地铁隧道变形控制门架式保护方案研究

2022-07-15彭琦

城市轨道交通研究 2022年6期

彭琦

(深圳市市政设计研究院有限公司，518029，深圳∥高级工程师)

临近地铁的工程项目施工，不可避免地会对已建地铁结构设施的安全和运营产生影响[1-5]。在地铁隧道上方开挖基坑，开挖卸荷引起坑底地层回弹变形，亦会造成下方地铁隧道结构的隆起变形。大面积的基坑开挖引起隧道隆起变形现象更加突出，一方面因为基坑开挖带来的大范围卸荷，引起地层和隧道产生较大隆起变形；另一方面会造成基坑底部地层扰动，地层力学指标降低，加剧隆起变形。目前，研究主要集中在理论分析、数值模拟计算和工程措施等方面。文献[6-8]采用数值模拟方法，对基坑开挖引起临近既有隧道变形的影响规律、影响因素等进行了系统研究，并提出了改进计算方法，提高了计算的准确度；文献[9-10]结合具体工程案例，针对既有地铁隧道正上方基坑开挖引起的变形控制措施进行了深入分析。一般而言，分段、分层、分步开挖，减小卸荷面积和强度，加固隧道上方土体等措施可有效减小下方隧道的隆起变形。对于地层条件差、开挖深度深、基坑底部与隧道间的夹土厚度薄、隧道隆起变形控制难度高的情况，地铁隧道门架式保护方案是有效的控制措施[10]。

本文以深圳市前海市政工程双界河水廊道工程为例，采用数值模拟、现场监测等方法，系统地分析了地铁隧道门架式保护方案在工程中的运用，以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

双界河水廊道工程位于深圳市前海合作区，该工程的实施实现了河道防洪、水质提升、生态景观建设等目标。双界河水廊道工程将现状双界河主槽向南偏移35 m，主槽宽度为30～35 m，堤距为155～263 m，主槽开挖段地面平均高程为4.33 m，地下水平均高程约1.58 m，平均开挖深度约6.70 m。已建深圳地铁1号线(以下简为“1号线”)、5号线，前海车辆段左、右出入线，11号线与双界河水廊道存在交叉关系，见图1。交叉区段内1号线隧道顶板高程约-8.0 m，5号线隧道顶板的平均高程约-6.3 m，11号线隧道顶板高程约-11.0 m。双界河水廊道工程部分开挖区段位于地铁隧道结构的正上方，位置敏感，工程难度和风险较大[11]。

图1 双界河水廊道工程与地铁线路平面位置关系图

双界河水廊道工程场地内自上而下分布的岩土层如下：① 杂填土，局部分布，层厚约3.20 m；② 填石层，以块石为主，其间隙充填砾质黏性土、砂土或碎石土，平均厚度约5.17 m；③ 软土，其性质基本上同滨海相淤泥，平均厚度约3.5 m，原位十字板剪切试验强度平均值为8.9 kPa；④ 淤泥质土，局部分布，平均厚度为1.87 m，标贯平均击数为4.5击；⑤ 残积土层，场地内分布广泛、连续，为花岗岩风化残积而成，平均厚度为5.46 m，标贯平均击数为14.3击；⑥ 下伏基岩地层，分布广泛且连续稳定，基岩多已风化为全风化岩、强风化岩、弱风化岩和微风化岩，风化较强烈，风化带较厚[11]。

地铁隧道主要位于淤泥质土和残积土层中。

2 地铁隧道门架式保护设计方案

1号线、5号线及前海车辆段左出入线同本工程水廊道平面上存在交叉关系，交叉段开挖深度为3～7 m。

地铁隧道采用盾构法施工，管片直径为6.0 m，厚0.3 m。地铁隧道采用门架式结构的整体保护方案。如图2～3所示，以1号线保护区段为例，地铁隧道两侧打设截水旋喷桩。旋喷桩桩径为800 mm，桩间距为650 mm，桩长为6 m；实施井点降水，井深11 m。本工程实施分期、分段施工，分段长度为10 m。首先进行第1层土体开挖，再放坡开挖第2层土体至标高1.0 m上，形成临时施工平台；在两隧道两侧3.5 m范围外共打设3排钻孔灌注桩(桩顶标高约-2.0 m)，灌注桩桩径为1.2 m、间距为4 m、桩长为16 m，桩体起抗拔作用；对标高-2.0 m以下隧道上部土体进行注浆加固；放坡开挖至主槽底设计标高(约为-2.0 m)处时，在灌注桩桩顶浇筑钢筋混凝土盖板，灌注桩与盖板浇筑固结，形成门架式结构，以减小隆起变形；最后进行大范围的平层开挖，完成双界河水廊道断面范围内的土体开挖[11]。

注：除标高以m计外，其余单位均为mm，图3同。

图3 地铁隧道门架式保护结构纵断面Fig.3 Profile-section of metro tunnel door protection structure

3 地铁隧道门架式保护方案数值分析

为了全面分析双界河水廊道工程土方施工对地铁隧道结构的影响，以1号线保护区段为例，采用数值模拟方法，分别对门架式护方案、注浆加固保护方案和不采取加固保护方案等3种方案下地铁隧道和岩土体的应力、变形进行了模拟，并对比分析了地铁隧道变形及其分布特征。

3.1 基坑开挖流程

门架式加固保护方案、注浆加固保护方案和未采取加固保护方案3种方案下土层开挖都为由高到低逐层开挖。为了保证对比分析的可靠性，3种方案的分级逐层开挖方式都一致，仅在具体加固保护步骤不同。根据实际的施工步骤，首先进行第1层土的开挖，土体厚约1.5 m；再放坡开挖第2层土，第2层土开挖完成后,根据门架式加固保护方案需进行注浆和抗拔桩施工；而后进行基坑下层土体的放坡开挖，最后进行平层开挖至设计高程。每次开挖步完成后，进行收敛计算来模拟该开挖过程土体的应力释放和变形过程，然后进入下一个开挖步计算[12-14]。

3.2 模型的建立

以1号线保护区段为例，采用FLAC3D岩土数值计算软件对模型进行计算分析。岩土体物理力学参数参考地勘资料和《工程地质手册》，并结合工程经验选取，见表1。

表1 1号线保护区段岩土体物理力学参数

土体开挖的降水过程通过model flnull单元来实现，抗拔桩通过FLAC3D自带的pile单元来模拟；隧道盾构管片和盖板结构通过实体单元来模拟，弹性模量取25 GPa。模型边界采用法向位移约束，地面为自由面。在基坑开挖过程加载模拟中，岩土体均采用弹塑性本构模型Mohr-Coulomb屈服准则。

以门架式保护方案为例，整个数值模拟流程可以分为以下5个步骤：① 建立1号线隧道结构模型，并进行开挖施工；② 双界河水廊道浅层第1层土的开挖；③ 双界河水廊道浅层第2层土的开挖；④ 门架式结构施工与土体开挖；⑤ 完成双界河水廊道开挖和支护工程。

3.3 基坑开挖过程数值模拟分析

以门架式保护方案模拟为例，建立1号线隧道结构模型，再按照实际施工流程进行双界河水廊道基坑开挖施工模拟。

3.3.1 基坑浅层土体开挖模拟

双界河水廊道浅层(第1～2层)土体开挖至注浆施工平台，开挖土体厚约3.33 m。开挖前，先降水后开挖。开挖时，首先进行平层开挖，然后进行放坡开挖，开挖土体主要为填石。基坑底板距离隧道结构约7 m，且此阶段土体开挖未采取加固措施。通过模拟分析，基坑底板的回弹变形为10.63 mm，引起的隧道结构的最大隆起变形为7.45 mm。

3.3.2 门架式结构施工和基坑土体开挖模拟

开挖至注浆施工平台后，进行隧道上部土层的注浆加固和抗拔桩的施工；开挖至盖板处后，再进行盖板的施工。该施工步完成后隧道结构的隆起变形为9.40 mm。

3.3.3 基坑大范围平层土体开挖模拟

大范围平层开挖为基坑土体开挖的最后一个施工步，此阶段需进行基坑两侧放坡坡体的大范围开挖卸荷施工。基坑土体开挖完成后，隧道结构的累积隆起变形为9.86 mm。这得益于平层土体开挖卸荷引起的隧道结构变形本身就较小，以及门架式结构和注浆土体的抗隆起变形能力。

3.3.4 抗拔桩加长前后对比分析

门架式加固保护方案设计桩长为19 m；而对比方案中拟增加桩长5 m，桩长达到24 m。对两种桩长下地铁隧道的隆起变形进行了比较分析。增加桩长后，地铁隧道结构的最终变形为9.48 mm，相比未增加桩长时减小了约0.38 mm，效果不明显，综合效益不高。

3.4 地铁隧道保护方案对比分析

图4为3种方案下地铁隧道隆起变形对比。主要表现的现象和特征有：

1) 采用加固措施后，地铁隧道隆起得到了抑制，变形明显减小，尤其是采用门架式加固保护方案后，地铁隧道隆起变形控制在10 mm以内，满足地铁保护区的要求。

2) 相比另外两种方案，门架式加固保护方案实施后，地铁隧道及临近岩土体隆起变形明显比两侧变形小。说明该方案有效减小了地层和隧道的变形，验证了方案的有效性和合理性。

图4 3种施工方案下地铁隧道隆起变形对比图

4 地铁隧道现场监测与数值模拟对比分析

为实时监测基坑开挖时地铁隧道结构的变形，获取隧道结构的安全状况，在隧道内进行了自动化监测，主要对开挖影响区域内进行了断面变形监测。1号线保护区段监测平面布置和监测断面测点布置见图5～6，每条隧道每10 m布置1个监测断面，每个监测断面布置5个监测点。

注：S1—S8为监测断面。图5 1号线保护区段监测平面布置图Fig.5 Layout of Line 1 protection section monitoring plan

注：R为曲线半径，单位为mm。图6 1号线保护区段隧道断面测点布置图

采取门架式加固保护方案后，对图7和表2中地铁隧道的现场监测结果和数值模拟结果对比发现，其数值模拟结果与现场监测结果吻合度较高。基坑浅层土体开挖过程中，由于卸荷范围和卸荷强度较大，且对下方隧道未采取相关的加固保护措施，该阶段地铁隧道隆起变形较大；进行土体加固和门架式结构施工后，地铁隧道现场监测数据为7.80 mm，比数值模拟结果小，隧道隆起变形得到明显控制，满足地铁保护区隧道结构安全的相关规定。