砂卵石地层基坑开挖对下卧运营盾构隧道结构变形研究

刘天正

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司, 北京 100068； 2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室,北京 100068)

1 概述

近年来，在城市交通网络的建设过程中，地面和地下施工交叉跨越，新建工程影响既有建筑，运营盾构隧道上方基坑开挖等情况越来越多，在保证既有隧道安全运营的前提下，顺利开挖基坑已成为关注的重要问题之一。

大量研究人员对这类问题进行了研究，魏纲[1]统计了国内14个基坑开挖对下方隧道影响的工程案例，其中有11个为上海软土地区工程，而64.3%的工程只监测了竖向位移，对轨距、横向变形和收敛的测量相对较少。姚爱军等[2]应用数值模拟和相似材料模型试验结合的方法，研究了盾构隧道上方卸荷-加载条件下的变形特征。张亮[3]应用MIDAS/GTS软件分析了杭州软土地区邻近地铁基坑工程，提出了水泥土搅拌桩门式加固以降低隧道隆起的方法。黄宏伟等[4]应用有限元软件PLAXIS-GiD于上海外滩通道开挖对下卧延安东路隧道影响分析上，评价了4种不同保护措施的效果。杨挺等[5]在南京龙蟠路隧道西段上跨既有地铁隧道1号线的基坑工程中，采用排桩和板桩的支护方式，有效解决了施工中隧道隆起的问题。姚燕明等[6]采用ABAQUS有限元数值模拟和残余应力法，研究了宁波地铁隧道上方基坑开挖的影响。高强等[7]采用FLAC3D软件对西安环城南路市政隧道上跨既有地铁2号线盾构隧道进行了数值分析和隧道抗浮验算。王永伟[8]，曹前[9]，郑刚等[10]，王定军等[11]分别针对郑州、长沙、深圳、天津地铁的基坑开挖对下卧运营隧道的影响做了数值分析的研究，周泽林等[12]则进行了基坑开挖对下方隧道上抬变形的理论分析。吴薪柳[13]，信磊磊等[14]在天津地铁分别进行了2种基坑开挖方案和3种不同开挖顺序对相邻地铁车站的沉降分析。胡海英等[15]，王立峰等[16]，黄海滨等[17]对广州和某软土地区基坑开挖对既有线的影响进行了监测分析。刘尊景等[18]，左殿军等[19]，邹淼等[20]针对基坑开挖对邻近地铁隧道和既有管线的保护进行了研究。

目前，在软土地区隧道上方基坑开挖的工程案例较多，且由于对既有隧道结构的全方位监测需耗费大量人力物力，多采用数值分析和理论计算，现场监测以隧道竖向位移和收敛为主。本工程位于北京典型砂卵石地层，开挖过程中，土体加固方式和开挖方式与软土地区不同，采取对既有运营隧道多角度实时监测，以达到及时准确的预测隆起值和预防隆起过大造成安全事故的方案，研究结论可供类似工程借鉴和参考。

2 工程概况

新建北京市现代有轨电车西郊线是北京首条现代有轨电车线，西郊线颐和园站—巴沟站区间位于海淀区巴沟路上方，在里程K8+473～K8+491范围内，明挖U形槽基坑上跨火器营站—巴沟站盾构区间隧道斜交成58°。U形槽基坑深6.489～7.47 m，宽15.3～15.7 m，采用5～6道土钉支护，结构底距离地铁10号线区间隧道3.421～3.859 m，地铁10号线盾构区间为直径6 m，厚300 mm的钢筋混凝土管片，顶部埋深约为11.7 m，左右线中心间距12 m，其平面关系如图1所示。

图1 U形槽与盾构隧道平面关系示意

本工程场地位于永定河冲积扇顶部偏北位置，地貌类型为古清河故道，地形基本平坦，土质从上到下依次为：①1杂填土，厚1.2 m；①粉质填土，厚1.8 m；②1粉质黏土，厚1 m；②3粉细砂，厚3 m；⑤卵石，厚4.7 m；⑤4粉质黏土，厚1.3 m；⑤卵石，厚5 m。地层赋存二层地下水：潜水(二)，水位埋深11～13.7 m，承压水(三)，水位埋深28.2～35.4 m，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、越流方式排泄，U形槽与盾构隧道的剖面关系如图2所示。

图2 U形槽与盾构隧道的剖面关系(单位：mm)

3 施工方案与技术措施

3.1 深孔注浆

该项目采用双重管无收缩注浆工法，U形槽采取基坑底至地铁10号线区间上方及10号线区间两侧3 m范围内进行深孔注浆加固的保护措施，加固深度为9.108～10.154 m，加固长度为27.525 m。施工时注浆孔与地铁10号线区间管片顶部保持1.5 m的距离，与管片两侧保持2 m的距离，避免注浆成孔及注浆时对地铁10号线隧道产生影响，注浆孔间距1.0 m×1.0 m梅花形布置，深孔注浆加固横断面如图3所示。

图3 基坑底深孔注浆加固横断面(单位：mm)

钻孔完成后即进行该孔的注浆，注浆量按公式(1)计算

L=V×n×α×(1+β)

(1)

式中，L为注浆量；V为注浆范围土体体积；n为地层孔隙率；α为浆液充填系数，范围0.7～0.9，取0.8；β为浆液损失率，范围10%～30%，取20%；设计中，n×α×(1+β)统称为填充率，按表1选用。

表1 填充率选用

注浆压力的确定可按公式(2)计算

P=K·H

(2)

式中，P为设计注浆压力；H为注浆深度；K为由注浆深度确定的压力系数，注浆压力系数按表2选用。

表2 注浆压力系数选用

根据地层渗透系数情况及浆液注入量情况，注浆压力严格控制在0.2～0.3 MPa，当压力突然上升或从孔壁溢浆，立即停止注浆。注浆孔开孔直径不小于42 mm，跑浆时应采取措施确保注浆量满足设计要求。

3.2 U形槽基坑开挖

本段U形槽基坑深6.489～7.47 m，宽15.3～15.7 m，采用3.7∶1坡比(坡角75°)放坡分层开挖的方法，基坑开挖时按土钉布置层距，每层开挖1.2 m，机械开挖至距基底高程50 cm处，然后人工清底。水平方向分两段开挖，每段开挖长14 m，第一段开挖后施作主体结构，回填后再开挖第二段。按照设计的分层开挖深度和坡度开挖，分层开挖深度在每道土钉孔口高程下0.5 m处，不得超挖，开挖过程中，挖掘机不得碰撞土钉墙面板。注意不得超挖扰动原状土，标准断面开挖见图4。

图4 U形槽标准断面开挖示意(单位：mm)

3.3 U形槽主体结构施工

根据该工程结构特点及工程进度情况，考虑剖面的模板配制，U形槽段混凝土分两步进行：第一步浇筑底板；第二步搭设满堂支架，浇筑侧墙。底板一次性浇筑高度为腋角上30 cm，剩余部分的侧墙一次浇筑到顶。U形槽用C35商品混凝土浇筑，采用泵车泵送入模。混凝土浇筑纵向由一端向另一端浇筑，插入式振捣器振捣，浇筑过程中混凝土自由下落的高度差不得大于2 m，防止混凝土产生离析。当混凝土下落高度高于2 m时采用串桶、溜槽等措施进行混凝土浇筑。

4 隧道结构变形监测

4.1 监测项目及控制标准

基坑开挖期或钻孔灌注桩施工期间，每晚列车停运后监测1次；结构施作期间，1次/3 d；施工完成后1次/周，监测1个月，之后1次/月；最后根据数据稳定情况进行调整，监测频率可根据监测情况适当调整，异常情况适当加密，监测项目如表3所示。

当变形值达到控制值的70%时，应及时预警响应；当达到80%时，需报警响应，各控制标准如表4所示。

表3 监测项目

表4 变形控制标准 mm

4.2 监测点布置

4.2.1 隧道结构竖向变形

在U形槽段影响范围的隧道，自穿越影响中心，沿隧道走向，向两侧按10 m的间距布设监测断面，每个监测断面布设2个测点。在区间结构两侧，使用电动钻具在选定部位钻直径20 mm，深度约50 mm孔洞，清除孔洞内渣质，注入适量清水养护；然后向孔洞内注入适量搅拌均匀的锚固剂，放入观测点标志；使用锚固剂回填标志与孔洞之间的空隙，养护15 d以上。左线选取5个断面，右线选取5个断面，共20个测点，埋设形式如图5所示。

图5 结构沉降测点布置示意

4.2.2 轨道结构竖向变形

U形槽段影响范围内的轨道结构竖向变形测点与隧道结构竖向变形测点布设在同一断面。中央排水沟整体道床段，测点标志采用φ8 mm膨胀螺栓，按设计位置钻孔埋入。测点埋设不得影响地铁设施，保证埋设稳固，并做好清晰标记，方便保存。钢弹簧浮置板式减振道床段，测点采用涂抹AB胶粘贴监测点的方式进行布置。隧道结构和轨道结构竖向变形测点平面布置如图6所示。

图6 隧道结构和轨道结构竖向变形测点平面布置(单位：m)

4.2.3 隧道结构横向变形与收敛

隧道结构水平位移监测采用全站仪极坐标法进行，使用Leica TCA1201+R400全站仪进行观测，布设断面与竖向位移监测断面一致，每个断面布设1个测点。隧道结构收敛测点与隧道结构竖向变形测点布设在同一断面，每个断面布设2组测点，采用JSS30A型数显收敛仪对隧道净空收敛进行观测，测点平面布置如图7所示。

图7 隧道横向变形与收敛测点平面布置(单位：m)

4.2.4 轨道几何形位测量

对轨道轨距、水平的静态几何尺寸使用轨道尺，按《北京市地铁运营有限公司企业标准技术标准工务维修规则》要求方法及标准进行检查，轨道静态几何尺寸检查点布置位置与结构沉降观测断面对应。在施工影响范围内每150 m布设1组无缝线路位移观测点，每条轨上设1个无缝线路临时位移观测标尺。

4.2.5 自动化监测系统

既有地铁轨道结构自动化远程监测采用静力水准远程自动化监测系统，监测网按测线形式在两条隧道结构上布置，基准点在受隧道施工影响外的结构位置布设。西郊线明挖区间上跨地铁10号线对应既有隧道里程处，影响中心下方对应位置左右线各布设1个监测断面，沿隧道走向两侧按10 m间隔布设测点，各布设两排测点。左线取YCC2-1～YCC2-5共5个测点，右线取YCC4-1～YCC4-5共5个测点，布置顺序为盾构井至明挖区间。

5 实测数据分析

5.1 隧道结构竖向变形分析

土体开挖后，基坑底部应力释放，既有隧道上部卸荷，受力减小，则会导致既有隧道受到向上附加力的作用，使结构产生隆起变形。当第一段U形槽开挖时，开挖范围主要集中在盾构隧道左线正上方，土体开挖后，两线隧道结构均向上隆起变形，左线的隆起速率高于右线，且隆起稳定值也高于右线。U形槽开挖至结构底板时，盾构隧道结构竖向变形达到最大，左线隆起值达到1.3 mm，右线1.1 mm。约在第35 d时，开始浇筑底板和侧墙，左线隧道结构各测点表现出明显沉降的趋势，而右线则个别点出现沉降。第一段主体结构做完后，基坑中部对应隧道测点的隆起值大于基坑边缘对应隧道测点值。约在第65 d开挖第二段，隧道结构又出现隆起，但隆起变化不大；约在第100 d施工第二段主体结构，处于同一监测断面的两侧测点的竖向变形值表现出比较明显的差异性；基坑中心处对应的隧道竖向变形趋势一致，而基坑边缘对应的两侧测点在施工后期则呈现出相反的特性，一边隆起，另一边则沉降，竖向变形曲线如图8所示。

图8 隧道结构竖向变形曲线

5.2 轨道结构竖向变形

从轨道结构沉降上看，两条线路轨道都表现出隆起的现象，左线两根钢轨测点在同一断面的隆沉趋势近乎一样，而右线两根钢轨在第二段土体开挖时，同一断面两测点出现的差异沉降较大，分析造成的原因可能为第一阶段开挖的扰动和列车荷载的振动。左线靠近基坑边缘的测点在施作主体结构之后处于向下沉降的趋势；第二阶段的开挖使左线产生一定的回弹，而右线则没有明显的回弹趋势，基本保持隆起状态，轨道结构竖向变形如图9所示。

图9 轨道结构竖向变形曲线

5.3 隧道结构横向变形与收敛

隧道的横向变形较小，左右来回波动，极不稳定，波动范围在-0.5 mm～+0.5 mm，小于竖向变形值。从水平方向看，隧道的受力基本保持平衡，未发生明显的整体移动现象，数据变化较为凌乱，横向变形曲线如图10所示。

图10 隧道结构横向变形曲线

地勘报告中测得该场地土层的静止侧压力系数K<0.7，隧道顶部所受土体的自重应力大于侧向受到的水平自重应力，则既有隧道产生“横椭圆”的变形规律；当土体开挖以后，上方压力小于水平受力，隧道产生水平压缩，竖向拉伸的“竖椭圆”的收敛变形。当施作底板和主体结构后，隧道收敛逐渐恢复，然后再缓慢收敛；当第二阶段开挖后，隧道收敛趋势越来越大，如图11所示。

图11 隧道收敛变形曲线

5.4 轨道几何形位

图12 隧道轨距偏差

随着基坑的开挖，两隧道钢轨轨距逐渐向相反方向张开，基坑开挖至最底层时，张开量达到最大；施作底板和主体结构后，两轨距慢慢靠拢，主体结构完成后，轨距张开量达到最低值；当第二段开挖后，轨距又重新张开，整个轨距曲线呈“M”形对称分布，轨距值在±2 mm之间波动，最终轨距还是以张开为主，轨距量测如图12所示。

5.5 隧道结构变形自动化监测

从自动化监测可以看出，左线上方先开挖时，隧道竖向变形波动很大，右线隧道变形相对稳定，施作底板和主体结构后隧道开始沉降，当第二段开挖时，隧道又重新开始隆起，与第一阶段开挖相比，隧道结构隆起值更加平稳，基坑中心范围内的测点以隆起为主，隆起值约0.3 mm；而远离基坑中心的两端测点YCC2-1和YCC2-5则出现沉降，与人工测量结果基本一致。右线测点在第一段基坑开挖时，隆沉值较小，第二段开挖后，隆起值大于第一阶段隆起值，自动化监测曲线如图13所示。

图13 隧道结构变形自动化监测曲线

6 结语

在既有运营盾构隧道上方近距离开挖基坑，会引起隧道和轨道结构发生较大竖向变形，必须采取有效的土体加固措施。此次U形槽基坑开挖对地铁10号线盾构隧道的变形成功控制在规定值以内，并得出以下结论。

(1)既有运营盾构隧道结构的竖向位移以及轨道的竖向位移均表现为隆起，随着深度的增加，变形增大；水平方向的变形为左右波动，极不稳定，其值小于竖直方向的变形；隧道受水平方向压缩和竖直方向拉伸的力，收敛为“竖椭圆”形状。

(2)采用深孔注浆的土体加固方式，在基坑开挖前，先对既有运营盾构隧道周围土体进行注浆加固，并确定合理的注浆量和注浆压力，可大幅度减少隧道隆起，把隧道变形值控制在允许范围内。

(3)U形槽开挖应遵循“分层、分块、分条幅、平衡、限时、对称”原则；开挖完成后应该及时施作主体结构，使坑底增加配重，减小坑底的隆起和既有隧道的竖向变形。

(4)既有线路上方进行基坑开挖风险性高，隧道变形控制要求严格，在开挖过程中，需要严密的对隧道结构、轨道结构、轨距、隧道收敛等进行监测，制定好预警值和报警值，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，确保既有线的安全运营。