中穿基坑運營地鐵結(jié)構(gòu)變形控制措施研究

李更召， 陳濤， 紀海東， 張敏， 盧川

（天津市勘察設計院集團有限公司，天津 300191）

0 引言

城市建設快速發(fā)展，市區(qū)人口分布較為密集，伴隨著城市發(fā)展的同時，對有限空間的基礎建設提出了更高的要求，軌道交通的建設緩解了城市交通的壓力，同時也在一定程度上減輕了地面交通不足帶給人們的困擾，目前，天津軌道交通開通運營線路共7條，運營里程達265km，運營車站164座，城市空間的限制造成了部分工程不可避免的鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的保護區(qū)范圍[1-3]，甚至存在零距離接觸的情況，基坑土體的開挖卸荷可能會引起地鐵結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)的改變[4，5]，使得地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變形，從而在一定程度上可能會對軌道交通線路的正常運營產(chǎn)生影響，此時，在工程施工過程中，對地鐵結(jié)構(gòu)變形控制的研究就顯得尤為重要[6-9]，在變形的動態(tài)監(jiān)測過程中，為現(xiàn)場施工提供指導的同時，也為地鐵線路的運營提供保障。

針對施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的變形控制，許多學者進行了相關研究。陳仁朋等[10]通過數(shù)值模擬對基坑開挖過程中地鐵隧道受到的影響及控制措施進行研究，總結(jié)了上方和側(cè)面開挖時隧道結(jié)構(gòu)變形的不同控制措施。龍宏德等[11]以深圳某工程為例，對地鐵隧道上方的長距離并行基坑施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的變形進行研究，提出了基坑分段開挖、控制開挖長度等控制地鐵結(jié)構(gòu)變形的措施。李鵬等[12]對基坑開挖過程中下臥地鐵結(jié)構(gòu)的回彈變形進行研究，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，提出了科學降水、隧道內(nèi)采用壓重與縱向聯(lián)結(jié)等措施以控制地鐵隧道的變形。濮居一等[13]采用有限元方法，通過土體加固對基坑開挖過程中地鐵隧道的變形進行研究，提出了基坑土體平面滿堂加固及豎向分層加固措施能夠?qū)刂频罔F隧道的變形起到很好的作用。羅鑫等[14]以武漢某鄰近地鐵基坑工程為例，采用兩階段法結(jié)合數(shù)據(jù)模擬，對不同工況下隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形進行研究，分析得出，壓力注漿＋水泥土攪拌樁的加固措施能夠很好控制地鐵結(jié)構(gòu)的隆起及收斂變形。

文中以天津某地鐵保護特級風險施工項目為研究對象，其特級風險體現(xiàn)于基坑與地鐵圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)貼建，為“零距離”接觸，對基坑施工要求非常高，對施工過程中運營地鐵結(jié)構(gòu)的變形進行監(jiān)測，并提出科學合理的變形控制措施。

1 工程概況

天津市區(qū)某深基坑工程，工程整體分4期實施，基坑與車站及隧道區(qū)間圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)貼建，部分共用地鐵地連墻，為超深基坑，各期開挖深度見表1。第三方評估風險等級為特級，施工難度大。總建筑面積43.6萬m2。是天津首例在軟地區(qū)與時速60km/h運營地鐵結(jié)建上蓋的站城一體化綜合體，臨近地鐵車站主體（長度189m，地下3層），盾構(gòu)區(qū)間（雙線隧道，埋深18m），盾構(gòu)區(qū)間上方地下室（長度100m，地下兩層）。目前北運河站現(xiàn)狀為過站運營，基坑與地鐵平面相對關系見圖1。項目原規(guī)劃是與中間地鐵結(jié)構(gòu)同期建設，因故項目停滯，地鐵先期施工完成并通車，給項目施工增大了難度?？紤]到項目后續(xù)施工時可能會引起先期建設的地鐵結(jié)構(gòu)變形，在地鐵設計施工時預留了保護措施，項目自身的基坑設計施工時也預留了相應的加強措施，采取的各項措施在文中進行簡單介紹，預留措施不能緊隨項目施工進度進行動態(tài)調(diào)整，對地鐵結(jié)構(gòu)變形控制的數(shù)據(jù)不易量化，故文中不做預留保護措施對地鐵變形影響的詳細描述。

表1 各期開挖深度

圖1 基坑與地鐵平面相對位置

2期基坑圍護結(jié)構(gòu)為：地下連續(xù)墻+兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，局部設置三道支撐的支護形式；3期基坑圍護結(jié)構(gòu)為：鉆孔灌注樁支護+兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐。施工先后順序：1期→2期和3期→3A期和3B期→4期。文中所涉及的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映2期和3期土方開挖過程中地鐵變形情況，1期基坑已經(jīng)施工完畢正在進行地上結(jié)構(gòu)施工；3A期和3B期、4期暫未施工，其相互位置剖面關系見圖2。

圖2 各期與地鐵結(jié)構(gòu)剖面位置關系

2 監(jiān)測方案

項目監(jiān)測2、3期、3A、3B期統(tǒng)一布點，統(tǒng)一監(jiān)測，監(jiān)測范圍為基坑所對應地鐵里程向兩側(cè)各延伸50m（3倍基坑開挖深度影響區(qū)域），共計監(jiān)測范圍為402m。地鐵的上行線靠近3期，下行線靠近2期。車站區(qū)域監(jiān)測斷面間隔為10m，隧道區(qū)域加密監(jiān)測斷面間隔為5m（S25-S46，X25-X46），每個斷面都布置了豎向、水平、收斂等監(jiān)測點，具體監(jiān)測斷面布置如圖3所示。

圖3 斷面測點布置圖（單位：m）

現(xiàn)場監(jiān)測為自動化監(jiān)測系統(tǒng)和人工測量復核相結(jié)合，組成一體化智能監(jiān)測系統(tǒng)。采用兩套自動化監(jiān)測系統(tǒng)：靜力水準測量自動化監(jiān)測系統(tǒng)和測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)（GeoRobot Deformation Monitoring Automatic System），人工監(jiān)測頻率為2～3次/周。運營期間人員無法進入地鐵內(nèi)部進行巡視，在地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝了高清PTZ攝像機，用來做實時病害巡視。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)項目需求進行選擇本構(gòu)模型，計算土體選取HSS本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型模擬。

3.1 計算模型概況

計算采用巖土有限元分析軟件PLAXIS3D建立整體三維有限元模型進行計算分析。模型以北運河地鐵站及其站端隧道走向為Y軸，其垂直方向為X軸，豎直方向為Z軸，為消除模型邊界效應，X軸方向取480m，Y軸方向取510m，Z軸方向取60m。模型計算采用10節(jié)點四面體單元，共劃分單元521934個，節(jié)點754700個?？傆嬎隳Ｐ鸵妶D4。

圖4 總計算模型

3.2 計算假設

有限元數(shù)值模擬基于一定的假設和模型簡化進行的，假定如下：

（1）認為各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。

（2）采用接觸面的模擬方法模擬結(jié)構(gòu)與土的相互作用，通過采用結(jié)構(gòu)面材料強度折減的方法模擬土體和結(jié)構(gòu)相關結(jié)構(gòu)的力學行為。

（3）假定隧道結(jié)構(gòu)在計算域內(nèi)沿直線水平延伸。

（4）計算考慮了基坑開挖過程中地下水的抽降過程，計算中主要采用改變坑內(nèi)外水頭的計算方法模擬基坑降水過程中坑內(nèi)外水壓力變化對變形的影響。

（5）計算考慮將鉆孔灌注樁等效為抗彎剛度相同的地下連續(xù)墻。

3.3 模型邊界條件

模型的邊界條件如下：模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個方向均約束；模型4個側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

3.4 模擬結(jié)果分析

因基坑開挖面積較大，且基坑貼建地鐵地鐵車站及隧道，大面積開挖產(chǎn)生的卸荷效應顯著，導致坑外土體產(chǎn)生上浮趨勢，在土體變形傳遞效應的影響下地鐵產(chǎn)生較大的上浮。

2、3期基坑開挖結(jié)束后的地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖5、圖6所示。開挖后地鐵隧道及車站周邊土應力分布受到擾動，發(fā)生不均勻變形，北運河地鐵站體及隧道最大豎向位移發(fā)生在車站與隧道結(jié)合部位地下2層結(jié)構(gòu)的下行線，為隆起變形。根據(jù)計算結(jié)果，隧道最大豎向變形12.8mm（上?。蚰蟼?cè)逐漸減小；車站主體最大豎向變形16mm（隆起），向北側(cè)逐漸減小。表明在基坑開挖影響下，地鐵隧道與車站站體均存在豎向變形，車站站體局部隆起量大于隧道。

圖5 基坑開挖完成后隧道豎向位移變化值云圖

圖6 基坑開挖完成后車站主體結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖

兩側(cè)基坑開挖卸載后，地鐵周圍土體應力二次分布，地鐵車站及隧道在附加應力作用下產(chǎn)生變形。由于地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)開挖深度不同，使得地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體的應力路徑不同。2期基坑開挖較深，所以在地下2層地鐵結(jié)構(gòu)下行線的隆起較大。

若不采取措施，基坑及隧道變形將可能超過控制值。為確保基坑施工期間隧道的結(jié)構(gòu)和施工安全，根據(jù)結(jié)構(gòu)施工實際情況，綜合考慮預測變形、極限變形，建議采取一定的預處理及應急措施，以控制基坑施工對地鐵的影響。

4 采取的地鐵保護措施及變形控制措施

4.1 地鐵預留措施

（1）圍護結(jié)構(gòu)及止水帷幕：車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用1000～1200mm地下連續(xù)墻，墻長42.5～44m，地下3層車站；站端盾構(gòu)隧道區(qū)間外側(cè)采用1000mm地下連續(xù)墻，長29m，以滿足地塊基坑利用地鐵圍護墻支護。站端盾構(gòu)隧道區(qū)間外側(cè)采用850mm三軸攪拌樁，樁頂標高-12.493m，有效樁長15.25mm，有效隔斷⑨2粉砂層，以滿足后期地塊基坑止水帷幕封閉要求。

（2）盾構(gòu)區(qū)間上方2層地下室先期代建：地下2層建筑位于隧道之上，在其下方設置700mm鉆孔灌注樁，有效樁長40m。

（3）主體柱網(wǎng)：車站設計時中已經(jīng)考慮后期商業(yè)開發(fā)擴建工程，設計過程中，裙房柱網(wǎng)與車站柱網(wǎng)對齊，并預留上蓋物業(yè)柱子插筋；車站結(jié)構(gòu)計算采用空間計算與平面框架受力分析計算相結(jié)合的方式，并已經(jīng)預留了車站與周邊地塊連通門洞，在側(cè)墻墻頂設置過梁。

（4）工程樁及抗拔樁：地鐵車站主體結(jié)構(gòu)下設置大量工程樁、抗拔樁，采用1000mm鉆孔灌注樁，樁長30m，樁間距約為3.85～6m，在滿足結(jié)構(gòu)受壓、抗浮要求前提下，減小后期鄰近施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

4.2 基坑加強措施

（1）圍護及支撐加強：2A、3A期基坑深11.8m，采用800～1200mm鉆孔灌注樁，豎向設置兩道鋼筋混凝土支撐；2B、3B期基坑深15.5～17.1m，采用1000mm厚地連墻，豎向設置三道支撐?；炷林尾捎梦⑴蛎浕炷练忾]?？紤]1期結(jié)構(gòu)已完成，2期基坑首道支撐設置加強板帶，如圖7所示。

圖7 加強板帶位置

（2）對稱開挖。平面上：車站左右兩側(cè)基坑對稱開挖，2A、2B同期實施，3A、3B同期實施。立面上：左右兩側(cè)11.8m對稱開挖，B期基坑待A期基坑底板完成后，方可繼續(xù)往下開挖。

（3）連接部位局部加強。如圖8所示，局部加強措施：①內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻：南北側(cè)車站與支護結(jié)構(gòu)連接部位、盾構(gòu)隧道與車站分界處設置內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻（π型），增加圍護剛度，并進行留土護壁。②連接處圍護樁加強：地鐵西側(cè)增大灌注樁樁徑以及樁長，地鐵東側(cè)增加地連墻厚度以及墻長。

圖8 連接部位局部加強位置

（4）止水帷幕加強。如圖9所示，止水帷幕加強措施：①基坑止水帷幕封閉。采用800厚CSM水泥土攪拌墻隔斷第一層承壓含水層；②端頭止水帷幕加長。為防止降水對南北兩側(cè)基坑外側(cè)地鐵結(jié)構(gòu)影響，南北兩側(cè)區(qū)域止水帷幕加長；③連接處MJS止水。在基坑止水帷幕與地鐵車站及隧道止水帷幕連接處，施做1800MJS超高壓旋噴樁封堵，確保接縫止水效果。

圖9 止水帷幕加強位置

4.3 施工過程地鐵變形控制措施

土方開挖采用島式開挖方式，豎向分層、平面分塊，按照“分層、對稱、平衡、限時”開挖原則，以控制基坑變形為主，減小基坑開挖對地鐵站體及軌道區(qū)間影響。2019年12月14日開挖第一步土方，各步土方開挖概況如表2所示。

表2 土方開挖一覽

土方開挖過程中，地鐵變形主要表現(xiàn)上浮。在開挖第二步土過程中，地鐵上浮速率接近0.2mm/d，啟動坑內(nèi)動態(tài)控制地下水，降低水頭高度。在第三步土開挖接近完畢時，鑒于地鐵隆起（6.16mm），為保證后續(xù)土方開挖的順利進行，在地鐵上蓋結(jié)構(gòu)回填反壓，通過施加荷載控制地鐵上浮。

（1）坑內(nèi)動態(tài)調(diào)整地下水水頭高度。在第二步土開挖過程中，地鐵地鐵上浮明顯，速率加大。在2020年5月6日啟動坑內(nèi)動態(tài)控制地下水，降低水頭高度2m。

（2）地鐵上蓋回填反壓。具體措施：①在地鐵結(jié)構(gòu)受開挖影響區(qū)域范圍內(nèi)采用填砂堆載反壓減緩隆起方案基本可行；②根據(jù)原地鐵結(jié)構(gòu)設計要求：堆載反壓時嚴格控制堆載高度，站體最大堆載高度3m，區(qū)間最大堆載高度1.8m；③先期整體堆載1m，后續(xù)根據(jù)地鐵變形監(jiān)測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整堆載加壓時間、位置和施工步序；④堆載反壓及后期卸荷過程中需注意對已有主體結(jié)構(gòu)成品保護。

第一次反壓，2020年6月6日～2020年6月8日對地鐵站體及盾構(gòu)區(qū)間采取回填反壓措施，盾構(gòu)區(qū)間回填中砂，厚度2.3m，共約2070m3站體回填土厚度約1.2m，約4560m3第二次反壓，2020年6月24日～2020年6月30日對地鐵采取二次加載措施，隧道區(qū)間回填土厚度約1.8m，共約6840m3站體施加工字鋼加載，計劃約3000t；站體回填土厚度約6m，共約3900m3。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在整個施工期間，地鐵結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的上浮。土方開挖完成后最大上浮點位為上行線S25斷面（10.72mm），未超過有限元模擬的最大豎向變形16mm，與有限元模擬豎向位移最大位置吻合。如圖10所示，2020年5月7日采取的降低坑內(nèi)地下水水頭高度、2020年6月6日第一次回填反壓、2020年6月24日第二次反壓地鐵上蓋回填反壓措施后，對地鐵上浮的趨勢有明顯的抑制，尤其是第二次上蓋反壓后，地鐵未再出現(xiàn)持續(xù)速率較大的上浮趨勢。

圖10 最大變形點位S25上浮累計變化量時程折線

隧道上方回填壓載為25kPa，車站站體上方回填壓載60kPa，站體端頭24～25斷面區(qū)域壓載達3000t，較其它部位壓載量要大。由圖11也可以看出，模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)整體趨勢較吻合，驗證了模型的準確性。在壓載量最大的車站端頭位置，兩者數(shù)據(jù)偏差最大，向兩側(cè)延伸，模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)較為接近，直觀顯示出地鐵結(jié)構(gòu)上部壓載對控制地鐵豎向變形作用明顯。

圖11 土方開挖完畢地鐵縱向變形曲線與實測對比

有限元模擬結(jié)果地鐵結(jié)構(gòu)最大上升位置在靠近2期的下行線端頭，實際測量結(jié)果是出現(xiàn)在靠近3期的上行線端頭位置，該結(jié)果的出現(xiàn)可能與2期北側(cè)坑底預留5000m3反壓土有關，這部分反壓土在其它區(qū)域底板施工完畢后有序開挖清理。其它監(jiān)測指標未出現(xiàn)大的變化，其中地鐵上下行線的結(jié)構(gòu)水平位移有整體朝向2期位移的趨勢，水平位移最大變形值為5mm，出現(xiàn)在下行線X40斷面，與基坑監(jiān)測的圍護結(jié)構(gòu)水平位移變形趨勢一致；地鐵結(jié)構(gòu)軌向的差異沉降最大為1.83mm，出現(xiàn)在下行線X46和X47之間；盾構(gòu)區(qū)間上部回填反壓后，反壓區(qū)域隧道（斷面26～斷面46）的水平直徑普遍增大，最大變化值為3.2mm，出現(xiàn)在下行線X35斷面位置。

6 結(jié)語

在工程2、3期施工過程采取的各項措施聯(lián)合作用下，有效的控制了地鐵結(jié)構(gòu)的上浮，上浮量未超過報警值。在整個施工過程中，地鐵結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫、漏水等明顯病害，未影響地鐵線路正常運營，并得出如下結(jié)論：

（1）兩側(cè)貼建基坑挖土卸載引起地鐵結(jié)構(gòu)反應較快，開挖卸荷后立刻引起地鐵結(jié)構(gòu)變形。

（2）采取降低基坑內(nèi)承壓水水頭高度，對抑制地鐵結(jié)構(gòu)上浮有較明顯效果，但隨著進一步開挖卸荷，效果漸弱。地鐵上蓋回填反壓，對抑制地鐵結(jié)構(gòu)上浮作用明顯，但會引起盾構(gòu)隧道收斂，建議回填反壓前做好模擬計算工作。

（3）通過施工過程中的地鐵變形動態(tài)監(jiān)測，合理指導現(xiàn)場施工工序，并適時采取相應變形控制措施，保障地鐵正常運營，總結(jié)形成一體化綜合體施工成套技術，為類似工程提供參考。