邻近工程施工对既有隧道的影响研究

□文 /朱勇士

地铁正以准时高效、搭乘便捷、绿色环保等优势，引领着城市现代化和一体化进程的不断前行并成为人们出行的首选交通工具。随着轨道交通线网规划的拓展和完善，地铁线路覆盖范围越来越广，在带动沿线经济发展和提高人们出行质量的同时，也与沿线周边地块发生正穿、侧穿和邻近等多种关系。当地铁线路穿越地块时，地块基坑开挖和施工降水将引起周边土体应力变化和地层变形，对地铁区间隧道造成一定的影响，严重时将危及地铁的正常运营。因此，邻近地铁工程施工时，如何准确分析和提前预测其对地铁隧道的影响，需采取何种工程措施有效确保既有地铁隧道结构和运营安全，已越来越引起工程建设人员的重视。

本文以上跨郑州市轨道交通1号线地铁区间隧道的郑州综合交通枢纽地下交通工程东广场项目为例，运用三维数值模拟仿真分析方法并结合施工监测数据反馈，重点研究了邻近工程施工对既有地铁区间隧道的影响。

1 工程概况

郑州综合交通枢纽地下交通工程东广场项目位于郑州东站站房东侧，东四环以东，地下3层，基坑开挖深度约19 m。郑州轨道交通1号线郑州东站—博学路站盾构隧道从东广场中部东西向穿过，将东广场项目分割为南北两个地下广场，依靠上跨地铁区间隧道的三条南北向联络通道实现南北广场地下空间的互通，见图1。

图1 东广场项目及地铁区间隧道总平面

南北广场均采用地下连续墙支护体系，盖挖逆作，地下连续墙距离隧道结构边约10.35 m；三条联络通道采用钻孔灌注桩+内支撑支护体系，通道底距离既有隧道结构顶最小净距约4.1 m，见图2。在东广场项目实施前，郑州轨道交通1号线已实现通车运营。

在东广场项目施工前的现场踏勘过程中发现，区间隧道正上方存在大量堆土且位于东广场项目实施范围内。堆土沿隧道纵向长约200 m，最高处约10 m，区间隧道正上方堆土高度约7 m，见图3。联络通道施工时需清除土堆。

图2 联络通道与地铁隧道横断面位置关系

图3 隧道上方堆土

2 工程及水文地质情况

拟建场地所处地貌单元为黄河冲积泛滥平原，周边原为耕地，随着邻近工程建设的陆续进行，场地现堆放大量弃土，高度约7～10 m，地形起伏较大，最大高差12 m。依据钻探、静力触探及土工试验成果，根据土体物理力学性质及工程地质特性将本场地土分为12个地质单元层，从上到下依次为:杂填土、粉土夹粉砂、粉质粘土、粉土夹粉质粘土、粉质粘土、细砂、粉质粘土细砂粉质粘土、细砂、粉质粘土粉质粘土。场地地层主要物理力学参数指标见表1。

表1 地层主要物理力学参数

续表1

场地勘探深度内含水层分为两层，即上层潜水层和下层承压水层。潜水主要赋存于16.0～18.0 m以上的粉土、粉质粘土中，属弱透水层；承压水主要赋存于16.0～18.0 m以下的细砂中。该层富水性好，属强透水层，具有微承压性，与上部潜水有一定水力联系。潜水层与承压水层被相对隔水层Q4-2的灰～灰黑色第5层粉质粘土层隔开。

3 保护措施

由于地铁区间隧道正穿东广场项目且场地上方存在大量堆土，堆土卸载清移及东广场项目基坑开挖必然会引起周边地层应力场的重分布，进而导致土体变形，危及地铁区间隧道结构及运营安全。经综合分析本工程可能存在以下风险。

1）区间隧道两侧基坑开挖卸载，导致隧道两侧水平约束降低，从而引起盾构管片发生水平变形，若变形超过限值，管片会出现张开、开裂、渗漏水、道床脱空等现象。

2）区间隧道上方土体清移卸载和基坑开挖，导致盾构管片发生隆起，若隆起超过限值，管片会出现张开、开裂、渗漏水、道床脱空等现象。

3）沿区间纵向的不均匀卸载，可能会导致盾构管片纵向变形曲线的曲率半径及相对变曲超过限值。

结合理论分析和经验预判，如此近距离的工程施工，在不采取保护措施的情况下，地铁安全难以有效保障。

3.1 土体加固

1）在南北基坑邻近区间隧道一侧的地下连续墙结构外侧进行土体加固，加固不仅有利于控制围护结构变形，而且对区间隧道起到隔离保护作用。

2）对地铁区间隧道周边及上部土体进行地基加固，加固可有效减小隧道上方基坑开挖过程中的侧向变形、回弹变形且有利于减小通道施工过程中的振动及施工完成后地层再次固结沉降的影响。

邻近南北基坑围护结构外侧的地基加固应在南北基坑施工前从地表实施。邻近区间隧道范围的地基加固施工前必须查清既有隧道的准确位置，在监测数据的指导下组织施工，精确定位，严格控制标高、垂直度和注浆压力，以确保施工过程中既有地铁隧道安全。

3.2 加固措施

1）条形板带。由于联络通道大范围敞开式开挖对周边地层扰动较大，考虑将基坑分割为多组长条形小基坑跳挖施工并在每个小坑底部设置反压式条形板带，板带宽度与钻孔灌注桩间距一致，基本横断面尺寸为 1 700 mm×500 mm、1 800 mm×500 mm、2 000 mm×500 mm（宽×高），采用C50微膨胀钢筋混凝土现浇并掺早强剂。

2）抗拔桩。沿盾构隧道纵向南北两侧各设置一排钻孔灌注桩，钻孔灌注桩规格为φ800 mm@1 800 mm，桩长 24～28 m，采用 C30水下钢筋混凝土，灌注桩顶部预留伸出钢筋，以便与条形板相连，使得条形板带和抗拔桩形成整体。见图4和图5。抗拔桩距离区间隧道的净距应≮1.5 m。此外，抗拔桩施工前必须核清既有隧道的准确位置并在隧道跟踪监测数据的指导下组织施工，精确定位，严格控制标高、垂直度，以确保施工过程中既有地铁隧道安全。

图4 土体加固剖面

图5 土体加固横断面

3.3 对称开挖和分层卸载

1）由于本项目基坑开挖规模大，对区间隧道影响范围广，南北基坑应对称分层分块开挖及施工，每层开挖深度不超过0.5 m。

2）为减小清土过程中区间隧道上浮和隆起，隧道上方堆土在清卸过程中分层分步进行，避免一次清卸范围过大，每层土清卸深度不超过0.5 m。

4 三维数值模拟分析

4.1 三维模型建立

根据项目特点，三维数值模拟主要分析工况包括东广场南北基坑开挖、隧道上方堆土清移和通道开挖。考虑尽量减少模型边界效应的影响，最终建立长380 m、宽310 m、原始高度60 m的数值模型，见图6和图7。其中区间隧道埋深约11 m，线路中心线间距16.1 m，区间隧道地表上覆土层高7 m，两边基坑地表上覆土层高12 m。

4.2 施工过程模拟

为较好地分析和动态模拟施工过程对既有地铁隧道的影响，采用修正摩尔-库伦本构模型，整个模拟过程主要包括以下步骤：

1）水泥土搅拌桩加固施工；

2）南北广场基坑开挖及结构施工；

3）联络通道抗拔桩施工；

4）清除区间隧道上方既有堆土；

5）抽条开挖联络通道基坑并及时施做反压板；

6）完成联络通道结构施工。

图6 三维模型

图7 地下结构相互关系

4.3 结果分析

施工引起的竖向位移见图8-图10。

各施工工序对地铁区间隧道造成的影响见表2。由表2可以看出，施工引发的地铁隧道变形主要集中在土体加固和南北广场基坑的大范围开挖卸荷作业，隧道隆起值约8.7 mm，占最大隆起量的68.5%；隧道上方土体在分层清移过程中也会带来地铁隧道一定的回弹隆起，隆起值约2.3 mm，占最大隆起量的16.5%；由于采取了抽条跳挖施工，联络通道开挖对地铁隧道的影响整体较小，隧道隆起值约1.9 mm，占最大隆起量的14.9%。整个施工过程中，地铁隧道的最大径向收敛约3.8 mm，出现在南北侧基坑开挖至底部。

东广场项目南北广场已施工完成，目前正进行联络通道抗拔桩及条形板带施工作业，现场监测数据显示，南北广场施工过程引起的地铁隧道隆起值约9.1 mm，隧道上方堆土清移引起的地铁隧道隆起值约11.2 mm，数值模拟结果与现场监测数据基本吻合。地铁隧道洞内调查结果显示，施工过程中盾构管片无开裂、掉块、渗漏水及接触网脱落、道床脱空等现象。

图8 南北基坑施工完成隧道结构位移

图9 隧道上方堆土清移后隧道结构位移

图10 通道基坑施工完成隧道结构位移

表2 各施工步序对应隧道结构变形量统计分析

5 结论及建议

东广场项目施工过程伴随着既有地铁区间隧道隆起变形，在采取一定的工程保护措施后，项目施工引起的隆起变形、位移曲率半径及径向收敛均满足CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》相关控制指标要求且隧道结构受力状态无明显改变，施工过程对地铁区间隧道的影响整体上安全可控。

1）东广场项目南北基坑距离地铁区间隧道较近，隧道位于基坑开挖核心影响区域，其影响主要表现在：深基坑开挖卸荷将打破土体初始应力状态，导致基坑周边地层应力场和位移场发生变化，进而将这种变化传递给地铁区间隧道，引起区间隧道的抬升和隆起。采取土体加固措施后，数值模拟结果显示南北广场基坑施工过程中地铁区间隧道最大隆起量约8.7 mm，施工过程对地铁区间隧道的影响安全可控。

2）东广场项目横向联络通道上跨地铁区间隧道，其竖向净距约4.1 m且联络通道上方有约7 m高堆土，堆土清移和联络通道基坑开挖对地铁区间隧道的影响应引起格外重视。在采取地层加固、通道底增设抗拔桩及条形反压板带、抽条法跳挖施工等措施后，数值模拟结果显示施工过程引起的隧道最大累计隆起量约12.7 mm，不影响地铁区间隧道结构和运营安全。

3）本次数值模拟计算结果与现场施工监测反馈信息基本一致，模拟过程能够真实反应本工程施工对既有地铁区间隧道的影响，数值模拟成果可有效指导设计和施工。

4）由于本项目联络通道基坑尚未开挖完成，在后续施工过程中每块条形小基坑开挖结束后应及时施作条形板带、封闭坑底并备足沙袋、条石等进行回填反压，控制地铁隧道回弹上浮和隆起。

5）应加强对地铁区间隧道的监测并对监测数据进行动态分析，做到信息化施工，密切关注盾构管片的变形及内力变化并制定应急预案，必要时可考虑隧道洞内钢环加固、地面跟踪注浆等措施。