港渠开挖卸载对既有下卧地铁盾构隧道影响分析

2016-11-18陈建斌郭少波吴立鹏

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：渠底卸荷标高

陈建斌，郭少波，吴立鹏，范　伟

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023；2.武汉市洪山城市建设投资有限公司，湖北武汉 430070）

港渠开挖卸载对既有下卧地铁盾构隧道影响分析

陈建斌1，郭少波2，吴立鹏1，范伟1

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023；2.武汉市洪山城市建设投资有限公司，湖北武汉 430070）

通过对位于既有下卧盾构隧道的港渠渠底开挖卸载工程案例介绍，采用卸荷比和基坑卸荷影响深度分析方法，定性判断渠道卸载影响深度，同时对卸荷后所产生的隧道抗浮稳定性进行了验算，并采用大型岩土与隧道有限元分析Midas/GTS对卸荷所引起的隆起变形进行了数值计算。依据多项分析结果，推荐采取土体加固处理、渠道底部硬化、分层分段卸载，以及信息化监测的措施。并且，其措施的有效性也在工程实施中得到了验证。

开挖卸载；盾构隧道；卸荷比；卸荷影响深度；抗浮分析

0　引言

随着城市轨道交通建设的快速推进，与其相关联的地下工程之间相互影响的矛盾也日益突出，尤其是地下工程近接施工对临近工程的影响。其中，比较典型的就是基坑开挖卸载对临近或下卧地铁工程的影响。采用合理的分析手段来判断其影响程度并采取有效合理的措施，一直以来都是科研人员和工程技术人员所关注的话题［1-3］。本文通过对位于既有下卧盾构隧道的港渠渠底开挖卸载工程案例介绍，采用卸荷比和基坑卸荷影响深度分析方法，定性判断渠道卸载影响深度；同时，对卸荷后所产生的隧道抗浮稳定性进行了验算，并采用大型岩土与隧道有限元分析Midas/GTS对卸荷所引起的隆起变形进行了数值计算。依据多项分析结果，采取了土体加固处理、渠道底部硬化、分层分段卸载，以及信息化监测的措施。其措施的有效性也在工程实施中得以验证。

1　工程概况

1.1工程简介

武汉市轨道交通4号线一期工程线路南起武昌火车站，穿过武昌区、洪山区等主城区后至终点武汉火车站止，全长16.488 km。该工程于2008年启动土建施工。其中，位于洪山区的铁机村站～罗家港站区间（简称罗铁区间）右DK23+400～右DK23+485段下穿了现状沙湖港（桩号S1+807～S1+827）区域。该段港渠渠底宽度为13.6 m，渠底标高约为17.6 m，两岸标高约为21.5 m，而该段区间隧道顶标高约为12.6 m，底标高约6.6 m，渠底处覆土厚度仅有5 m，两岸处覆土厚度为8.9 m。具体见图1、图2所示。

图1　沙湖港与罗铁盾构区间平面图

图2　沙湖港及罗铁区间剖面图

隧道断面（见图3）为单洞单线圆形隧道，管片外径6.0 m，内径5.4 m，管片厚度为0.3 m，环宽为1.5 m，全环由一块封顶块、两块邻接块、三块标准块共六块管片组成，采用错缝拼装。该段区间于2012年7月7日洞通，2013年5月1日铺轨完成，按总体工期要求，应于2013年12月份正式通车。

图3　罗铁区间隧道结构示意图

1.2存在问题

沙湖港为横跨武昌区和青山区的渠道，根据武汉市排水规划要求，该港需要进行断面拓宽加深改造工作。其中，改造后的罗铁区间段沙湖港底宽将达34 m～64 m，改造后渠底标高为16.4 m，渠道南侧采用钢筋混凝土悬臂式挡土墙，北侧采用1：1～1:1.5的放坡，渠底主要为土质明渠。该段拓宽工程将于2013年9月份启动，2013年12月完成通水。

由于该段罗铁区间已经贯通，而上部港渠即将开工，需对隧道上部进行卸土1.2 m～4.6 m，此时隧道覆土仅为3.8 m（0.63洞径）。这就存在着隧道顶部卸载造成土体应力释放后对既有隧道结构安全的影响，以及对运营期间隧道的整体稳定性影响，可能会出现坑底卸载后引起隧道结构上抬，从而造成隧道环、纵缝张开而引起结构漏水涌砂事故，也可能出现上部压重减轻后隧道受承压水作用出现整体上浮问题。为此，需对渠道施工期间及运营期间隧道安全进行影响分析和评估，以采取可靠、合理的保护措施。

1.3工程地质

场址范围内从上到下的地层依次为：②1淤泥、③1黏土、③3黏土、③5粉质黏土夹粉土粉砂、④1粉细砂和⑥2细砂夹砾卵石。其中，盾构穿越地层主要为③3黏土、③5粉质黏土夹粉土粉砂和④1粉细砂。

各土层物理力学参数建议值见表1所列。

1.4水文地质条件

1.4.1地表水

该工程范围内主要地表水为沙湖港。沙湖港宽约20 m～25 m，水深1 m～2 m。

表1　岩土参数建议值一览表

1.4.2地下水类型及地下水位

在勘探深度范围内场地地下水类型以上层滞水和孔隙承压水为主。上层滞水主要赋存于①层填土层中，接受大气降水及周边湖塘渗透补给，无统一自由水面。孔隙承压水主要赋存于④层砂土及⑥砾卵石层中，水量丰富，与长江有较密切的水力联系。③5层粉质黏土夹粉土粉砂中也赋存有过渡型弱孔隙承压水。承压水水位标高一般为15.00 m～20.00 m（黄海高程），年变幅为3～4 m，勘察期间该场地实测承压水水位为19.00 m。

2　港渠卸载影响分析及治理措施

港渠卸载区域根据卸载深度共分为2个区域，见图4所示。区域一：渠道底从现状渠底标高17.6 m开挖至设计渠底标高16.4 m，平均挖深D=1.2 m；区域二：渠道底从现状地面标高21.0 m开挖至设计渠底标高16.4 m，挖深D=4.6 m。

图4　渠底卸载区域图

根据卸载深度的不同，分别采用卸荷比与回弹率关系、基坑坑底卸荷影响深度经验，以及数值计算方法，从定性和定量角度分析施工期间渠底卸载对既有盾构隧道结构的影响，以及判断初步处理措施的有效性。同时，根据隧道所处的特殊地层及其水力赋存条件，分析运营期间隧道结构的抗浮安全稳定性。

2.1施工期间卸载影响分析

2.1.1卸荷比影响深度分析

文献［4、5］在室内压缩回填试验、原位载荷试验、大比尺模型试验基础上，对回填变形随卸荷发展规律进行了较为深入的研究，并提出了卸荷比概念，即（其中，α是附加应力系数，γ是土体重度，D是卸载深度，Z是卸荷影响深度）。基坑开挖卸载所引起的回弹率与卸荷比有一定联系。根据室内土体回填试验性质分析：当R＜Rcr（临界卸荷比），其回弹模量较大，回弹变形量较小；当Rcr＜R＜Ru（极限卸荷比），其回弹模量随R呈log对数衰减；当Ru＜R，其回弹模量随R呈极具衰减。当R≤Rcr=0.2，其回弹比率很小，根据相关试验成果分析，卸载后对应坑底一定深度以下土体不发生回弹变形，由此可推算出卸载回弹影响深度Zcr，见图5、图6所示。

图5　坑底卸载回填影响深度图

图6　回填比率与卸荷比关系图

对于区域一而言，卸荷深度D=1.2 m，Rcr=0.2，推算出影响深度Zcr=4.8m，坑底标高16.4 m，回弹影响标高为16.4-Zcr=11.6（m）小于盾构隧道顶部标高12.6 m，故卸载后隧道仅顶部1 m处有一定回弹，除此之外，隧道基本不出现上抬现象。

对于区域二而言，卸荷深度D=4.6 m，Rcr=0.2，推算出影响深度Zcr=17 m，坑底标高16.4 m，回弹影响标高为16.4-Zcr=-0.6（m）小于盾构隧道顶部标高12.6 m，该区域内盾构隧道处于卸载回弹影响范围之内。

2.1.2基坑开挖坑底回弹相关研究

文献［6］中通过K0试验，采用侧向应力松弛法和E0-R法分析了深基坑开挖坑内回弹的规律，得出了基坑开挖卸载所引起的土体回弹影响区一般为2.0～2.5倍的基坑开挖深度的结论，具体见图7所示。根据上述规律，结合该工程情况，分别对各种区域影响深度进行分析。

图7　坑底卸载影响深度图

对于区域一而言，卸荷深度D=1.2 m，推算出影响深度2.4～3.0 m，坑底标高16.4 m，影响标高为16.4-（2.4～3.0）=14～13.4（m）小于盾构隧道顶部标高12.6 m，故卸载后隧道基本不出现上抬现象。

对于区域二而言，卸荷深度D=4.6 m，推算出影响深度9.2～11.5 m，坑底标高16.4 m，影响标高为16.4-（9.2～11.5）=7.2～4.9（m）小于盾构隧道顶部标高12.6 m。

根据上述两种方法定性分析可知，区域一范围内卸载对隧道影响甚微，区域二在卸载后隧道周边土体均处于卸载回弹影响区，隧道可能出现上抬现象。

2.1.3数值影响分析

为进一步定量分析区域二范围内坑底卸载对下卧隧道结构的影响，采用了大型岩土与隧道结构有限元分析软件Midas/GTS对该工况进行了二维平面数值模拟分析。模型的基本假定为：土体采用M-C本构模型，盾构隧道采用线弹性梁单元，选择80 m×23.5 m（x-y）区域内作为边界条件，通过土体钝化来模拟渠底施工开挖所引起的土体应力场和位移场，计算模型见图8所示。具体材料的物理力学参数和单元类型见表2所列。

图8　渠道计算模型

表2　材料单元物理力学指标参数一览表

根据类似地下工程施工案例，为降低卸载对既有结构的影响，一般采用对隧道周边的土体进行加固处理。因此，该工况下也进行了在未进行土体加固处理工况、对隧道顶部和两侧土体进行加固处理工况分别进行卸载影响分析（见图9～图14）。加固后土体参数见表3所列。

图9　渠道竖向位移云图（土体未加固工况）

图10　盾构隧道结构弯矩图（土体未加固工况）

图11　盾构隧道结构轴力图（土体未加固工况）

图12　渠道竖向位移云图（土体加固工况）

图13　盾构隧道结构弯矩图（土体加固工况）

图14　盾构隧道结构轴力图（土体加固工况）

表3　计算结果对比表

从上面计算结果的图9～图14和表3可以看出，区域二卸载4.6 m后，在不考虑地基加固作用下，渠底上抬58 mm，隧道结构上抬9.4 mm。在考虑地基加固作用下，渠底上抬18 mm，隧道拱顶位移上抬6.3 mm。这表明采用地基加固措施，可以有效地降低由于土体卸载造成的渠底土体隆起量，同时可在一定程度上控制盾构隧道的竖向上抬量。

2.2抗浮稳定分析

根据地质报告可知，隧道区间底部对应120°弧长范围结构是位于承压水层，直接受承压水顶托作用，而其余部位位于不透水层③1和③2层粘土层中，并未直接承受高水头承压水压力作用，因此需对渠道施工工况和按规划断面形成后永久工况进行隧道整体抗浮分析。

根据隧道结构整体抗浮要求，其抗浮安全稳定系数需满足（G+W+Ws）/Fw≥1.05（不考虑结构侧向土体摩阻力、结构纵向约束时）。式中：G为结构自重；W为上覆土重；Ws为渠道水压重；Fw为承压水压力。计算简图见图15所示。

图15　地层加固剖面图

（1）渠道施工工况（渠道内无水情况）：

在满足抗浮安全系数前提下，承压水头标高小于等于16.5 m。

（2）渠道运行工况（渠道内常水位2 m）：

在满足抗浮安全系数前提下，承压水头标高小于等于18.4 m。

根据勘察资料，该场地承压水标高15.0～20.0 m，隧道在长期运营期间其结构整体抗浮不满足要求！

2.3治理措施

通过计算表明，沙湖港改造会引起盾构隧道一定量的上抬，计算的上抬值小于20 mm，参考《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》等相关要求，基本满足地铁隧道运营的要求，但是由于地铁隧道结构为装配式衬砌，管片之间是通过环向和纵向螺栓连接，缝间通过设置弹性密封垫进行止水处理。如果管片之间上抬量不均匀，势必会造成环纵缝之间的张开，当张开量达到一定数值时，挤压式的弹性密封垫将失去止水效果，造成水土涌入隧道内，发生事故。又经抗浮验算，发现渠道运行期间隧道抗浮略有不足，因此为了降低上覆土体卸载对隧道结构的影响，以及避免后期水流冲刷及疏浚施工对隧道顶部覆土的扰动，进而影响隧道长期稳定性，需要采取一些措施来减小沙湖港改造对地铁隧道的影响。

2.3.1地层加固处理

根据上述分析，需对隧道周边的土体进行加固处理。由于三轴搅拌桩具有施工扰动较小、加固效果较好等特点，故该工程采用了650@450三轴搅拌桩进行地层加固。加固深度从设计渠底至隧道结构拱底以下2 m。加固体位于④1粉细砂层，该范围内实桩水泥掺量为20%，从现状地面至设计渠底为空搅部分，水泥掺灰量为8%，加固体必须达到28 d无侧限抗压强度应不小于1.0 MPa。加固宽度以双洞隧道中线向两侧各11.825 m为加固边界，总宽度为37.65 m，具体见图16所示。为尽量减轻施工对既有隧道的影响，同时考虑一定的施工误差，搅拌桩与隧道结构外壁最小安全距离控制为1 m。

图16　地层加固剖面图

由于采用搅拌桩将渠底软土进行加固处理（见图17），加固厚度约3.8 m，除提高了土体强度，同时也增加了土体容重约0.5 kN/m3，相应地也提高了上覆压重厚度约0.5×3.8=1.9（m），在此情况下，盾构隧道可抵抗18.4+1.9=20.3（m）的承压水头，运营期间抗浮稳定性得以满足。

图17　施工现场搅拌桩加固之实景

2.3.2分层分区卸载

充分利用土体的“时空效应”，采用分层分区开挖的方式，尽量将坑底卸载对隧道的影响降低到最低。根据该工程实际情况，沙湖港拓宽清淤共分3层进行，每层卸载的厚度控制在1.5 m之内，每层土体分段开挖，每段底部宽约5 m，两侧采用1:2的放坡。分段开挖尽量以隧道中心线采用对称平衡开挖方式，减小偏心卸载引起隧道横向位移。具体见图18所示。

2.3.3渠道底部硬化处理

在原设计中，沙湖港渠底仅在坡脚以外3 m范围内采用硬质预制块护砌，其余部分采用土质明渠。虽采用水泥土搅拌桩进行渠底硬化，但考虑到长期水流冲刷，以及渠道疏捞等因素对渠底土体稳定的影响，采用了钢筋混凝土底板进行渠底全护砌的处理措施，见图19所示。具体如下：