基坑上跨盾構隧道實測數據分析及保護研究

高 永，賴衍鵬

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

在國家新基建的戰略背景下，城市軌道交通將涌現出新一輪的建設高潮。根據中國城市軌道交通協會發布的《城市軌道交通2020年度統計和分析報告》[1]，截止2020年底，中國大陸地區共有45個城市開通城市軌道交通運營線路244條，運營線路總長度7969.7km，中心城市城軌交通客運量占公共交通客運總量出行比率38.7%。按線路敷設方式來分，地下線5422.3km，占比68.1%。地下線隧道多數為盾構隧道，但因多縫、易滲漏、易損傷等缺點，如沿線保護區遭遇外部作業活動，極易發生滲漏和不均勻變形[2-5]，嚴重時可能危及結構安全及運營安全。如何平衡城市功能開發與城市軌道交通結構安全，是軌道交通運營單位無法回避的現實課題。現有研究方法可歸納為現場實測分析[6-7]、基于有限元的仿真模擬[8-9]、模型試驗[10-11]方法等。現有研究更多針對工程前期設計方案可靠度驗證，或施工期間相對安全可靠的項目，以闡述某種方案或某項施工措施的科學性，缺乏不同措施的實測比對研究。

本文以某繞城高速公路南半幅深基坑趕工期違規施工為切入點，依托現場監測、檢測與三維掃描普查等實測成果，佐證違規施工對盾構隧道的不利影響程度，通過修正慣用法理論計算及Ansys建模分析以評估隧道結構橫斷面及縱斷面的安全性能與安全冗余儲備，再以優化保護措施的北半幅施工為比對研究對象，通過現場實測數據證明優化措施的可靠度及定量效果，以總結與反分析基坑上跨運營盾構隧道的保護措施，旨在為該類保護區作業設計、施工及軌道交通結構保護提供參考。

1 項目概況

1.1 工程概況

某城市繞城高速改建采用半幅改造半幅通行方式進行，先南半幅路面改建、后北半幅改建。改建工程與軌道交通運營1號線、在建5號線存在交叉。交叉范圍為改建繞城高速K31+840~K31+920段，對應軌道交通1號線左線K15+393~K15+468、右線K15+394~K15+470，對應5號線左右線K2+777~K2+852。交叉范圍內，高速公路路基基坑開挖深度約12.6~16.8m，開挖最底面距離1號線盾構隧道結構頂覆土厚度約4.15~5.07m，距離5號線盾構隧道結構頂覆土厚度約7.88~9.3m，項目平面見圖1。

圖1 項目平面圖（單位：mm）

1號線及5號線均為盾構隧道，錯縫拼裝，內徑5.4m，環寬1.5m，管片厚度0.3m，管片混凝土強度C50，區段管片按深埋及超深埋進行配筋。1號線于2016年12月26日投入運營。項目剖面見圖2。

圖2 項目剖面圖（單位：mm）

1.2 地質概況

場地范圍內土層自上而下主要為①-1人工填土（第四系全新統）、②黏土（第四系沖洪積層，膨脹土），③黏土（上更新統沖積層，膨脹土），④黏土（中更新統沖積層，膨脹土），⑤-1全風化粉砂巖及⑤-2強風化粉砂巖（第三系）。1號線及5號線盾構隧道主要穿越③黏土。

1.3 保護設計方案

為保護交叉段1號線和5號線區間隧道，減小施工對區間隧道的影響，采用板凳樁+鋼筋混凝土蓋板的門式結構保護軌道交通結構。板凳樁采用直徑800mm的鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，樁長20m，蓋板及冠梁采用現澆鋼筋混凝土，蓋板厚度450mm。先期施工板凳樁，再施做板凳樁冠梁和蓋板，冠梁與蓋板連接。

1.4 施工技術要點

上跨軌道交通區間段采用分層分段抽條進行開挖，以“先外圍后中間；化整為零，分層分塊多次卸載；加隔離快封閉”的總體原則盡可能減少對盾構區間的影響，橫向開挖寬度不大于6m，縱向一次性開挖。灌注樁施工建議帶鋼護筒施工，套管采用靜壓緩慢均勻壓入，施作是應采用跳孔施工，在灌注樁混凝土24h后方可進行臨樁成孔施工。地下水降排采用坑外截水坑內集水明排的方式進行處理，坑內水位保持在基底以下1m。

2 南半幅基坑施工影響分析

2.1 施工方案調整

為了緩解春運繞城高速公路交通壓力，政府要求南半幅必須在2017年春節前放行交通。南半幅施工區域計算工期168d，按設計方案實施不可能完成既定工期目標。施工單位在按既定方案完成第①、②區段土方卸載后，調整了下部土方卸載方案，將原橫向6個斷面（分幅寬度6m）、縱向1個斷面、豎向2層開挖調整成橫向3個斷面，縱向1個斷面，豎向2層。標高22.779m至19.779m挖土層開挖寬度由6m調整成36m；標高19.779m至設計底標高開挖寬度由6m調整成最大18m。

南半幅土方卸載工況平面見圖3，土方卸載時序詳見表1。

圖3 南半幅土方卸載工況平面圖（單位：mm）

表1 南半幅土方卸載時序

2.2 隧道結構病害

南半幅施工期間未對軌道交通實施針對性的保護監測，致使土方卸載處于監管盲區，無信息化指導手段。軌道交通運營單位委托的隧道健康監測單位于2016年8月31日建立了初始觀測成果，此后2016年9月20日、11月21日、2017年3月6日相繼進行定期監測。2017年3月6日發現該施工區段隧道結構出現異常隆起，詳見圖4。

圖4 1號線隧道區間結構垂直位移圖（單位：mm）

2.3 隧道結構檢測

項目建設單位委托專業檢測單位于2017年10月28日至11月3日對1號線該區間K15+384~K15+484進行檢測。根據《城市軌道交通設施養護維修技術規范》（DB11/T718—2016），右線主體結構評定為二級、左線評定為三級，總體狀態良好，檢測區段內左右線24處管片混凝土開裂、剝落，最大面積0.15m2，2處鋼筋外露，管片最大開裂寬度0.1mm、長0.6m，環間最大錯臺35mm，環內最大錯臺15mm，4處管片接縫滲水。

根據探地雷達檢測圖譜分析，檢測區間左線道床下方初襯管片背后K15+401~404、K15+428~430、K15+436~442存在脫空和不密實現象；上行線道床下 方K15+387～389、K15+415～422、K15+471～478存在脫空和不密實現象。

2.4 隧道三維掃描

受軌道交通公司委托，專業單位于2017年12月1日凌晨選用法如X330儀器對1號線左線K15+374~K15+508、右線K15+357~K15+483段隧道結構進行了三維激光掃描，提取了軌道幾何行位、接觸網導高、不同角度的隧道收斂值。經掃描，接觸網導高在4.034m至4.050m之間，項目投影段隧道腰線水平收斂最大擴張44mm，最大擴張7.3‰D（D指隧道外徑）。

3 隧道結構安全評價

3.1 隧道結構環向分析

隧道管片材料取鋼筋混凝土，泊松比0.2，彈性模量3.45×107MPa，密度2500kg/m3，剛度折減系數0.7，接縫處考慮彎矩傳遞系數0.7與1.3，結構重要性系數1.1，永久荷載分項系數1.35。采用修正慣用法，針對區間隧道的設計正常運營工況、隧道現狀工況進行內力計算和承載力驗算。按深埋配筋進行核算，隧道結構滿足極限承載力及正常使用安全要求。

3.2 隧道結構縱向分析

將隧道視為溫克爾彈性地基梁，將環間接頭簡化為彈性鉸單元，并通過在各環施加實測的沉降值，得到各環的內力值，可進行截面抗剪驗算，以評估隧道結構縱向整體安全性能。

管片縱向螺栓為M24的8.8級螺栓，彈性模量為210GPa，縱向螺栓共計10根，縱向連接螺栓的屈服強度為6.4×105kPa，抗剪強度為1.5×105kPa。管片彈性模量EC為3.45×107MPa，橫截面面積A為5.37211m2，截面慣性矩IC為21.878m2。經計算，環縫轉動剛度Kθ為39374193kN·m/rad，環間抗切剛度KT為40000kN/m。隧道完全埋設于③黏土之中，根據土層信息，彈性地基基床系數K為45000kPa/m3。

利用有限元軟件Ansys進行建模，共模擬300環隧道，中間100環上覆土體自重減少為150kPa，中間100環發生上浮量取實際觀測值，。模擬出環彎矩絕對值最大312.694kN·m，剪力絕對值最大34.5557kN，經校核，隧道管片縱向連接螺栓正向應力6449.7kPa，剪切應力1.018×104kPa，距離極限強度冗余量較大，彎矩圖和剪力圖分別見圖5和圖6。

圖5 現狀工況彎矩圖

圖6 現狀工況剪力圖

3.3 北半幅設計施工優化

針對南半幅施工對軌道交通結構產生的不利影響，項目自2017年1月24日南半幅交通放行至2018年9月份期間處于停工狀態，期間軌道交通經營單位對北半幅設計與施工方案優化進行了多輪商討與論證。總體上，強化了板凳樁、蓋板、蓋板下方土體注漿、開挖分幅、限時措施等。方卸載總體按豎向三層、橫向每幅寬度3m、縱向3段進行分塊抽條跳倉開挖，北半幅施工工況剖面、平面見圖7及圖8。

圖7 北半幅施工工況剖面圖

圖8 北半幅施工工況平面圖

開挖時序如下：

時序1：現狀場地標高至22.779標高一次性開挖。

時序2：按臺階步開挖5號線區間上方土體，施工順序1-2-3......-7，每塊土體開挖后限時48h封閉蓋板。

時序3：按臺階步同步施工1號線區間上方土體，施工順序8-9-10......-14，每塊土體開挖后限時48h封閉蓋板。

時序4：按由左即右方向，逐步開挖15-16-17邊坡位置土體，每塊開挖寬度約9m（合并3幅），每塊土體開挖后限時48h封閉蓋板。

3.4 保護效果

3.4.1 開挖階段優化措施效果

北半幅基坑較南半幅基坑，在開挖階段優化了開挖分幅、分段，充分利用既有土體對下方盾構隧道的壓載功能；通過明水截排措施，盡可能降低雨水慢慢浸透隧道上方膨脹土，充分發揮既有土體物理力學性能；充分利用時空效益原理，快速開挖，限時封閉，降低單跨土體卸載影響時長。在綜合保護措施下，北半幅開挖階段最大隆起量2.5mm，平均隆起1.4mm，最大隆起量減少了75%，平均隆起量減少了70%，見圖9，說明優化措施效果顯著。

圖9 開挖階段隧道結構垂直位移量對比（單位：mm）

3.4.2 工后階段優化措施效果

工后隆起量：南半幅基坑施工無保護監測數據，選用健康監測數據作為統計，以2016年3月6日為工后變形統計起始時間，截止2017年4月22日，歷時412d，盾構隧道左右線最大分別隆起了8.8mm與9.3mm，平均隆起5.9mm；北半幅基坑自2019年7月25日施工完成后，截止2019年11月29日，歷時127d，盾構隧道左右線最大分別隆起了2.3mm與2.4mm，平均隆起0.5mm，最大工后隆起量減少了75%，平均隆起量減少了92%，見圖10。

圖10 工后階段隧道結構垂直位移量對比（單位：mm）

工后穩定時間：南半幅基坑因監測數據不全，工后第二期觀測較2016年3月6日間隔112d，隨后300天內盾構隧道尚無法進入0.01mm/d的穩定標準，經回歸分析，進入0.04mm/d的相對穩定標準約歷時70d，進入0.01mm/的穩定標準約歷時360d；北半幅基坑保護監測實測數據標明，進入相對穩定標準約歷時14d，進入穩定標準約歷時50d。

經工后隆起量與工后穩定時間分析，南半幅基坑工后隆起量大且穩定周期長，說明樁長20m的800@1500板凳樁+450mm厚的蓋板無法有效約束盾構隧道隆起，其原因主要為：一是板凳樁樁長不足，造成樁及蓋板存在一定量的隆起（地面監測數據已予以佐證）；二是蓋板施工及隆起造成下方土體與蓋板存在間隙，隧道上方4.6m高的土體發生長期的回彈變形；三是北半幅基坑長期停工暴露，勢必引起其所對應的盾構隧道（K15+394~K15+431）隆起變形，另外隧道斷面及上覆土均為膨脹土，雨水的長期浸透，造成土體遇水膨脹及強度降低，進一步加劇了盾構隧道隆起變形。北半幅基坑吸取了南半幅基坑所揭露的問題，優化了板凳張樁長、樁間距，增加蓋板厚度，對蓋板下方的土體進行填充注漿。通過一系列針對性措施，北半幅工后隆起量得到有效控制，大大縮短了進入穩定的時長，見圖11。

圖11 工后階段隧道結構垂直位移速率對比（單位：mm/d）

4 結 語

基坑上跨運營盾構隧道因上覆土體卸載造成隧道四周土壓力發生改變，必須采取可靠措施控制隧道隆起，通過南半幅與北半幅不同保護措施下的實測數據分析，說明采用板凳樁、土體注漿、分倉限時開挖等措施可有效控制隧道隆起。

（1）基坑上跨運營盾構隧道應制定專項保護措施，開展專項保護監測，以信息手段指導現場施工。

（2）優化板凳樁的樁長與間距，細化分塊抽條跳倉限時開挖等施工組織措施，可有效降低盾構隧道隆起量。

（3）針對膨脹土遇水膨脹、物理力學性能降低的特殊地層特性，開挖時需采取有效的隔水與截水措施。

（4）針對板凳樁下方施工空隙所造成隧道長期隆起變形，可采用預留注漿孔、及時填充注漿主動保護措施，以縮短隆起時長，減小隆起量。