施。

2)采用袖閥管深孔注漿，注漿孔應(yīng)與既有區(qū)間管片外皮保持1.5 m的距離，避免注漿成孔及注漿時(shí)對(duì)既有區(qū)間產(chǎn)生影響。

3)注漿施工前需提前試驗(yàn)，確定注漿參數(shù)。深孔注漿壓力為0.2 MPa～0.3 MPa，擴(kuò)散半徑0.5 m，注漿漿液為水泥—水玻璃漿，注漿過程中注意控制注漿壓力，防止注漿壓力過大對(duì)既有線產(chǎn)生影響。

4)加固后的土體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。

5)施工時(shí)應(yīng)密切注意土體變化，加強(qiáng)量測(cè)，及時(shí)反饋量測(cè)信息，及時(shí)根據(jù)量測(cè)結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)以確保工程質(zhì)量。

6)U型槽結(jié)構(gòu)上跨影響范圍內(nèi)的既有線區(qū)間管片建議采取縱向拉緊措施。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)新建地下區(qū)間結(jié)構(gòu)左右線同時(shí)開挖工況的相關(guān)計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

1)明挖區(qū)間上跨既有區(qū)間結(jié)構(gòu)時(shí)，既有結(jié)構(gòu)和新建明挖結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生變形，變形最大位置處在距離新建結(jié)構(gòu)最近的既有結(jié)構(gòu)位置處。

2)明挖區(qū)間左右線采取上跨前、上跨左線、上跨右線三步進(jìn)行施工，每段開挖的長(zhǎng)度分別為13 m，10 m，10 m，則既有區(qū)間上方土荷載分為三步釋放，使得既有結(jié)構(gòu)的變形、地表沉降和新建隧道的變形都明顯大于整體開挖的工況。

3)施工監(jiān)測(cè)應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)既有區(qū)間拱頂、側(cè)壁及軌面等重要位置，必要時(shí)加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)并提高監(jiān)測(cè)頻率。

綜上所述，明挖區(qū)間上跨既有區(qū)間時(shí)，基坑開挖產(chǎn)生的卸載效應(yīng)必然會(huì)導(dǎo)致既有區(qū)間出現(xiàn)上浮，在設(shè)計(jì)和施工中需將此作為風(fēng)險(xiǎn)源重點(diǎn)關(guān)注，可通過設(shè)管理、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等手段，必要時(shí)還可對(duì)既有隧道采取注漿加固措施，將基坑開挖的影響控制在滿足規(guī)范要求的安全范圍內(nèi)，使既有隧道處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。