某城市地鐵近接工程服役結構風險分析與控制*

游正軍,李彥錦,余群舟,覃文波

(1.武漢地鐵集團有限公司,湖北 武漢 430070; 2.華中科技大學國家數字建造技術創新中心,湖北 武漢 430074; 3.華中科技大學土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

現代城市建設并非簡單地在二維平面內進行延展,而是在三維空間內不斷延伸[1]。近年來隨著城市不斷發展建設,地面以及地下基礎設施愈加完善,分布愈加密集。這雖然為居民生活提供了便利,但在后期建設過程中卻會不可避免地出現更多的近接工程。如何控制近接工程中的服役結構風險已經成為地鐵建設的關鍵問題[2]。

在城市環境中,受到近接施工影響的服役結構大致可分為兩類。一類是位于地面的地上基礎設施,如道路、鐵路、橋梁[3]、建(構)筑物[4]等。一類是位于土體內部的地下基礎設施,如地下管廊[5]、既有地鐵線路及車站[6-7]、地下停車場、同一項目中的先期工程等。近接施工的形式則有上跨、臨近、下穿3種[8-9]。不同的近接形式、不同的影響對象、不同的施工方法,其對應的風險與控制措施都有所差別。

在施工過程中,近接范圍內的服役結構一方面會受到的土體內部受力變化帶來的影響[7],另一方面也有可能直接受到施工作業的破壞。在兩方面的綜合作用下,現有服役結構可能出現沉降、變形、位移、破壞等現象。為了控制近接施工對既有服役結構的影響,工程實踐中出現大量的應對措施[10-12],如圍護隔離、注漿加固、支撐拉結、全自動監測等。

近接施工是當下城市地下軌道交通建設過程中越來越不可避免的工況。本文結合某城市在建的119處地鐵近接工程,匯總工程概況,總結近接工程形式與特點,分析不同工況下的相應控制措施。總體情況如表1和圖1所示。

圖1 某城市地鐵在建近接工程情況統計Fig.1 Statistics of a city’s proximate subway projects which are under construction

表1 某城市地鐵在建近接工程概況Table 1 Situation of a city’s proximate subway projects which are under construction

1 地鐵近接工程

1.1 上跨施工

上跨施工的作業面在既有結構的上方。對既有服役結構的影響主要是來源于施工過程中上部土體荷載的變化。土體卸載使結構周圍和結構內部的受力情況發生變化,結構受力不平衡就易導致既有結構的位移,特別是既有隧道管片的上浮變形。

上跨施工工況大部分出現在明挖基坑工程中,偶爾也有盾構上跨既有線路的情況。

1.2 臨近施工

臨近施工主要指施工作業面和既有結構基本位于同一高度內的工況。由于距離較近,施工過程中的土體擾動可能對既有結構產生沉降、位移等不利影響。對于距離極近的情況,施工過程中的振動和受力也可能直接作用于既有結構,從而造成其變形與破壞。

臨近施工在工程中較為普遍,在明挖法、礦山法、盾構法中均可能存在此種工況。

1.3 下穿施工

下穿施工的作業面在既有結構的下方。下方土體的變化會不可避免地影響到上方的既有建(構)筑物。土體擾動可能導致上方結構的不均勻沉降,進而使結構本身產生變形甚至破壞。需要注意的是,在既有結構的下方往往存在不同規模的群樁、基礎、地下連續墻等支撐圍護結構,這給下方的施工,尤其是近距離下穿施工帶來了極大的困難。

下穿施工主要施工方法包括盾構法和礦山法。雖然盾構法效率高,對周圍影響小,但在復雜工況下礦山法可以采取更加靈活的措施來解決問題,也是下穿施工常用的方法之一。

2 近接工程所涉服役結構

2.1 地上基礎設施

2.1.1地面路基

受近接施工影響的地面路基主要有鐵路路基和公路主干道。二者主要受到不均勻沉降的影響,鐵路運營線路列車速度快,載客或載重量較大,受軌道變化影響較大,因而其近接施工控制標準較為嚴格,如表2所示。對于鐵路而言,近接工程在鐵路安全保護區內作業可能影響運營線路的設備穩定、設備使用和行車安全。必要時需要施工主管部門與鐵路部門進行協商。近接公路干道時的施工控制要求則不及鐵路嚴格。

表2 軌道路基沉降控制標準Table 2 The settlement control standards of track subgrades

2.1.2橋梁

近接施工過程對橋梁的影響,主要作用于橋梁的承臺和樁基。地鐵施工過程中產生的土體擾動和土體固結沉降使得樁基及附近土體產生不均勻沉降,嚴重時會有負摩阻力出現,影響樁體承載力[13]。

施工作業面經過近接位置后,土體仍然存在持續的殘余變形。施工后的加固和圍護措施不到位也可能導致土層的彈塑性形變,誘發臨近樁基的附加變形和內力,嚴重時可能會導致樁基發生剪切破壞。

與路基相似,地鐵高架和鐵路橋梁對沉降的控制更加嚴格。

2.1.3建筑物

除道路和橋梁外,地上的其他各種建(構)筑物,如居民樓、市政場所、電力通信設施、車站碼頭等也會受到近接工程施工的影響。

在城市地鐵和基坑施工中,土層位移會使地基產生一定程度的變形。這種變形是既有結構的自重和土體擾動后應力重分布的附加應力一起作用于地基的結果[14]。

地下工程開挖不僅影響建筑物的地基部分,也與建筑物上部結構的變化息息相關,整體影響過程如圖2所示。

2.2 地下基礎設施

2.2.1管線箱涵

現代城市往往具有相當規模的地下管網,包括供(排)水管、煤(暖)氣管、工業管道、各類電纜等管線箱涵。過量沉降或局部不均勻沉降會導致管線受損甚至斷裂,帶來嚴重后果。不同用途的管線,其材質、連接方式、管徑等屬性一般不同,因而對沉降有不同的敏感度。對于內部不承受壓力的地下管線,如電力、通信等管道,對沉降變形的敏感度較小;對于內部存在壓力的管線,如給排水、供暖線路等則對沉降變形較為敏感,破損后果也更加嚴重。

2.2.2運營車站與線路

與其他地下結構相比,近接既有運營車站和線路的工程有兩個方面的顯著特征。首先是近接既有車站線路周邊環境相對復雜。一處明挖基坑臨近既有車站的工程如圖3所示,除了工程自身的墻體隔板及換乘通道外,既要考慮施工對已有車站抗拔樁和墻體的影響,也要為未來的盾構隧道和清障井預留施工條件。其次需要考慮既有設施本身的服役損傷。運營車站與線路最顯著的特征是本身存在較為嚴重的服役損耗,部分既有線路隧道內部存在相當程度的變形、錯臺、裂縫、滲漏等病害,本身情況不容樂觀。這種情況給近接施工帶來了更加嚴格的控制要求。

圖3 明挖法連接既有車站的復雜環境(單位:m)Fig.3 The complex environment of connecting existing stations with open and cut method(unit:m)

2.2.3先期建(構)筑物

在地鐵建設過程中,按照施工組織方案的規劃,往往會遇到后續施工臨近先期施工建(構)筑物的情況。較為典型的情況如地鐵出入口與地鐵車站、列車出入線與區間線路、同一區間的左右線臨近等。

與其他近接工程相比,同一項目中先后施作的結構往往有著更近的間距,互相影響也更密切。考慮到先期結構的保養維護要求,近接先期施工時更要加強過程中的沉降和振動控制,謹防在先期施工后未完全穩定時對其造成損傷。

3 近接施工的服役結構風險分析

近接工程對其范圍內的服役結構有著不可避免的影響。服役結構主要受到的影響包括沉降、位移、變形、破壞等。不同的施工方法對周邊造成的影響不同,不同的服役結構其關注的重點也有所差別。就本文案例而言,具體情況匯總如表3所示。

表3 近接工程案例風險情況Table 3 Summary of risk situation of proximity engineering cases

3.1 服役結構的沉降位移

地下工程施工往往會引起地下水位的變動,進而使土體產生固結沉降。這類沉降往往在各點的數值不均勻,對既有結構影響較大。

施工過程中產生的力會帶來土體內部應力變化和局部位移。如較大的盾構推力會使土體產生向上的和沿掘進方向的位移,可能導致地表隆起;而較小的盾構推力則有可能使土體產生相反方向的位移,導致地表出現大量沉降[15]。

在明挖施工中,產生沉降位移的主要原因有兩方面:①基坑降水及滲流作用會導致土體沉降和位移。降水后地層中孔隙水壓力消散,土體的有效應力增加,產生壓縮,宏觀上就會表現為沉降和位移[16]。這種沉降無法避免,但合理的降水方案可以將其控制在允許范圍內;反之如果降水井布置不合理,降水量過大,抽水速度過快,都可能加劇土體的沉降位移。②基坑的止水和加固措施可以影響沉降位移的規模。地下連續墻及接縫的滲漏水、墻體側斜變形、底板密封不到位、坑內支撐架設不及時,就有可能加劇土體和水分的流失,進而加劇沉降位移。

在盾構施工中,盾構土倉或泥漿壓力與開挖面水土壓力不平衡會導致沉降,盾構掘進帶來的土體松動也會導致土體的沉降和位移。盾構經過后產生的空隙以及注漿加固措施也對土體沉降和位移有重要的影響。

典型的沉降和位移現象有建筑物沉降、樁基路基沉降、隧道的上浮和沉降、既有管線水平位移等。

3.2 服役結構的破壞與滲漏水

現有服役結構的變形破壞有兩個主要原因,一方面是施工對土體的擾動使土體內產生應力,該應力最終作用于樁基、墻體等結構,從而導致變形和破壞;另一方面在一定的土體環境和施工范圍內,施工中的振動和剪切可以直接傳導至既有結構,對既有結構產生影響,導致結構變形破壞。地上設施的變形破壞可能嚴重影響其服役性能,而對于地下設施而言,墻體、底板、管片等結構的破損往往還會伴隨著滲漏水的發生,進而導致嚴重后果。

由土體應力導致的變形破壞與土內水壓力變化以及沉降位移變化有關。既有結構產生的破壞受到應力大小和分布情況的影響,應力峰值越大,分布越不均勻,越容易產生結構破壞。

由施工中振動和剪切作用直接導致的結構破壞則與周圍巖體和環境有關。近接工程的距離越近,振動和剪切作用在傳遞過程中的衰減就越小,對既有結構的破壞就越大;周圍環境的圍巖等級越高,其完整性和穩定性逐步提高,硬度提高使得振動縱波的傳播速度大,振速峰值也在提高,衰減減少,因而對既有結構的影響越大[17]。

常見的變形破壞發生在如軌道道床、橋梁結構、隧道管片、車站墻體等的變形破裂,管片和地下墻體的破裂也會導致不同程度的滲漏水。圖4為近接施工導致既有車站墻縫滲漏水的案例。近接出入通道與既有車站共用圍護樁,施工擾動使既有結構產生破壞,進而導致漏水。

圖4 近接施工導致既有服役結構滲漏水Fig.4 Proximity construction leads to water leakage from existing service structures

3.3 服役結構構成施工障礙

對于無法回避的樁基等地下結構,既要保證工程順利進行,也要保證現有服役結構不受影響。為了滿足上述條件,往往會涉及既有結構的遷改或者地下清障作業的問題。

在遷改重建過程中,一方面需要清障的位置往往周邊環境較為復雜,作業空間受限,對施工的約束較為嚴格;另一方面,障礙物的破除會對既有服役結構造成較大的影響,造成結構破壞和涌水涌砂風險。常見的作業方法有樁基托換、凍結清障等。樁基托換需在穿越范圍兩側預留托換樁基,基底以下需要一定的加固措施。凍結法則可以在一定程度上對土體進行加固,防止在清障過程中出現較大的變形和沉降,從而維護既有服役結構的穩定。圖5所示案例為擬建線路從下方穿越既有車站抗拔樁群,采取礦山法隧道凍結加固方案實施清障作業。

圖5 運營車站抗拔樁構成盾構下穿障礙(單位:m)Fig.5 The uplift piles of the operating station constitute the shield tunneling barrier(unit:m)

4 近接施工的服役結構風險控制措施

4.1 明挖法常用的服役結構風險控制措施

在明挖法施工中,常見的控制措施包括圍護、止水、加固、支撐、拉結等幾方面。

明挖基坑上跨既有線時,隧道上浮是由隧道頂土體卸載所引起的,因此在既有隧道內部可以采取鋼環加固措施,在既有線路外可以使用MJS工法樁、鉆孔灌注樁或滿鋪注漿進行加固。同時在施工時也要注意控制開挖時間,加快底板封閉速度。

基坑臨近服役結構時,主要面臨沉降變形以及滲漏水的問題。采取地下連續墻圍護結構時,現多采用落底式地下連續墻。相比懸掛式地下連續墻,落底式地下連續墻有較好的沉降控制和隔水效果[18]。地下連續墻厚度一般在0.6～1.2 m。為了更好地控制明挖施工對周邊的影響,在臨近建筑物處還可以增設圍護樁,或采取坑外注漿加固等措施。

明挖基坑臨近京廣線鐵路路基施工案例如圖6所示。該車站距離京廣線最小距離12.7 m,采用落底地下連續作為圍護結構,接縫處采用MJS止水加固,基坑內側加設鋼板封堵。同時與鐵路局溝通后對鐵路路基采取袖閥管預注漿加固措施。

圖6 地鐵車站近接貨運鐵路線基坑加固措施Fig.6 Reinforcement measures for foundation excavation of subway station close to freight railway line

4.2 礦山法常用的服役結構風險控制措施

在礦山法施工過程中,常見的控制措施有管棚加固、凍結加固、注漿加固、錨固、臺階開挖等幾方面。

暗挖近接既有服役結構施工時,主要面對的問題是沉降變形和結構破壞。與臨近施工相比,暗挖下穿對上方服役結構的沉降變形影響更大。既有服役結構的沉降變形主要是由開挖過程中直接或間接轉遞的應力引起的。因此在暗挖施工時可以采取臺階開挖法,并及時跟進初支,達到控制開挖面土體壓力的目的。

對于已開挖的部分,可以采用錨固、掛網噴混凝土、鋼架支撐等措施防止工后的隧道變形;未開挖的部分可以采取管棚、凍結等措施,控制土體內部的受影響范圍,從而控制施工對周邊的影響。

圖7所示案例為暗挖施工下穿既有車站時,采用大管棚超前加固,輔以小管棚超前注漿。已開挖部分采用型鋼鋼架作為支撐。

圖7 暗挖下穿車站采用大管棚超前加固Fig.7 Underground excavation underpass station adopts large pipe shed for advance reinforcement

4.3 盾構法常用的服役結構風險控制措施

在盾構施工過程中,常見的控制措施有掘進參數控制、地面注漿加固、隧道徑向注漿加固、管片配筋加強等。

盾構上跨既有線的情況較少,重點關注下方隧道管片的上浮變形。可采取地面鉆孔灌注樁、旋噴隔離樁、滿鋪式注漿等。

盾構側穿和下穿是盾構近接施工中最主要的工況。適應的盾構選型是隧道掘進過程中參數控制的前提;通過調整施工參數,可以適應不同的土層環境,避免推力或扭矩出現異常;控制掘進速度和出土量可以防止開挖面水土壓力突變,從而達到控制開挖面前土體沉降和位移的目的。已經完成開挖的部分要及時注漿,防止由于管片位移或盾尾間隙而產生的土體沉降。有特殊需求的部位可以采取增強管片配筋、增設注漿孔加強注漿等措施。

圖8所示為盾構近接既有車站施工的案例。盾構穿越既有車站出入口下方,距離僅7.199 m。為避免盾構施工誘發服役車站出入口的顯著沉降和變形,隧道下穿出入口范圍內采取拱頂120°洞內徑向注漿加固措施。

圖8 盾構施工采用拱頂120°徑向注漿加固Fig.8 The shield construction is reinforced by 120° radial grouting on the vault

5 結語

本文結合某城市100余處地鐵近接施工案例進行分析,歸納上跨、臨近、下穿3種不同穿越形式的特點,指出路基、橋梁、建(構)筑物、地下既有管線和車站區間等不同影響對象的關注重點,分析不同施工方法下服役結構可能受到的影響,并總結了明挖法、礦山法、盾構法施工過程中常用的服役結構風險控制措施。總體而言,想要有效解決建設過程中的近接施工問題,就要從事前設計、設備選擇、過程控制、施工監測4個方面進行思考和探究。

1)地鐵建設在規劃設計階段就需要考慮近接施工的問題,盡量避免出現高風險、高難度的近接工程。對于難以避免的近接工況,設計階段也應盡量采取施工難度較小、對周邊影響較小的方案。

2)工法和設備選擇應適應近接工程的施工需求,如盾構機、成槽機等,可以為近接工程順利完成提供有效保障。適當的設備選型可以幫助設備在不同地層、復雜環境或有限空間下更順利地完成作業任務。

3)施工過程中采取適當的加固或遷改措施,從而達到控制近接施工風險的目的。通過加強注漿、加強配筋、凍結加固等方式減小土體內部的沉降位移;通過地面注漿、止水圍護等措施限制作業面附近應力和振動的傳遞;通過樁基托換,人工清障等措施保證施工順利進行。

4)加強數據監測,發現異常及時上報;加強現場巡視,發現問題及時處理。發現既有結構的變形破壞甚至滲漏水情況,立即采取反壓、增設止水帷幕、坑外注漿、坑內封堵等應急措施,防止事態進一步惡化。