大范围覆土严重卸载条件下的盾构隧道保护技术研究

张书丰 ，陆　航，沈晓伟

(1.南京地铁集团有限公司，江苏 南京 210008；2. 南京市地铁交通设施保护办公室，江苏 南京 210012)

0　引言

盾构法以其快速、高效、扰动较小的特点，近年已成为城市隧道使用最为广泛的施工方法之一。随着城市建设项目数量增多和规模扩大，常常会出现基坑工程上跨盾构隧道的情况。由于基坑开挖的大范围卸荷会引起坑内土体回弹，导致下方隧道上抬变形，变形过大将严重影响隧道结构及运营安全[1-2]。如何准确预测和防治地铁上抬变形便成为众多类似工程急需解决的问题。

目前国内学者已对该类问题的保护体系和施工技术进行了不同程度的研究，研究方法多为理论研究、数值分析、现场验证等方法，卫俊杰、宗翔、蔡建鹏[3-7]等对盾构隧道上方基坑开挖卸载引起的变形特征进行了理论及计算研究；王士民、王道远等[8-9]对盾构隧道变形的变形特性进行试验及实践研究，但既有研究对象多为开挖后隧道上方覆土厚度仍处于相对安全状态，对于较为极端卸载条件下盾构隧道的保护措施研究与分析仍较少。本文主要对某盾构隧道上部覆土厚度严重不足，抗浮远不能满足设计要求的情况[10-11]，提出以桩板结构为核心，综合隧道内配重、土层注浆加固、洞内注浆等措施的综合保护技术，以保障河道疏浚施工期间及后期盾构隧道结构安全。为了分析基坑开挖卸荷对盾构隧道的影响及采用的保护技术对隧道隆起的抑制效果，本文采用有限元软件ABAQUS建立三维模型进行计算，并通过实际监测数据对计算结果及保护技术的实施效果进行验证。据此提出在类似工况和地质条件下可行的地铁结构保护技术方案及措施。旨在为相似地铁结构保护工程提供更多可行的实际案例参考和比选依据。

1　基本情况

1.1　工程概况

该盾构隧道以84°交角已顺利下穿河道，由于河道需要进行拓浚，交叉处河道河口将由现有的52 m拓宽至104.5 m，现有河底需向下挖深6.8 m，拓宽处最大挖深约12.9 m，隧道上方存在大范围卸土，下挖后河底距离隧道结构最小距离约2.4 m，河道基坑与盾构隧道平纵断面关系如图1，2所示。

图1　基坑与盾构隧道平面关系Fig.1　Plane position between foundation pit and shield tunnel

图2　基坑与盾构隧道横断面Fig.2　Profile of foundation pit and shield tunnel

该段盾构隧道线路中心线间距为12.7～14.8 m，且位于平面曲线上，曲线半径为1 200 m，线路纵坡为右线5.107‰、左线5.098‰，区间隧道顶埋深约为9.2～15.3 m(河床、堤岸起伏较大)。每环由6块厚350 mm的管片拼装而成，纵向设置16根连接螺栓，环向设置12根连接螺栓。

1.2　地质情况

建设场地地貌属河道漫滩地层，主要地层为填土、粉质粘土及卵砾石，河道底部及盾构隧道基本位于粉质粘土层中。土层物理力学参数详见表1。

表1　土层主要物理力学参数

场地地下水主要为孔隙潜水及孔隙微承压水。其中孔隙潜水主要赋存于①-2b层填土中及②-1b2、②-2b3层粉质粘土中；孔隙微承压水主要赋存于③-4e层卵砾石层中。孔隙潜水水位埋深0.40～2.60 m，水位年变化幅度约1.00 m。常年最高水位约在地表下0.50 m。

2　既有盾构隧道的保护设计

2.1　工程风险分析

考虑到盾构隧道自身及所处地层的特点，以及河道工程的特殊性，可分析出该护工程主要存在以下风险。

1)河道改造施工需在隧道上方大范围卸土(最大卸土厚度12.9 m)，而因施工需求，开挖期间对施工范围内河水进行疏排并降水，在地下水位下降的综合作用下，极易引起地层回弹而导致隧道隆起变形，进而导致管片纵、横向的变形、开裂与错台。同时由于盾构施工完后局部管片已存在渗漏点和裂缝，如图3所示，结构安全风险大大增加。

图3　盾构隧道既有病害Fig.3　Existing diseases of shield tunnel

2)场地地层条件较差，受扰动后易产生较大位移并持续增加，其中卵砾层深度较厚，整体性差，极易塌孔[12]，增加施工难度进而影响施工进度，导致隧道变形不断增加。

3)基坑开挖施工期间及河道疏浚完成后盾构隧道上部覆土已不满足抗浮需求，河流对河床存在搬运、冲刷等效果可进一步导致覆土厚度减少。

根据以上分析，该工程必须在施工期间对盾构隧道进行加固处理，且加固结构应确保河道使用期间盾构隧道结构安全。

2.2　保护方案设计

综合考虑既有风险、保护结构效果、施工时效性及可行性、体系建成后对地铁隧道的持续保护效果等因素，该工程主要采用如图4所示以桩板结构为核心的加固技术。

图4　桩板加固结构Fig.4　Pile-board reinforce structure

1)桩板结构

采用咬合桩+压板结构体系，咬合桩采用全回转钻机套筒跟进成桩工艺，确保实施性。板与桩成条形板带，抑制河道疏浚完成，洞内配重卸载后隧道结构的隆起变形；河道使用期间，桩板体系形成封闭的抗压结构，削减由于河道冲刷和堆积对隧道的不利作用。

2)土体加固

基坑开挖前对隧道周边土体进行加固有利于减小开挖卸载过程土体回弹变形、有利于管片结构的内力重分布。土体加固主要通过洞内通过盾构管片内部二次注浆及坑外三轴搅拌桩满堂加固2种方式进行。其中坑外加固范围确保距隧道结构不小于1 m，减小土体加固对既有区间隧道的影响。同时为减少咬合桩施工的不利影响，对咬合桩采用桩身侧壁注浆方式，加固卵砾石层桩周被扰动土体，防止桩体施工时坍塌。

3)洞内加固

为加强隧道纵向及横向的连接刚度，抑制隧道横向变形、管片开裂与错台，施工前在隧道内纵向100 m范围内增设纵向槽钢拉和横向8脚支撑。同时为解决施工期隧道抗浮、隆起变形等问题，在基坑开挖前，在隧道内增设土袋配重，以抵消隧道在开挖期间的上抬。

图5　隧道内加固及配重Fig.5　Reinforcement and counterweight in shield tunnel

4)其他保护措施

施工阶段还实施一系列其他常规保护措施，如基坑分部开挖，选用合理的开挖面和开挖形状，并分段、分块、限时进行；考虑时空效应，尽量减少基坑开挖过程中的暴露时间，快挖快做，严禁超挖；施工完成及时浇筑条形板带等。

3　计算分析

3.1　计算模型

基坑开挖前盾构隧道处于受力平衡状态，基坑施工使该平衡状态打破，大范围卸载导致土体回弹同时增加前期平衡状态残余应力影响深度，导致隧道回弹、变形。因此本文采用通用有限元软件ABAQUS建立整体分析模型，对基坑开挖期间隧道变形情况及桩板加固体系对隧道变形抑制效果进行预测。计算过程主要采取假设如下：

1)假设开挖前隧道上方土体已充分固结，且土体加固已实施完成。

2)土体为各向同性，且均匀连续。

3)假设隧道位移与土体位移相容。不考虑土体与隧道结构分离状况。由于隧道局部结构刚度比土体大很多，但对于柔性衬砌而言，线性隧道的整体变形刚度较小，接近其影响土层的刚度。在小变形的情况下，盾构隧道位移和土层位移基本一致，满足位移相容假设。

计算模型主要包含土体、加固区、桩板结构及隧道等构件。土体及加固土体采用Drcuker-Parger模型，并采用实体单元进行模拟，其中开挖阶段采用生-死单元技术模拟土体卸载过程。对于桩板结构采用的φ1 000@700咬合桩采用等效刚度原则[13-14]换算为0.9 m厚地连墙并采用线弹性板单元模拟，顶部压板及盾构管片同样用线弹性板单元模拟。

由此建立有限元模型如图6所示，其中隧道纵向方向长260 m，河道纵向方向长300 m；土体深度约62 m。

图6　三维计算模型Fig.6　3D-Finite element model

计算土层采用物理力学参数详见表1，加固区土体及桩板结构参数取值详见表2。

表2　计算模型材料参数取值

基于如上假设，主要分析步骤划分如下：

1)初始状态建立。

2)坑内满堂加固。

3)基坑分部开挖，同时隧道内配重。

4)基坑开挖完成，桩板加固结构施工完成。

5)卸除隧道内配重。

3.2　计算结果

选取基坑施工最不利工况进行研究，即各阶段施工均完成后坑内整体变形及隧道变形情况如图7，8所示，通过对施工阶段隧道最大隆起变形进行分析，可以看出采用基坑分部开挖、土体加固、隧道内配重、桩板加固结构等措施后，整个施工过程中既有隧道最大隆起变形约17.7 mm，因配重卸载造成隧道最大隆起变形约1.3 mm，各阶段变形见图9。

图7　土体竖向位移云图Fig.7　Contour of vertical displacement of soil

图8　隧道竖向位移云图Fig.8　Contour of vertical displacement of tunnel

图9　各工况对应隧道整体最大竖向位移Fig.9　Contour of maximum vertical displacement of tunnel in each stage

盾构隧道内力云图见图10，可以得出，在施工最不利工况下，管片每延米最大负弯矩为183.9 kN·m，对应轴力698 kN，最大正弯矩为172.2 kN·m，对应轴力533 kN，经复核计算得到管片裂缝宽度分别为0.182，0.193 mm，在不利工况下管片内力及裂缝均能够满足原设计要求。

图10　隧道内力云图Fig.10　Contour of tunnel internal force

根据计算结果，可以得出如下主要结论：

1)隧道变形特性与预期因卸荷导致的上抬变形特征一致，最大变形及内力变化均发生在基坑中心部位，即随着开挖深度越大，基坑对应的隧道隆起越大。

2)最大阶段变形发生在基坑开挖阶段，随着桩板结构施工完成，后续拆除配重对隧道不利影响有限。

3)采用的土体加固、分区开挖、配重等措施，可保证隧道结构在基坑开挖施工阶段变形及内力均在允许范围内。但基坑开挖过程受配重及土体加固影响，隧道呈现先沉降后上浮的变形特征。

4)采用的桩板结构体系，在配重拆除后可有效控制基坑大范围开挖后隧道上抬变形。

4　监测验证

为验证数值计算准确性及综合保护体系的实际实施效果，本文对项目实施期间盾构隧道监测数据进行整理并与计算结果进行比对。

本项目自2016年1月18日进场，至2016年11月21日监测结束，其中2016年6月29日完成土体加固、基坑开挖及压板施工，2016年8月21日完成拆除加固措施、洞内配重等。基坑开挖施工监测期为31周，跟踪期为13周。

4.1　监测范围

项目盾构隧道监测范围为基坑东侧边线外扩30 m，西侧边线外扩40 m。监测采用人工与自动化相结合的测量方法。垂直位移监测点及水平、竖向收敛布置如图11所示。

图11　监测点布置Fig.11　Layout of monitoring points

4.2　监测成果

图12　右线隧道累计竖向位移变化曲线Fig.12　Accumulative vertical displacement curve of right line

图13　左线隧道累计竖向位移变化曲线Fig.13　Accumulative vertical displacement curve of left line

图12，13表明：土方开挖至压板结构施工期间，由于进行土体加固与配重，局部隧道呈沉降趋势，随着上部大面积荷载的卸除，隧道有一定程度上抬，拆除配重阶段隧道同样出现一定程度隆起，隧道整体最大竖向位移约5.2 mm(正值表示隆起、负值表示下沉)。进入跟踪期后，随着外加荷载消除，隧道竖向位移进入稳定状态。

图14　右线隧道累计水平收敛变化曲线Fig.14　Horizontal convergence curve of right line

图15　左线隧道累计水平收敛变化曲线Fig.15　Horizontal convergence curve of left line

图14，15表明：洞内加固、外部土体加固施工期间，监测区段盾构隧道结构水平收敛整体有较大变化，呈扩张状态；土方开挖阶段变化不明显，加固措施拆除及跟踪期阶段由于外加荷载逐渐消除，隧道开始回扩并逐渐趋于稳定。整个阶段隧道最大水平收敛变形为5.8 mm(负值表示收缩、正值表示扩张)。

图16　右线隧道累计竖向收敛变化曲线Fig.16　Vertical convergence curve of right line

图17　左线隧道累计竖向收敛变化曲线Fig.17　Vertical convergence curve of left line

图16，17表明：洞内加固、外部土体加固施工期间，监测区段盾构隧道结构竖向收敛整体有较大变化，呈压缩状态；土方开挖阶段变化不明显，加固措施拆除及跟踪期阶段，隧道开始回缩并逐渐趋于稳定。整个阶段隧道累计最大竖向收敛为4.3 mm(负值表示收缩、正值表示扩张)。

4.3　成果分析

通过对监测成果的统计与分析，对比数值分析计算结果可以发现，模拟计算结果与检测系统监测得出的数据存在一定差异，但各施工阶段对盾构隧道变形影响基本一致，隧道均表现出先沉降后隆起的变形最终趋于稳定，且桩板结构可有效控制基坑开挖，洞内配重拆除后隧道的隆起变形；由于施工与模拟加卸载过程存在一定差异，实际监测数值较数值分析计算数值小；整个施工阶段隧道变形均能满足相关技术标准[15]要求，隧道变形处于允许范围。两者相互印证证明本项目的数值模拟分析结果具备参考意义，监测结果也表明基坑采取的综合保护措施是有效的。

5　结论

1)在盾构隧道上方进行大范围卸载，隧道上部覆土严重不足的情况下，采用压板结构，综合采用洞周土体加固、洞内加固、基坑分区分块开挖、配重等技术可以取得良好的保护效果。

2)在隧道内实施配重反压措施应严密结合开挖工况进行实施，否则易造成隧道内荷载增加产生不同程度沉降。

3)在接近隧道等易受外界扰动的工程施工时，针对卵砾石层整体性差、成孔困难等特性，可采用钢套筒跟进成桩结合桩身侧壁注浆工艺保证施工质量和保护效果。

4)本文仅对桩板加固体系初步实施效果进行了研究，尚未对该压板结构在河道及隧道投入使用后其可靠性及长期变形特性进行分析，后期将对其进行跟踪调查并完善相关研究。

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