地鐵隧道變形控制門架式保護方案研究

彭 琦

(深圳市市政設計研究院有限公司，518029，深圳∥高級工程師)

臨近地鐵的工程項目施工，不可避免地會對已建地鐵結構設施的安全和運營產生影響[1-5]。在地鐵隧道上方開挖基坑，開挖卸荷引起坑底地層回彈變形，亦會造成下方地鐵隧道結構的隆起變形。大面積的基坑開挖引起隧道隆起變形現象更加突出，一方面因為基坑開挖帶來的大范圍卸荷，引起地層和隧道產生較大隆起變形；另一方面會造成基坑底部地層擾動，地層力學指標降低，加劇隆起變形。目前，研究主要集中在理論分析、數值模擬計算和工程措施等方面。文獻[6-8]采用數值模擬方法，對基坑開挖引起臨近既有隧道變形的影響規律、影響因素等進行了系統研究，并提出了改進計算方法，提高了計算的準確度；文獻[9-10]結合具體工程案例，針對既有地鐵隧道正上方基坑開挖引起的變形控制措施進行了深入分析。一般而言，分段、分層、分步開挖，減小卸荷面積和強度，加固隧道上方土體等措施可有效減小下方隧道的隆起變形。對于地層條件差、開挖深度深、基坑底部與隧道間的夾土厚度薄、隧道隆起變形控制難度高的情況，地鐵隧道門架式保護方案是有效的控制措施[10]。

本文以深圳市前海市政工程雙界河水廊道工程為例，采用數值模擬、現場監測等方法，系統地分析了地鐵隧道門架式保護方案在工程中的運用，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

雙界河水廊道工程位于深圳市前海合作區，該工程的實施實現了河道防洪、水質提升、生態景觀建設等目標。雙界河水廊道工程將現狀雙界河主槽向南偏移35 m，主槽寬度為30～35 m，堤距為155～263 m，主槽開挖段地面平均高程為4.33 m，地下水平均高程約1.58 m，平均開挖深度約6.70 m。已建深圳地鐵1號線(以下簡為“1號線”)、5號線，前海車輛段左、右出入線，11號線與雙界河水廊道存在交叉關系，見圖1。交叉區段內1號線隧道頂板高程約-8.0 m，5號線隧道頂板的平均高程約-6.3 m，11號線隧道頂板高程約-11.0 m。雙界河水廊道工程部分開挖區段位于地鐵隧道結構的正上方，位置敏感，工程難度和風險較大[11]。

圖1 雙界河水廊道工程與地鐵線路平面位置關系圖

雙界河水廊道工程場地內自上而下分布的巖土層如下：① 雜填土，局部分布，層厚約3.20 m；② 填石層，以塊石為主，其間隙充填礫質黏性土、砂土或碎石土，平均厚度約5.17 m；③ 軟土，其性質基本上同濱海相淤泥，平均厚度約3.5 m，原位十字板剪切試驗強度平均值為8.9 kPa；④ 淤泥質土，局部分布，平均厚度為1.87 m，標貫平均擊數為4.5擊；⑤ 殘積土層，場地內分布廣泛、連續，為花崗巖風化殘積而成，平均厚度為5.46 m，標貫平均擊數為14.3擊；⑥ 下伏基巖地層，分布廣泛且連續穩定，基巖多已風化為全風化巖、強風化巖、弱風化巖和微風化巖，風化較強烈，風化帶較厚[11]。

地鐵隧道主要位于淤泥質土和殘積土層中。

2 地鐵隧道門架式保護設計方案

1號線、5號線及前海車輛段左出入線同本工程水廊道平面上存在交叉關系，交叉段開挖深度為3～7 m。

地鐵隧道采用盾構法施工，管片直徑為6.0 m，厚0.3 m。地鐵隧道采用門架式結構的整體保護方案。如圖2～3所示，以1號線保護區段為例，地鐵隧道兩側打設截水旋噴樁。旋噴樁樁徑為800 mm，樁間距為650 mm，樁長為6 m；實施井點降水，井深11 m。本工程實施分期、分段施工，分段長度為10 m。首先進行第1層土體開挖，再放坡開挖第2層土體至標高1.0 m上，形成臨時施工平臺；在兩隧道兩側3.5 m范圍外共打設3排鉆孔灌注樁(樁頂標高約-2.0 m)，灌注樁樁徑為1.2 m、間距為4 m、樁長為16 m，樁體起抗拔作用；對標高-2.0 m以下隧道上部土體進行注漿加固；放坡開挖至主槽底設計標高(約為-2.0 m)處時，在灌注樁樁頂澆筑鋼筋混凝土蓋板，灌注樁與蓋板澆筑固結，形成門架式結構，以減小隆起變形；最后進行大范圍的平層開挖，完成雙界河水廊道斷面范圍內的土體開挖[11]。

注：除標高以m計外，其余單位均為mm，圖3同。

圖3 地鐵隧道門架式保護結構縱斷面Fig.3 Profile-section of metro tunnel door protection structure

3 地鐵隧道門架式保護方案數值分析

為了全面分析雙界河水廊道工程土方施工對地鐵隧道結構的影響，以1號線保護區段為例，采用數值模擬方法，分別對門架式護方案、注漿加固保護方案和不采取加固保護方案等3種方案下地鐵隧道和巖土體的應力、變形進行了模擬，并對比分析了地鐵隧道變形及其分布特征。

3.1 基坑開挖流程

門架式加固保護方案、注漿加固保護方案和未采取加固保護方案3種方案下土層開挖都為由高到低逐層開挖。為了保證對比分析的可靠性，3種方案的分級逐層開挖方式都一致，僅在具體加固保護步驟不同。根據實際的施工步驟，首先進行第1層土的開挖，土體厚約1.5 m；再放坡開挖第2層土，第2層土開挖完成后,根據門架式加固保護方案需進行注漿和抗拔樁施工；而后進行基坑下層土體的放坡開挖，最后進行平層開挖至設計高程。每次開挖步完成后，進行收斂計算來模擬該開挖過程土體的應力釋放和變形過程，然后進入下一個開挖步計算[12-14]。

3.2 模型的建立

以1號線保護區段為例，采用FLAC3D巖土數值計算軟件對模型進行計算分析。巖土體物理力學參數參考地勘資料和《工程地質手冊》，并結合工程經驗選取，見表1。

表1 1號線保護區段巖土體物理力學參數

土體開挖的降水過程通過model flnull單元來實現，抗拔樁通過FLAC3D自帶的pile單元來模擬；隧道盾構管片和蓋板結構通過實體單元來模擬，彈性模量取25 GPa。模型邊界采用法向位移約束，地面為自由面。在基坑開挖過程加載模擬中，巖土體均采用彈塑性本構模型Mohr-Coulomb屈服準則。

以門架式保護方案為例，整個數值模擬流程可以分為以下5個步驟：① 建立1號線隧道結構模型，并進行開挖施工；② 雙界河水廊道淺層第1層土的開挖；③ 雙界河水廊道淺層第2層土的開挖；④ 門架式結構施工與土體開挖；⑤ 完成雙界河水廊道開挖和支護工程。

3.3 基坑開挖過程數值模擬分析

以門架式保護方案模擬為例，建立1號線隧道結構模型，再按照實際施工流程進行雙界河水廊道基坑開挖施工模擬。

3.3.1 基坑淺層土體開挖模擬

雙界河水廊道淺層(第1～2層)土體開挖至注漿施工平臺，開挖土體厚約3.33 m。開挖前，先降水后開挖。開挖時，首先進行平層開挖，然后進行放坡開挖，開挖土體主要為填石。基坑底板距離隧道結構約7 m，且此階段土體開挖未采取加固措施。通過模擬分析，基坑底板的回彈變形為10.63 mm，引起的隧道結構的最大隆起變形為7.45 mm。

3.3.2 門架式結構施工和基坑土體開挖模擬

開挖至注漿施工平臺后，進行隧道上部土層的注漿加固和抗拔樁的施工；開挖至蓋板處后，再進行蓋板的施工。該施工步完成后隧道結構的隆起變形為9.40 mm。

3.3.3 基坑大范圍平層土體開挖模擬

大范圍平層開挖為基坑土體開挖的最后一個施工步，此階段需進行基坑兩側放坡坡體的大范圍開挖卸荷施工。基坑土體開挖完成后，隧道結構的累積隆起變形為9.86 mm。這得益于平層土體開挖卸荷引起的隧道結構變形本身就較小，以及門架式結構和注漿土體的抗隆起變形能力。

3.3.4 抗拔樁加長前后對比分析

門架式加固保護方案設計樁長為19 m；而對比方案中擬增加樁長5 m，樁長達到24 m。對兩種樁長下地鐵隧道的隆起變形進行了比較分析。增加樁長后，地鐵隧道結構的最終變形為9.48 mm，相比未增加樁長時減小了約0.38 mm，效果不明顯，綜合效益不高。

3.4 地鐵隧道保護方案對比分析

圖4為3種方案下地鐵隧道隆起變形對比。主要表現的現象和特征有：

1) 采用加固措施后，地鐵隧道隆起得到了抑制，變形明顯減小，尤其是采用門架式加固保護方案后，地鐵隧道隆起變形控制在10 mm以內，滿足地鐵保護區的要求。

2) 相比另外兩種方案，門架式加固保護方案實施后，地鐵隧道及臨近巖土體隆起變形明顯比兩側變形小。說明該方案有效減小了地層和隧道的變形，驗證了方案的有效性和合理性。

圖4 3種施工方案下地鐵隧道隆起變形對比圖

4 地鐵隧道現場監測與數值模擬對比分析

為實時監測基坑開挖時地鐵隧道結構的變形，獲取隧道結構的安全狀況，在隧道內進行了自動化監測，主要對開挖影響區域內進行了斷面變形監測。1號線保護區段監測平面布置和監測斷面測點布置見圖5～6，每條隧道每10 m布置1個監測斷面，每個監測斷面布置5個監測點。

注：S1—S8為監測斷面。圖5 1號線保護區段監測平面布置圖Fig.5 Layout of Line 1 protection section monitoring plan

注：R為曲線半徑，單位為mm。圖6 1號線保護區段隧道斷面測點布置圖

采取門架式加固保護方案后，對圖7和表2中地鐵隧道的現場監測結果和數值模擬結果對比發現，其數值模擬結果與現場監測結果吻合度較高。基坑淺層土體開挖過程中，由于卸荷范圍和卸荷強度較大，且對下方隧道未采取相關的加固保護措施，該階段地鐵隧道隆起變形較大；進行土體加固和門架式結構施工后，地鐵隧道現場監測數據為7.80 mm，比數值模擬結果小，隧道隆起變形得到明顯控制，滿足地鐵保護區隧道結構安全的相關規定。

圖7 地鐵隧道拱頂隆起現場監測數據與數值計算數據對比圖

表3 1號線隧道現場監測數據統計表

5 結論

1) 相比注漿加固保護方案和未采取加固保護方案，門架式保護方案對地鐵隧道變形的控制針對性更強，效果更加明顯，安全保護性更可靠。

2) 門架式保護結構中抗拔樁加長到一定程度后，繼續增加樁長對控制地鐵隧道變形的效果不明顯，綜合效益不高。

3) 后續需根據不同地質條件、不同隧道型式等因素，深入分析門架式保護結構的型式及其相關參數，以指導設計施工。