门式抗浮框架对隧道变形控制效果实测分析*

陈福斌，祁恒远，蓝淦洲，许啸鹏

(1.深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518040； 2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

为了缓解交通拥堵带来的巨大压力，我国各大城市修建了越来越多的地铁隧道，形成了密集的快速交通网络[1-2]。同时，随着近年来地下商场、地下快速化道路等大量地下空间的开发，邻近既有地铁隧道进行近距离开挖的工程越来越多。开挖会扰动坑底及隧道周边土体的地应力，导致隧道向开挖方向变形[3]。若隧道变形过大，可能引起隧道管片开裂、接头破坏、地下水渗漏，甚至影响地铁运营安全[4]。通常情况下，地下通道和地铁线路一般沿城市主干道敷设，在既有隧道上方进行地下通道基坑长距离开挖，会引起隧道发生显著的上浮变形[5]。

为了分析相邻开挖对既有隧道的影响，许多学者通过理论分析、数值分析、模型试验和现场实测等方法展开研究[6-9]。在这些方法中，现场实测能够最直接地反映地层和隧道的响应，具有分析价值和可靠性。基于现场实测，许多学者对邻近开挖引起的地层位移场变化以及既有隧道变形展开了研究，其中大部分都集中在基坑旁侧隧道的影响上[10]。Meng等[11]报道了深圳市桂庙路工程长距离共线开挖引起的下卧地铁隧道变形响应。结果表明，尽管对基坑进行了分段分区开挖，但隧道仍呈现出明显的上浮变形。

为控制开挖对邻近既有隧道的影响，工程中采用了一系列的隧道变形控制措施。基于时空效应理论[12]，现场采用分段分块分区的方法进行基坑开挖，从而减小卸载范围并缩短开挖时间。对变形隧道周围的土体进行加固，可提高加固区土体的强度和刚度，减少了开挖过程中地基变形，从而提高隧道的抗隆起能力，土体加固的方法通常有三轴水泥土搅拌桩或高压旋喷桩、MJS水平桩和注浆处理等[13-14]。然而，现有研究较少提到当基坑与既有地铁隧道长距离共线时，所应采取的隧道变形控制措施。

本文以深圳某城市快速化改造工程为依托，介绍一种在长距离开挖条件下的隧道上浮控制措施——门式抗浮框架。结合现场自动化监测数据，获得下卧隧道在门式抗浮框架施工阶段和主体工程施工阶段的变形响应。同时，基于实测数据，本文评价了门式抗浮框架对于上覆开挖引起的隧道上浮的控制效果。

1 工程概况

深圳某城市快速化改造工程按照我国城市快速路的标准进行建设，主路段采用地下通道的形式下穿既有主干道。桂庙路在振海路至南海立交段与已开通运营的深圳地铁11号线存在平面共线，长约3.09km。共线段共分为3个标段进行施工，三标位于二标以东，桩号为K3+167—K4+130，总长度963m，均为闭合框架，基坑与隧道平面位置关系如图1所示。三标基坑宽度为25.7～42m，最大开挖深度为14m，基坑底部与隧道顶部的平均距离仅6.4m。

图1 基坑与隧道平面位置关系

在桂庙路工程前期施工过程中，左线隧道部分断面的最大上浮量达到21mm左右，超过了20mm的控制值。为了控制后续基坑开挖所引起的隧道上浮，在三标K3+247—K3+476采取了门式抗浮框架联合竖井跳挖的隧道变形控制措施。

图2为本文研究区段的地层剖面，浅层土层主要为①2填砂，局部含有②2淤泥质黏土、粗砂⑤2，厚度为3.1～6m。地铁隧道及地下通道穿越的土层为⑧砾质黏性土，土层厚度为25～31.1m，砾质黏性土也是场地区域的主要覆盖土层。区段范围内，隧道的下卧土层主要为砾质黏性土。

图2 地层剖面

2 门式抗浮框架

门式抗浮框架由钢筋混凝土抗拔桩和钢筋混凝土抗浮板所组成，抗拔桩布置在隧道的两侧，并与抗浮板在桩顶刚性连接，从而在隧道上方形成门式抗浮框架。

门式抗浮框架总体施工工序为：施作隧道两侧抗拔桩→土体开挖→浇筑抗浮板。因此抗浮板需在基坑土方开挖至指定标高后，方能与抗拔桩刚性连接成门式抗浮框架。为了减小门式抗浮框架施作期间对于下卧隧道的影响，采用开挖竖井的方法施作门式抗浮框架。竖井是将隧道上方大范围的基坑划分为独立的小型基坑，因此竖井的开挖过程也是隧道上方的卸载过程，若对竖井进行连续开挖，势必会增加隧道上方单次卸载量，引起隧道较大的隆起变形。为了限制竖井开挖期间隧道变形，对竖井采用间隔开挖的方式施工，即“跳挖”。抗浮板达到指定强度后，对竖井进行回填，待全部抗浮板施作完毕并完成竖井回填，将对基坑进行二次开挖，从而施作地下通道。

图3为三标K3+247—K3+476里程段隧道与基坑的平面位置关系及竖井布置，受场地施工条件影响，实际的竖井布置范围为K3+258—K3+476。双线隧道的中心距离为13～17m，左线隧道在里程段内位于基坑内侧，而右线隧道从K3+280—K3+300段开始，由基坑围护结构外侧逐渐进入基坑内侧并平行于基坑中线。

图3 三标竖井布置

抗拔桩直径均为1m，中心间距为3m，开挖深度13～15m，竖井平面尺寸在隧道纵向为5～6m，垂直隧道方向约为15m。A区域为单竖井布置，B，C区域由于右线隧道位于基坑围护结构以内，故为双竖井布置。以C区域为例，竖井与隧道的相对位置关系如图4所示。

图4 C区域竖井与隧道相对位置关系

3 自动化监测布置方案

为了获得项目施工中既有地铁隧道的变形情况，对地铁与基坑共线段进行自动化监测。在隧道纵向范围内每间隔约10 m布置1个监测断面，每个监测断面分别在隧道顶部(P4)、隧道两侧(P1，P3)及隧道底部道床(P2)分别布置4个监测点，如图5所示。根据深圳地铁要求，监测的内容包括隧道结构的竖向及水平变形。

图5 隧道自动化监测点位置示意

4 隧道变形响应分析

在门式抗浮框架施作阶段及主体工程施作阶段，下卧隧道经历了“竖井开挖卸载→回填加载→基坑再开挖卸载→地下通道加载”的过程。基于现场实测，下文将探究下卧隧道在该过程中的变形响应。

4.1 隧道纵向变形

三标于2018年12月17日开始进行竖井施工，为了分析竖井开挖对既有隧道的影响，对2018年12月17日的隧道变形进行归零，并分析隧道的相对变形情况。图6描绘了下卧隧道在竖井开挖阶段的纵向变形情况，图中虚线表示竖井所在范围，“B”表示已对竖井进行回填。

图6 隧道竖向位移(2019年1月10日)

如图6所示，当8号、12号、16号竖井同时开挖(隔三挖一)，且16号竖井开挖接近到底，左线隧道顶部的最大上浮量为2mm。单个竖井开挖影响范围约为20m，这也说明隔三挖一可以有效避免竖井同时开挖累积效应导致过大上浮。隧道在K3+440—K3+476区段有沉降发生，这可能是由现场堆载或地下水位的变化所引起。在2019年4月3日，左线隧道上方共有8个竖井同时进行开挖(大致为隔三挖一)，且3号、29号竖井开挖到底，左线隧道顶部的最大上浮量为4.7mm(见图7)。进入6月上旬，施工单位在已完成门式抗浮框架施工的区段进行主体基坑的开挖，由图8可看出三标左线的隧道上浮在2019年6月上旬有较大增长，6月13日的最大累积上浮变形约为6.9mm，7月8日的最大累积上浮变形约为8.6mm。如图9，10所示，右线隧道在竖井开挖期间的最大上浮变形为6.9mm。综上，在竖井开挖(隔三挖一)及回填后，隧道最大上浮变形不超过8mm。在主体基坑开挖阶段，虽有抗浮框架约束，隧道仍呈上浮趋势，上浮变形能控制在10mm左右。对比前期未采用抗浮框架时主体结构施工基坑开挖引起上浮量超过20mm，门式抗浮框架对于控制上方基坑开挖隧道上浮效果显著。

图7 隧道竖向位移(2019年4月30日)

图8 隧道竖向位移(2019年7月8日)

图10 隧道竖向位移(2019年8月16日)

4.2 隧道断面变形

选择3个工况记录完整的横断面进行观测，并将隧道断面P1～P4点在门式抗浮框架和主体工程施工阶段的竖向位移分析如图11所示。隧道的断面竖向变形分为4个阶段进行分析。①阶段1 竖井开挖，断面各点因竖井开挖产生竖向位移，其中隧道顶部P4点的竖向位移显著大于底部P2点位移；②阶段2 竖井回填加载，隧道上浮产生一定程度的回落，但未回落至初始大小，这是由于填土的重度一般小于开挖前原位土体的土重，因此填土加载荷载小于开挖荷载；③阶段3 主体基坑开挖，由于卸载量大，隧道腰侧和底部的上浮变形明显大于竖井开挖阶段，隧道断面呈现出整体上浮趋势。其次，左线K3+277和K3+407断面的上浮值在基坑开挖到底前便已趋于稳定，说明门式抗浮框架发挥了抗隆起作用；④阶段4 地下通道施工引起的再加载，结构加载引起隧道上浮产生一定程度的回落，但并无回落至初始大小。上述实测结果表明，阶段2抗浮框架施工完成，回填土使得隧道上浮量回落，对于控制隧道总上浮量至关重要。

图11 隧道断面竖向位移

4.3 隧道结构收敛变形

隧道的收敛变形值是一个非常重要的指标，它可以反映隧道在横向或竖向上的拉伸或压缩。此处规定隧道的竖向收敛变形值等于P4点的竖向位移值减去P2的点竖向位移值，正值表示拉伸，负值表示压缩。隧道的横向收敛变形值等于P1点的水平位移值减去P3的水平位移值，正值表示拉伸，负值表示压缩。3个断面在门式抗浮框架和主体工程施工阶段的收敛变形值如图12所示。

图12 隧道收敛变形

由于监测仪器安装后，受邻近扰动，竖井开挖前，隧道断面存在一定的变形。随着竖井的开挖，隧道在竖直方向逐渐拉伸、水平方向逐渐压缩，断面均呈现“竖鸭蛋”的变形模式。竖井回填后，隧道上方竖向土压力增大，隧道在竖直方向上逐渐压缩、水平方向上有所拉伸，“竖鸭蛋”的变形模式部分恢复。基坑开挖后，隧道在竖直方向逐渐拉伸、水平方向逐渐压缩，断面仍呈现“竖鸭蛋”的变形模式。随着后期地下通道结构施工的进行，隧道上方的竖向应力由于底板和主体结构的重力加载作用而增大，使得隧道的收敛变形值有所减小。

5 结语

本文基于深圳某城市快速化改造工程，对一种应用在长距离开挖条件下的隧道上浮控制措施——门式抗浮框架展开研究。基于自动化监测，获得了下卧隧道在门式抗浮框架施工阶段和主体工程施工阶段的变形响应，评价了门式抗浮框架对于上覆开挖引起的隧道上浮的控制效果，主要结论如下。

1)在门式抗浮框架施工阶段，竖井开挖主要引起隧道顶部产生竖向位移，引起的隧道水平变形较小。隧道在竖井隔三挖一的影响下，引起的最大上浮变形不超过10mm，说明竖井隔三挖一能够减小竖井开挖对于隧道变形的叠加效应。

2)隧道的断面变形可分为4个阶段，分别为竖井开挖、竖井回填、主体基坑开挖、地下通道结构加载。竖井开挖前，隧道呈现出竖向压缩、水平拉伸的“横鸭蛋”变形模式。随着竖井开挖，“横鸭蛋”的变形模式向“竖鸭蛋”的变形模式发展。竖井回填或地下通道结构加载可使“竖鸭蛋”变形模式恢复一部分。

3)在主体基坑开挖阶段，隧道呈现出整体上浮的趋势。其次，左线K3+277和K3+407断面的上浮值在基坑开挖到底前便已趋于稳定，说明门式抗浮框架发挥了抗隆起的作用。