管廊基坑施工對正交地鐵隧道的影響及控制措施研究

陳金剛，李金偉，槐文寶，馬猛 （北京住總集團有限責任公司，北京 100101）

0 引言

隨著城市基礎設施建設投入的增加，城市綜合管廊與隧道納入同期或先后建設，且相距較近，位置關系主要為上下平行、斜交或正交，這樣不可避免后施工會對已成型結構產生影響，相關變形過大將對結構產生安全隱患。隧道變形過大，輕則引起接縫漏水、管片開裂，重則導致地鐵無法安全運營，所以對已運營地鐵隧道的變形控制要求極為嚴格，隧道變形的控制好壞決定著工程的成敗。因此準確預測和有效控制地鐵隧道的變形已經成為此類工程成功的關鍵。針對此類問題，相關學者[1-5]針對基坑開挖對既有地鐵隧道內力和變形的影響進行了大量研究，也積累了相當豐富的理論和實踐經驗，相關研究主要通過理論分析、現場監測、模型試驗、數值分析等，評估擬建結構基坑開挖對既有地鐵隧道的影響，并采取了相應的保護措施。

本文在綜合前人大量研究的基礎上，以北京某主干道十字路口管廊深基坑開挖對正交既有地鐵隧道影響為背景，采用MIDAS-GTS 軟件進行數值分析，確定的相關技術措施在實踐中起到很好控制效果。

1 工程概況

北京某城市道路為區域主干路，道路為上下四車道（主路）+機非隔離帶+輔路+人行步道，總寬度為38m（規劃前），主路下面鋪設雙線盾構隧道。后因周邊地塊及市政管網統一規劃，在主路十字路處設計一雙艙管廊正交橫跨上穿盾構區間隧道(如圖1）。盾構隧道采用C50P10 鋼筋混凝土預制管片拼裝而成，每環由3 個標準塊、2 個鄰接塊和1 個封頂塊組成，塊與塊及環與環之間采用高強螺栓連接，連接處設防水條和緩沖墊，拼成后洞內徑5．4m、外徑6．0m、管片厚度0．3m。橫跨隧道段管廊頂板覆土為5．5m，底板埋深為9．5m，基坑寬度8．9m，采用明挖法施工，圍護結構采用φ600@1200 鉆孔灌注樁+D609×12 鋼管內支撐體系，圍護樁樁長12．5m，根據技術規范要求，隧道變形控制指標為5mm。主體結構為雙艙閉合框架現澆鋼筋混凝土結構，底板、頂板厚500mm，側墻厚400mm，中隔墻250mm，設電力艙和水信艙，電力艙凈寬2．45m，水信艙凈寬5．2m，管廊凈高3．0m（如圖2）。

圖1 管廊、隧道及道路位置平面圖

圖2 管廊、隧道及道路位置剖面圖

管廊基坑及區間盾構隧道所處地層從上到下依次為①素填土、③粉土黏質、④粉細砂、⑤細中砂、⑥粉質黏土、⑨細中砂、⑨4 中粗砂。其中，④粉細砂、⑤細中砂含層間水（三），土層透水性較好，總體上西北部水位稍高，東南略低。該層地下水受大氣降水作用明顯，其天然動態類型屬滲入～徑流型，主要接受大氣降水、灌溉回歸滲入補給、地表水的垂直入滲、地下水側向徑流和越流及“天窗”滲漏補給，并以蒸發、地下徑流、越流為主要排泄方式；⑨細中砂、⑨4 中粗砂含承壓水（六），盾構隧道所處⑨細中砂、⑨4中粗砂承壓水水頭高度6～7m。

2 擬定上跨隧道管廊基坑施工方案

由于地鐵盾構隧道已通車，管廊基坑底與盾構隧道頂之間凈距離只有5．4m，此距離小于1D（D 為隧道直徑），管廊正交上跨地鐵盾構隧道施工為一級風險工程?；娱_挖卸載勢必引起地層變形，從而導致成型隧道的豎向和水平位移，根據以往施工經驗及工程所處地質水文等實際情況，本著抑制地層變形效果明顯、便于施工、縮短工期及成本較低的原則制定控制措施。

根據所處道路現狀，為確保主干路正常通行，同時確保隧道兩側對稱施工，對橫跨隧道管廊38m 長度范圍擬分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區，隧道兩側為第Ⅰ區，隧道上方為第Ⅱ區，隧道間為第Ⅲ區，長度為分別為6m 和10m（如圖3、圖4），Ⅰ與Ⅱ區、Ⅱ與Ⅲ區之間采用φ600@1000鉆孔灌注樁進行分隔，Ⅰ區與標準段采用1:0．4土釘墻+掛網噴混護坡進行分隔。

圖3 管廊橫跨段分區示意圖

圖4 分區、導改施工示意圖

因管廊基底以下為粉細砂④、細中砂⑤層，隧道斷面處于粉質粘土⑥、細中砂⑨層，且隧道處于承壓水中，經過計算，管廊基坑卸載后抗突涌破壞安全系數大于2，為提高基底砂層的整體性和重度，對管廊基底粉細砂層進行注漿加固，本著加固效果佳、速度快、施工靈活及擾動小等原則采用高壓旋噴注漿加固，加固范圍如圖4、圖5所示。

圖5 有限元分析模型

圖6 管廊基坑開挖前初始位移云圖

為減小卸載面積和基底暴露時間，基坑采取“分區、分層、分塊、對稱”的順序進行開挖，先開挖隧道兩側6m 長Ⅰ、Ⅲ區，而后開控隧道上方Ⅱ區。

3 數值模擬分析方案

3.1 模型及材料參數確立

根據管廊與隧道位置關系、成功工程案例及相關規范，為盡可能反映實際工況，考慮管廊、隧道所處地質水文情況，為減小單元數量，提高計算速度，以單條隧道進行分析，模型尺寸為50m×50m×40m（如圖5）管廊縱向為X 軸,管廊斷面方向為Y 軸，管廊開挖埋深方向為Z 軸，模型四周及底部限制豎向和水平位移，頂部表面為自由面。

成型隧道及管廊基坑開挖過程卸載過程較為復雜，為便于模擬管廊開挖對成型隧道影響，對材料模型及地層分布做相應簡化，土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，屈服準則采用Drucker-Prager屈服準則；管廊圍護樁、內支撐及鋼圍檁、盾構襯砌管片及注漿層采用線彈性模型。初始應力只考慮地層的自重應力及地面20kN/m2等效均布荷載，不考慮構造應力，根據勘察報告選取地層力學參數（如表1）。

表1 土層物理力學參數

由于盾構隧道縱向環與環、橫向塊與塊之間通過螺栓連接，對于盾構隧道整體的抗拉、抗壓和抗剪能力會產生影響，所以需要對管片整體的橫向和縱向進行適當折減。由文獻[7]、文獻[10]可知，計算盾構管片等效剛度時，橫向一般取折減系數0．6～0．7，縱向上抗拉、抗剪及抗彎的剛度折減系數約為0．01，而抗壓剛度不考慮折減。

3.2 施工步序模擬計算

按照擬定管廊基坑穿越范圍分區、分層、分塊、對稱開挖順序進行數值分析，開挖前自重應力下位移計算后歸零（如圖6）。橫跨隧道管廊基坑分區后，隧道兩側Ⅰ、Ⅲ區同時施工，Ⅰ、Ⅲ區第一層土方開挖至地面以下2．5m 處后（第一道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為4．31mm，隧道上方Ⅱ區隆起值為0．15mm，隧道隆起值為0．37mm（如圖7）。

圖7 第一層土方開挖后基坑及隧道隆起值云圖

圖8 第三層土方開挖至基底基坑及隧道隆起值云圖

Ⅰ、Ⅲ區第二層土方開挖至地面以下6．5m 處后（第二道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為12．78mm，隧道上方Ⅱ區隆起值為1．52mm，隧道隆起值為0．23mm；第三層土方開挖至基底，Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為28．75mm，隧道上方Ⅱ區隆起值為3．13mm，隧道隆起值為1．07mm（如圖8）。

Ⅱ區第一層土方開挖至地面以下2．5m處后（第一道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為33．84mm，隧道上方Ⅱ區坑中隆起值為6．87mm，隧道隆起值為2．21mm（如圖9）；第二層土方開挖至地面以下6．5m（第二道鋼支撐），Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為33．97mm，隧道上方Ⅱ區隆起值為11．73mm，隧道隆起值為2．49mm。

圖9 二區第一層土方開挖后基坑及隧道隆起值云圖

Ⅱ區第三層土方開挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為34．56mm，隧道上方Ⅱ區隆起值為27．34mm，隧道隆起值為12．64mm（如圖10）。

而后，對第三層土方分A、B、C 三塊開挖，先挖A、C塊后挖B塊，先將Ⅱ區第三層土方A、C塊開挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為34．12mm，隧道上方Ⅱ區隆起值為24．23mm，隧道隆起值為4．76mm；第三層土方B 塊開挖至基底后，Ⅰ、Ⅲ區坑中間隆起值為34．12mm，隧道上方Ⅱ區隆起值為26．27mm，隧道隆起值為8．51mm（如圖11）。

圖11 二區第三層土方分塊開挖至基底基坑及隧道隆起值云圖

從圖10、圖11基坑及隧道隆起變化值可以看出，隧道上方基坑最后一層土整體開挖后，隧道隆起值12．64mm，而分塊先后開挖見底后，隧道隆起值為8．51mm，最后3m 土層分塊先后開挖對隧道結構隆起變形抑制作用明顯，較整體開挖隆起值減少33%，若分塊再小，抑制作用還會增加，但考慮施工作業方便性，暫定按照3m 寬分成3塊。隨著每道開挖步序（如表2），對隧道上方基坑坑底隆起值與隧道隆起值及水平位移值進行統計并繪制相關曲線圖（如圖12、圖13）。經數值模擬對比分析，將基坑分區實施開挖，基坑體量小，挖土拆支撐快，可有效縮短地鐵盾構隧道上基坑暴露時間，減小地層變化隆起對隧道的影響。

表2 開挖步序與開挖深度（位置）關系表

圖12 開挖步序與隆起值關系曲線

圖13 開挖步序與水平位移關系曲線

隨著開挖步序進行，根據隧道上方基坑隆起值與隧道隆起值關系曲線得出，隧道隆起較基坑隆起趨勢更為平緩，沒有間越式突變，隧道隆起變形最大區域從側上方過渡到正上方。施工期間，盡可能對基底進行施加荷載，縮短卸載后暴露時間，盡早進行覆載，從而有效抑制隧道隆起值。在工期滿足要求前提下，考慮待兩側基坑主體結構、回填土完成后才開始挖正線隧道上方基坑土方。

經過上述數值分析可以得出，橫跨隧道基坑分區、分層及分塊進行土方開挖，對抑制隧道結構變形效果明顯，最大值為8．51mm，較最后一層土整體開挖減小33%；因同一層（塊）存在時間差，導致隧道縱、橫向節點間存在差異沉降，但縱、橫向最大與最小值相差分別只有3．46mm 和1．87mm，該差值小于規范規定的5mm，不會對隧道結構產生不利影響。

3.3 結合計算分析確定方案

結合以上對基坑開挖過程中Ⅰ、Ⅲ區基坑基底、Ⅱ區地面及盾構隧道變形情況，針對盾構隧道處承壓水砂層，且承壓水水頭較高，以及現場施工條件、工期及綜合成本等實際情況，對管廊基坑開挖范圍采取如下控制措施：

①本著基坑“分區、分層、分塊、跳倉、對稱”的開挖原則，對橫跨隧道管廊基坑長度（38m）劃分為3 個區，隧道上方及之間區域采用圍護樁分隔，兩側采取1:0．4放坡；

②對比三軸攪拌和高壓旋噴加固方式，本著對周邊地層擾動小原則，根據管廊基底地層及地下水情況，選擇高壓旋噴注水泥漿加固地層，加固后地層強度不小于0．8MPa，注漿加固推薦注漿壓力控制在0．8～1．0MPa，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿加固效果通過鉆芯取樣檢測確定；管廊縱向加固60m、橫向圍護樁外皮以外3m、豎向為基底至隧道頂以上1m；

③通過經典力學簡化計算，地層中管廊結構置換原土地層后，隧道上方相當于卸載，未考慮管廊內使用條件下排水管道重量，如因管廊結構修建后一段時間未投入使用，還是存在一定風險，為確保萬無一失，在隧道兩側設置兩排抗拔樁進行約束周邊地層，從而抑制隧道隆起，抗拔樁與圍護樁同時施工（如圖14）。

圖14 管廊基坑施工縱斷面圖

以上工序及控制措施總體施工順序為場地平整、底板鋼筋骨架加工預制→圍護樁、抗拔樁施工→基底注漿加固→基坑冠梁、擋土墻施工→基坑Ⅰ、Ⅲ區第一層土方開挖→基坑Ⅰ、Ⅲ區第二層土方開挖→基坑Ⅰ、Ⅲ區基坑見底→施工主體結構→開挖Ⅱ區第一層土方→開挖Ⅱ區第二層土方→開挖Ⅱ區第三層A、C 塊土方→施做底板連接抗拔樁→施做A、C塊側墻、頂板、開挖第三層B塊→施做底板連接抗拔樁→施做B 塊主體結構→回填土施工（如圖15）。

圖15 管廊基坑土方分層、分塊及結構施工步序圖

4 現場施工監測情況

根據專項施工方案在既有地鐵隧道軌道兩側布置監測點，隧道內設三個監測斷面，分別位于管廊斷面中線及兩側2．5m 處。每個斷面監測隧道豎向隆起值及收斂情況，同時對橫跨影響范圍隧道內做好紅漆標記，施工期間定時對洞內做好巡視和監測工作。對其中一個斷面監測數值進行統計繪制曲線圖（如圖16）。

圖16 實測隧道隆起、收斂變化曲線圖

從現場監測隧道隆起及收斂變化值可以看出，隆起值較數值模擬分析偏小，隧道收斂值基本沒有變化。筆者認為施工期間隧道周邊進行低壓力注雙液漿對抑制隧道隆起起到作用，因為隧道地處于富含高水頭承壓水砂層中，雙液漿短期固化周邊砂層；其次底板施工時采用預制墊層、預制底板鋼筋骨架，極早澆筑混凝土并對基底覆載，縮短基坑暴露時間。

圍護樁、抗拔樁及基底注漿加固施工前，向運營單位提交施工申請，同時隧道內備好應急物資，施工時隧道內安排技術人員及作業人員現場值守，并與地面鉆機施工保持信息暢通。圍護樁（抗拔樁）施工嚴格控制旋挖鉆機扭矩及護壁泥漿質量，減小對周邊地層的擾動及塌孔的可能性。基底注漿前在非隧道區域進行試驗，對漿液配比、注漿壓力及注漿效果通過取芯進行確定。施工后，巡查隧道內道床未發現裂縫，軌道壓板螺栓及管片螺栓未發現松動現象，管片環、片間未發現錯臺、掉渣現象（如圖17）。

圖17 既有地鐵隧道及管廊施工照片

5 結語

本文以管廊基坑橫跨正交地鐵隧道施工為背景，通過數值分析、對比并結合地質水文情況，確定相關抑制隧道隆起措施，并在施工過程中得到很好應用，確保隧道變形要求，同時也確保管廊施工過程風險控制，相關結論如下：

①基坑開挖卸荷使地層發生變位，帶動地層中的隧道產生變形，經過數值分析表明，“整坑分區、豎向分層、底層分塊、斷面對稱”開挖基坑土方能較好控制地層變位，從而抑制隧道變形，特別是在其他條件不變情況下，底層土體分塊開挖、施做結構后再開挖中間塊后，隧道隆起值較底層土整體開挖減小33%；

②基坑底與隧道間土體加固后其整體性、自重及強度均得到改善，不僅很好抑制隧道變形，同時也限制基坑圍護結構水平、豎向位移，避免圍護結構移動引起鋼支撐墜落的安全隱患；

③根據現場實際監測數據，底層土分塊見底施做底板與抗拔樁連接，可以盡早約束地層變位、控制隧道隆起，如恰趕冬季施工，混凝土中加入早強劑或提高標號。施工條件具備情況下，相比較抗拔樁在控制效果、施工速度及成本方面更具優勢，以及應對后續地下水位上漲情況，抗拔樁抑制隧道隆起作用將更加顯著；

④既有地鐵隧道附近施工，制定各項控措施同時，做好各項應急措施及信息化監測工作。