广西壮族自治区城乡规划设计院 南宁 530022
摘要：因建设时序的原因，在既有地铁区间隧道上方特级外部作用影响区域进行市政隧道施工，基坑开挖卸载引起的回弹隆起和地铁隧道结构变形是工程设计施工需要控制的重点和难点。采用合理的参数取值，建立二维和三维的数值模拟，分析研究基坑开挖过程中的区间盾构隧道的隆起变形规律，并针对现状地质情况采用合理的加固措施，运用时空效应原理开挖基坑，有效控制下方盾构隧道的隆起变形，建立系统合理的设计施工监测体系，确保区间隧道的安全。
关键词：基坑开挖；数值模拟分析、地铁盾构隧道；
0 引言
随着近年来国内城镇化的进程，城市建设中出现了不少地铁与市政基坑工程交叉施工的问题，由于建设时序的原因，导致后续市政基坑工程施工时对邻近既有地铁区间隧道造成一定的影响。同时，运营中的地铁区间隧道对变形控制极为严格，因此，如何控制地铁区间隧道上方基坑开挖过程中，地铁隧道的变形是值得研究和探索的课题。
南宁市连福-安吉立交一期工程为市政隧道工程，市政隧道位于已运营的南宁地铁2号线安吉客运站～西津站盾构区间正上方，两者走向平行。市政隧道基坑开挖深度为5m，两者之间最小净距为6.2m，且该段地质情况较为复杂，因此，施工工程中如何控制基坑开挖卸载引起的回弹隆起和隧道结构变形是本项目的难点，为最大限度地降低工程风险，减小基坑开挖对下卧地铁2号线盾构隧道的影响，同时保证基坑开挖施工和既有地铁隧道的安全，通过计算分析研究基坑开挖过程中盾构隧道的变形情况，提出了运用时空效应原理对基坑采用分段、跳槽、对称、分层开挖，同时对软弱地层进行加固的设计施工方案。
1 工程概况
1.1市政隧道与地铁区间盾构隧道概况
安吉客运站～西津站区间受上方市政隧道基坑开挖影响长度约为480m，工程施工范围内盾构隧道顶距现状地面深度约为9.5～14.5m，主要穿越地层有粉砂层、圆砾层、粉砂质泥岩、粉砂岩。地铁隧道断面为圆形，外径为6.0m、内径为5.4m，壁厚0.3m，盾构管片环宽1.5m，每环由6块管片通过12根M24螺栓连接，环间纵向设置10根M24螺栓连接，错缝拼装。
市政隧道沿安吉大道南北向布置，下穿连福路，隧道全长约480m，对于深度小于2米段的基坑采用放坡明挖法施工，其余段落采用拉森钢板桩支护施工，基坑开挖深度最大约为5米。隧道结构采用框架闭合段与敞开段（U型槽段+挡墙段）结构形式。
1.2 市政隧道与地铁区间盾构隧道相对关系
安吉客运站～西津站区间与上方市政隧道平行设置，影响范围内的市政隧道里程桩号为：K-0-240～K 0+240，总长为480m，相对应的盾构区间隧道里程桩号为：K40+460～K40+940。市政隧道底板底至盾构隧道拱顶净距为6.2～13.1m。两者相对的横、纵剖关系如图1和图2所示。
图1 地铁2号线与市政隧道的纵剖面关系图
2 地铁盾构隧道安全控制标准
依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013），并参照上海、广州、深圳等城市的地铁保护技术标准，对本项目采用地铁保护标准为：
1）地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量不大于20mm（包括各种加载和卸载的最终位移量），报警值小于10mm；
2）隧道径向收敛变形不大于20mm，报警值小于10mm；
3）地铁结构日沉降量和水平位移量不大于0.5mm；
4）隧道变形曲线的曲率半径大于15000m，相对曲率小于1/2500；
5）盾构管片接缝张开量小于2mm，报警值小于1mm；
6）结构裂缝宽度迎水面小于0.2mm，报警值小于0.1mm；背水面小于0.3mm，报警值小于0.15mm；
7）轨道横向高度控制值小于4mm，报警值小于2mm；轨向高差（矢度值）控制值小于4mm，报警值小于2mm。
图2 地铁2号线与市政隧道的横剖面关系图
3基坑开挖及基坑基底加固设计方案
3.1基坑开挖方案
在破除原路面后，为了保护盾构区间段，减小基坑开挖卸载对区间隧道隆起作用。对基坑开挖纵向采用分段开挖施工，每块开挖基底宽度不大于10米，开挖纵向两侧采用1:2.5放坡，同时相邻两段开挖间距应大于30米，且不可以同时开挖。每段开挖工程中，应保证横向方向对称开挖。施工过程中，应保证各项工序紧密衔接，减少工序搭接时间，尽可能减少基坑暴露的时间。建议底板钢筋笼采用预制吊装，同时严格控制基坑暴露时间在10个小时以内。开挖过程中运用时空效应原理合理安排开挖土方的尺寸，建议施工应预留基底1m原状土，待相应施工准备好后，迅速开挖并完成底板施工，严格按照“分层、分块、分段、对称、平衡、限时”开挖基坑，有效控制下部盾构隧道的隆起变形。
同时，考虑到卸载量较大，结合沉降数据，要求在底板混凝土完成达到设计强度90%后进行堆载反压处理，堆载可采用含水量较低的填土或砂砾装袋反压；开挖卸载过程中，也可根据检测数据，在不影响盾构施工的前提下，在盾构区间内进行堆载反压处理。开挖过程中，委托专业第三方监测单位加强盾构区间及地表沉降等数据的观测，及时反馈，做到动态施工、动态管理。 3.2基坑基底加固方案
为了确保下穿隧道工程的施工安全，尤其在施工中要确保已施工完成的地铁2号线的安全，本工程采用深层水泥土搅拌桩加固和高压旋喷桩加固。先行进行深层水泥土搅拌桩施工，待搅拌桩施工完成24小时后进行基底高压旋喷桩施工，形成止水帷幕和侧向及顶部保护。检查地基加固效果，待加固强度达到设计强度后，再进行拉森钢板桩打设工作。加固后，底板以下部分土体要求28天无侧限抗压强度不小于1.2MPa，深层水泥土搅拌桩桩径为1.0m，纵向桩间搭接0.1m，水泥掺量不小于20%。
盾构区间周边范围的土体加固，可以增大土体的粘聚力和抗剪切力，增大土体的弹性模量，使得基床系数增大，隧道的纵向弹性特征值增大，从而隧道的变形减小；其次，加固体形成的整体性很好的空间厚板体系，在后期钢板桩施工时，增大土体对隧道的约束，从而有效地限制隧道的隆起。综合分析，通过加固软弱地基，提高土体强度，从而提高基坑的稳定，减小坑底的回填及卸载下方隧道的隆起变形，也通过钢板桩、深层水泥土搅拌桩和高压旋喷桩形成止水帷幕，减小盾构隧道的浮力。
4基坑开挖施工对既有2号线工程影响的数值计算分析
4.1计算分析理论及概况
本工程主要考虑基坑开挖施工引起的沉降与地层关系密切，因此采用地层-结构模型进行分析。运用Midas GTS的地层-结构模型的三维数值分析方法评估基坑及上部结构施工对轨道交通隧道的影响，在获得建筑物施工前场地初始地应力场和区间隧道结构初始受力状态的基础上，进行土体自重固结、区间盾构施工等三维动态模拟。分析基坑钢板桩施工、基坑开挖过程对区间隧道结构受力的影响，确定施工过程中区间隧道结构的最大位移增量，同时针对最不利截面，利用典型钻孔土层分析情况进行二维建模分析。
4.2数值计算模型
4.2.1 计算模型
计算模型取长480m，宽45m，高35m，土体采用摩尔-库伦本构模型，拉森钢板桩采用等刚度替换为0.098m厚的平直钢板桩，采用平面/板单元模拟区间盾构隧道。模型网格划分如图3所示。
有限元模型左右边界约束水平位移，下部边界约束竖向位移，上部边界自由。模型计算考虑两种开挖工况，即一次性开挖和分步开挖。施工步骤具体如下：
1）模拟土体自重固结、盾构隧道通过，之后清零盾构隧道位移，保留盾构隧道内力状态。
2）模拟钢板桩施工对盾构隧道的影响。
3）模拟计算开挖基坑两工况，即即一次性开挖和分步开挖。
4）模拟后续隧道结构投入运营后盾构隧道的弯曲变形，由于运营后加载对土体隆起有力，因此步骤三的变形计算结构为最大盾构隧道变形。
5）针对距离盾构隧道最近、土层相对较差处进行二维模型模拟分析，并与三维模型计算结果进行对比分析。
4.3数值计算结果分析
4.3.1 盾构隧道变形结果分析
根据三维模型分析结构，分步开挖施工引起的盾构隧道管片最大变形为10.93mm，竖向变形为主要变形，最大为10.66mm；一次性开挖施工引起的盾构隧道管片最大变形为15.5mm，竖向变形为主要变形，最大为15.3mm。区间盾构隧道弯曲变形较均匀，盾构隧道的变形曲率最大为1/11061，盾构结构径向收敛在1mm以内。按最不利断面的二维计算结构，地铁盾构管片最大变形为15.8mm。计算部分结果见图4、图5。
4.3.2 轨道变形结果分析
轨道的轨向高度（矢度值）最大为1.5mm。
5 现场监控量测
为了保证既有轨道交通2号线的正常、安全运营，市政隧道施工过程中对影响范围内的区间隧道进行了结构沉降、水平收敛变形及轨道沉降等的变形监测。
自2017年11月7日（市政隧道土方开挖）测定初始值并进行正常的自动化监测以来，截止隧道基底加固完成、基坑开挖至基底及市政隧道主体完成，通过监测数据统计，市政隧道基坑施工引起的区间盾构隧道竖向最大位移最大为+0.90mm，管片净空收敛最大累计变化量为+1mm，基坑开挖引起的盾构隧道的变形值满足地铁保护标准。
通过上述分析，现场监测数据明显小于数值模拟计算结果，因数值模拟未考虑隧道基底高压旋喷桩及隧道两侧水泥土搅拌桩对粉土、粉细砂土层的加固作用，因此，上述加固措施对区间隧道的变形控制起到了较为有效的作用。
6 结论与讨论
本文对市政隧道基坑开挖方案采用Midas GTS软件进行了三维及二维的数值模拟计算，同时结合后期施工过程中的现场监测数据进行对比分析，得出如下结论：
1）采用三维及二维数值分析模型及其参数取值基本合理，能够较精确地预测隧道的隆起变形规律。
2）对于大面积开挖卸载的邻近既有区间隧道的市政隧道工程，运用时空效应原理，合理安排施工工序和时限，严格按照“分层、分块、分段、对称、平衡、限时”开挖基坑，能有效控制下部盾构隧道的隆起变形。
3）针对市政隧道基底及区间盾构隧道之间存在软弱土层的情况，采用高压旋喷桩等预先加固措施，能有效的控制地铁隧道的隆起位移。
4）市政隧道基坑在既有地铁隧道的设计与施工是一个综合性的岩土工程问题，需要在数值模拟、设计分析、施工工艺、现场监测和有效预案等方面综合系统分析，制定出完善合理的设计施工监测方案。
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作者简介：李博（1987- ），男，主要从事市政桥梁隧道及地下工程方面的设计工作。
论文作者:李博
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：隧道论文; 盾构论文; 基坑论文; 区间论文; 地铁论文; 市政论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第5期论文;