城市綜合管廊上穿運營地鐵隧道保護方案研究

朱炎兵

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

城市綜合管廊促進了地下空間資源的綜合利用，極大的減少了以往管線敷設引起的道路反復開挖、地面架空線網密集、管線事故頻發等問題。綜合管廊一般多與道路、鐵路、軌道交通、公路等平行布設，整體呈環網狀，在軌道交通建成區多與運營軌道交通線網有交叉。近年來，在國家的大力倡導下綜合管廊建設發展迅猛，管廊結構上穿隧道區間的節點設計及對軌道交通結構的保護是一類日益普遍且典型的問題。

本文以實際工程為背景，就管廊結構上穿地鐵隧道區間的明挖現澆節點設計方案與施工措施進行探討，供類似工程參考借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘇州某綜合管廊工程標準斷面為5艙，寬8.9 m，采用明挖法施工，節點基坑長度約31.3 m，基坑寬度8.9 m，基坑面積約295 m2，在交叉路口上穿運營地鐵2號線隧道區間。隧道采用盾構法施工，外徑6.2 m，內徑5.5 m，采用預制鋼筋混凝土管片，環寬1.2 m，厚0.35 m，錯縫拼裝，混凝土強度等級為C50。管廊中心線與隧道區間中心線的夾角為78°，管廊結構與隧道平面關系見圖1。

管廊基坑的開挖深度越淺對下臥隧道區間的影響越小，隧道與基坑底部的夾層則越厚，對隧道區間保護越為有利。為了盡可能的減少基坑開挖對地鐵隧道區間的影響，管廊結構斷面設計時在跨軌處盡量壓縮斷面及覆土深度。本項目場地地面標高3.30 m(85國家高程，后同)，結構高度為5.5 m，基坑開挖深度約5.8 m，該處隧道結構頂標高約為-7.770 m，管廊結構底板底距離軌道盾構區間最小凈距為5.27 m，豎向相互關系見圖2。

1.2 工程地質概況

場地范圍從上到下分布土層為①5填土、③粉質黏土、⑤1粉質黏土夾粉土、⑥1粉砂夾粉土、⑥2粉砂、⑦粉質黏土。潛水賦存于表層填土層，水位標高為1.05 m～1.97 m，微承壓水富含于⑥1粉砂夾粉土層及⑥2粉砂層中，水頭標高為0.30 m～1.00 m。土層參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

1.3 變形控制要求

根據管理部門的要求，區間隧道的保護標準為：1)施工引起的盾構隧道的允許變形值不大于10 mm；2)施工引起隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m，相對彎曲不大于1/2 500；3)引起的軌道交通隧道外壁附加荷載不大于20 kPa。

2 上穿施工對隧道區間的主要影響

2.1 卸載加載引起的變形

施工前，隧道受力處于平衡狀態，變形已經穩定，在隧道上方卸載，隧道整體上浮，隧道收斂變形表現為豎向拉伸，水平向壓縮(豎橢圓形狀)。當上部結構回筑和覆土時，加載致使隧道豎向變形下壓回落，收斂變形轉變為豎向壓縮，水平向拉伸(橫橢圓形狀)。因此，上穿施工對隧道一般會產生先隆起、后下沉的影響，但整體上呈現為隆起變形。一般來講，整體卸載的空間范圍和卸載幅度越大，隧道隆起越大，并隨作業時長增長。

整個過程中，隧道至少會產生一次卸載和一次加載的影響，其結構變形及應力經過多次的內力重分布和平衡，這個過程對隧道區間結構的收斂變形及縱向變形的影響極其復雜[1]，往往極難控制和預測。當收斂變形達到一定程度，將引起隧道管片環縫、縱縫張開，產生滲漏水。另外，當上部卸載后因局部區段隧道隆起從而引起隧道撓曲度發生變化，導致隧道管片之間的縱向拉力增大，同樣危及隧道結構安全。

2.2 施工擾動的影響

上穿工程一般會對隧道周邊土體進行預加固處理、隧道的兩邊設置隔離樁等作為保護措施，當上方為基坑工程時，還需對基坑進行支護。作為加固常用的高壓旋噴樁、三軸水泥土攪拌樁等施工過程都有高壓噴漿的工藝，其工藝對地層擾動也較大；而經常作為施工擾動較小的MJS加固工藝，在隧道區間邊施工時也應該慎用，其施工并不一定是完全可靠的，如回漿管一旦堵管，對鄰近隧道區間的影響往往是破壞性的。同時有些施工機具較重，如三軸攪拌樁機，在隧道的上方施工行走時，對隧道結構的作用直接且影響也較大[2]。

因此，在整個上穿施工過程中，無論是施工工藝或者施工荷載都會不可避免地對下臥區間隧道結構帶來一定的擾動影響，這一部分的施工影響往往比較大，難以預測且不可忽視。

3 保護設計方案與施工措施

本工程隧道直接在盾構上方近距離不可避免引起盾構的上浮[3]；如何在施工過程中有效控制并盡可能減少地鐵隧道的上浮是本工程的主要技術難點。

隧道隆起變形的影響范圍和大小主要和隧道的埋設深度、地質條件以及卸載量大小和卸載時間控制有較大的關系[4-5]。隧道正上方加卸載不但對加卸荷載投影范圍內的隧道有影響，而且對投影范圍外一定區域內的隧道有影響，影響程度與加卸載投影范圍的距離成反比關系[6]。

因此其設計思路是根據時空效應的原理[7]，控制每次開挖的方量，便于快速施工，同時對坑底采取加固和設置抗拔樁提高坑底下土體的回填剛度。

基坑圍護形式為φ850@600 mm SMW工法樁，內插700 mm×300 mm×13 mm×24 mm H型鋼(隔一插一)。

擬采用的具體措施如下：

1)基坑小塊化。

基坑開挖對下臥隧道的影響，一次性開挖面積越大，開挖越深，從開挖到完成底板及壓載的時間也相應會越長，下方土體向上隆起引起的隧道變形就越大。將基坑分成小塊，分塊依次開挖施工，則每一塊施工所產生的隧道隆起變形量均較小，并且可以減少互相之間的變形累計疊加，最終對隧道的變形影響要小的多。

基坑分區太小，施工不便利，施工周期過長，如果分區過大，對下臥隧道區間的保護不利，需合理的確定分區的大小。將本節點基坑分為若干個小基坑，跳槽開挖施工，原則上分區基坑面積不大于50 m2。根據基坑與隧道的相對關系，上跨節點基坑由6道封堵墻分割成10個小倉進行施工，分塊如圖3所示。

第一步：由于側面基坑開挖對地鐵區間影響較正上方基坑開挖小，且正上方基坑底板與兩側底板及抗拔樁相連形成門字形框架可抑制地鐵上浮。先施工本工程位于地鐵區間兩側的基坑及管廊主體結構。待兩側管廊主體結構施工完畢并回填土方后再施工地鐵區間頂的管廊部分。

第二步：施工地鐵區間節點的圍護樁及基坑內外土體加固，加固深度原則在地鐵區間管頂1 m以上。

第三步：邊開挖邊架設支撐。先一次性整體開挖2.5 m深范圍，然后停止開挖。

第四步：縱向跳槽分段開挖余下土方，首先開挖基坑1、基坑6范圍的土方，開挖至底標高后，施工該部分的底板及側墻。

第五步～第十步：按照平面劃分施工順序(2-2)→(4-1)→(2-1)→(4-2)→(3-2)→(5-1)→(3-1)→(5-2)開挖余下土方，開挖至底標高后，施工底板及側墻,及時堆載以控制地鐵變形,然后按照正常流程施工頂板及其余步驟。

封堵墻形式與基坑圍護形式相同，采用SMW工法樁而不是采用灌注樁，主要是考慮到在限時內H型鋼割除較灌注樁破除處理施工便捷快速的多，同時其施工擾動相對也較小。

2)減少坑底暴露時間。

開挖并完成結構底板澆筑的時間越短，則變形的影響相對越小。由于基坑開挖會對正在運行的隧道區間造成很大的風險，極有可能會造成重大的事故。因此，對基坑的開挖選擇在軌道交通停運時段(約6 h)進行，對開挖的時間予以了嚴格的控制。根據工序要求，按計劃在停運7.5 h內完成施工，分塊各工序時間分配見表2。

表2 分塊施工工序時間分配

為減少坑底暴露時間，施工中可采用以下措施：

a.事先預制混凝土墊塊，采用混凝土墊塊代替墊層，直接在上面綁扎鋼筋。

b.提前對鋼筋放樣，分塊底板鋼筋籠在開挖前事先在場地外綁扎完畢，并在開挖前，在規定的空間內吊裝預演。待墊層鋪設完畢后整體直接吊放至坑內，節省底板鋼筋施工時間。

c.防水卷材采用丁基橡膠高分子自粘卷材，基坑開挖到底，墊塊鋪砌完成黃沙調平后施工防水層，施工方便快捷效果好。

d.做好各工序流程的統籌安排，提前做好樁基、防水等驗收準備、混凝土泵車預先就位，以確保限時分塊土方開挖及底板施工的順利完成。

3)設置坑內外土體加固。

對基坑底部及地鐵區間周邊土體進行加固，可以改善土體特性，增大地基土抗變形能力，進而減小地鐵區間的變形。加固原則為隧道上方加固覆蓋坑底以下0.25H～0.45H(H為基坑開挖深度)強回彈區[8]范圍；隧道側邊采用門式加固，加固體與抗隆沉工程樁結合為一體，以進一步提升整體剛度及抗變形能力，側邊加固涵蓋2.0H～2.5H回彈區[8]深度范圍。

隧道上方加固深度從坑底往下4.27 m，加固至距隧道頂1.0 m處，坑底以下加固深度約為0.74H，采用MJS旋噴樁加固；考慮到MJS加固后強度較高，不便于土方開挖，開挖范圍內不采用加固措施。兩側門式加固及H型鋼插入深度水平向距離隧道1.0 m，加固深度至坑底以下13.5 m，覆蓋回彈區范圍，加固采用φ850 mm三軸攪拌樁，采取微擾動施工工藝。

隧道上方采用MJS加固，主要是考慮到MJS加固后強度比較高，能增強隧道的抗變形能力。如果采用三軸攪拌樁，施工設備比較重，隧道正上方施工對隧道影響比較大，且加固體強度較MJS要低很多。隧道側邊加固采用三軸攪拌樁加固，主要是考慮到MJS在隧道側邊施工，堵管對隧道區間的風險較大，施工擾動難控制，相較MJS旋噴樁加固三軸攪拌樁加固也更經濟。

跨越盾構的管廊基坑采用全封閉式加固，不設降水井，避免基坑降水對地鐵盾構產生不利影響，加固斷面見圖4。

4)坑底設置抗拔樁。

隧道兩側的隔離樁，能有效抑制地鐵區間分塊開挖時的隆起變形；同時也利用SMW工法樁圍護(隧道兩側的隔離樁)內的H型鋼，割除底板開挖面以上的H型鋼后，與現澆混凝土底板的鋼筋進行焊接，形成整體待混凝土形成強度后，可減小后續工況底板進一步的隆起變形。

5)及時堆載。

加入早強劑的作用，底板澆筑8 h后達到終凝指標。將提前準備好的砂袋對分塊底板進行壓載。每一分塊底板澆筑完畢都進行了不同程度的堆載。

6)加強施工監測。

除采取有效的基坑支護措施和切實可靠的施工措施外，整個施工過程必須對周圍環境及地鐵區間進行嚴密的監測，實行監控信息化管理，根據監測數據必要時進行底板配重復載。

7)應急預案。

基坑施工期間，特別是開挖階段，加強隧道的監測，對出現問題及時進行分析并采取措施；現場儲備足夠的應急材料，主要是袋裝砂等回壓材料。地鐵盾構區間產生較明顯的變形，則立即向基坑內堆載事先準備好的砂袋配重，直至盾構區間變形穩定。

4 數值模擬分析

為了分析本方案對隧道區間的影響，采用Midas/GTS建立三維模型進行分析，地基各土層采用彈塑性D-P模型，參數見表1，鋼和混凝土本構關系采用整體式的理想彈性模型，參數見表3。

表3 混凝土和鋼筋計算參數

模型尺寸80 m×40 m×38 m，有限元模型如圖5所示。

分析表明，隨著分塊開挖的進行，下臥隧道回彈漸趨明顯，隨著開挖的逐漸擴大，下臥區間最大豎向變形為3.5 mm。最終隧道結構豎向變形見圖6。

5 結語

本文結合工程實例，研究了綜合管廊上跨既有軌道交通盾構區間的設計方案及保護措施，并建立三維有限元模型計算，結果表明基于“時空效益”原理，通過對土體分層、分塊開挖將土體化大為小減少每次小范圍的卸載，并要求限時作業以盡可能減少欠載時間，并輔以土體進行加固改良、設置抗拔樁等措施，既有隧道的最終變形滿足控制要求，證明保護措施合理有效，可供類似工程參考。