地鐵隧道保護(hù)工程研究

地鐵隧道保護(hù)工程研究

緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)周邊地層發(fā)生擾動，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)力場發(fā)生變化，誘使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的受力與變形反應(yīng)。地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形發(fā)生改變，可能影響地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的正常使用，嚴(yán)重時危及地鐵區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)安全。

1工程地質(zhì)環(huán)境與相對空間位置關(guān)系

地鐵隧道結(jié)構(gòu)周邊地層是隧道結(jié)構(gòu)抵抗外部作業(yè)擾動的屏障。隧道周邊不同的地質(zhì)條件對隧道結(jié)構(gòu)的約束作用差異很大［5］，在諸多不利因素條件下，隧道周邊地層起著尤為重要的作用。深基坑與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不同空間位置關(guān)系決定著隧道周邊地層保護(hù)作用的程度。1)某項目位于城市核心區(qū)，場地深基坑工程北側(cè)緊鄰過街隧道和地下空間及地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，基坑實際開挖深度為，基坑與緊鄰區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最小水平距離約，北側(cè)基坑底面開挖標(biāo)高與緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底面標(biāo)高基本一致，基坑與地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系如圖1所示。由于項目場地巖層埋深在10m左右，緊鄰基坑隧道結(jié)構(gòu)主要位于強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④2與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④3中，雖然與緊鄰項目基坑圍護(hù)樁最小距離只有6m，但是根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在基坑施工完工后引起的隧道位移＜5mm。2)某項目基坑場地第四紀(jì)地層發(fā)育，厚度＞80m，成因類型以海相沉積為主。其主要巖土物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。該項目與附近地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)相距30m以上，隧道結(jié)構(gòu)底板設(shè)計標(biāo)高為－～－，主要位于②2-1灰色淤泥、②2-2灰色淤泥質(zhì)黏土、③1灰色粉砂、③2層灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂和④1-2灰色粉質(zhì)黏土中。由于②2-1灰色淤泥與②2-2灰色淤泥質(zhì)黏土均呈流塑狀，強度低，壓縮性高，對隧道結(jié)構(gòu)提供的地層抗力小，地質(zhì)條件差。雖然基坑與隧道結(jié)構(gòu)相距較遠(yuǎn)，但在基坑開挖過程中，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏水與裂縫。

2基坑支護(hù)形式

常見地鐵隧道結(jié)構(gòu)周邊的基坑支護(hù)形式包括雙排樁、大圓環(huán)、地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐、樁+內(nèi)支撐等。不同的支護(hù)形式受力機理不同。由于地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的重要性，基坑支護(hù)形式設(shè)計時，必須充分考慮對隧道結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)力場的影響，要以隧道結(jié)構(gòu)安全的受力與變形控制為前提，選擇合適的基坑支護(hù)形式，盡量減少隧道結(jié)構(gòu)周邊地層擾動。1)某項目西側(cè)緊鄰隧道區(qū)間盾構(gòu)隧道，基坑底低于隧道底。區(qū)間盾構(gòu)隧道左線周邊地層主要為粉質(zhì)黏土及黏土，隧道基底局部位于淤泥質(zhì)土層上，隧道結(jié)構(gòu)下方主要為深厚黏土層?；涌拷罔F隧道側(cè)采用圍護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于未充分考慮對鄰近地鐵隧道的位移控制，在基坑開挖期間，緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害。地鐵盾構(gòu)隧道病害發(fā)生的主要原因為基坑靠近地鐵隧道側(cè)采用圍護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)施工所致，包括:①深基坑開挖卸載以及錨索錨固段拉應(yīng)力區(qū)的存在，導(dǎo)致地鐵隧道側(cè)方土壓力卸載和隧道側(cè)方地層抗力約束降低，從而誘發(fā)地鐵隧道向基坑側(cè)發(fā)生水平側(cè)向位移和豎向沉降。②地鐵隧道側(cè)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，未充分考慮對鄰近地鐵隧道的位移控制。③隧道病害及相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，隧道病害嚴(yán)重區(qū)段、左線隧道右軌道的豎向沉降和水平側(cè)向位移、隧道上方地面沉降范圍均與深基坑的開挖時間、開挖范圍存在相關(guān)性。2)某商業(yè)中心項目位于佛山市，本工程為3組高層商住樓，地下室3層，建筑最高層數(shù)為地上28層。深基坑的西北角與地鐵站采用地下通道連通，地下通道和接口大堂的基坑開挖深度為，大基坑大開挖深度為，局部開挖深度為。地下通道和大堂的北側(cè)為地鐵隧道，地鐵隧道的埋深為地面以下約，西北側(cè)地下通道和大堂基坑地下連續(xù)墻外壁距離地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外壁的最小水平距離約為，最大水平距離約為;基坑基底開挖標(biāo)高高于緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂板標(biāo)高，基坑支護(hù)形式采用大圓環(huán)支撐，如圖3所示。綜合地鐵隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果顯示，項目施工過程隧道結(jié)構(gòu)的變形總體較小，均未超過地鐵隧道的相應(yīng)預(yù)警值。3)某項目擬建場地基本平整，擬建最高塔樓為47層，地下室2～3層，基坑開挖深度，基坑周長約，靠近地鐵側(cè)基坑長度約185m，該項目基坑南側(cè)緊鄰地鐵左線區(qū)間盾構(gòu)隧道，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻外壁與隧道結(jié)構(gòu)外壁的最小水平凈距約為。基坑與隧道剖面位置關(guān)系如圖4所示。地層分布如下:①雜填土，埋深;②4粉細(xì)砂，埋深;②5中粗砂，埋深;③1全風(fēng)化泥巖，埋深;③2強風(fēng)化泥巖，埋深;③3中風(fēng)化泥巖，埋深;③4微風(fēng)化泥巖，埋深。由于深基坑周邊皆緊鄰道路或建筑物，基坑南側(cè)緊鄰地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道，基坑與隧道都處于深厚砂層，基坑支護(hù)形式設(shè)計時，在緊鄰隧道側(cè)采用“地下連續(xù)墻+后排樁+豎向混凝土斜撐”的支護(hù)形式，并對坑內(nèi)土體進(jìn)行加固。根據(jù)實測數(shù)據(jù)顯示，本項目基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形得到有效控制，基坑施工對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響較小。4)某項目位于廣州市，基坑?xùn)|側(cè)毗鄰河涌，南側(cè)為未開發(fā)用地，項目建筑可用地面積23311m2，裙樓建筑高度為30m，主樓不超過150m?；游鱾?cè)毗鄰廣州地鐵2號線區(qū)間隧道。項目基坑深，設(shè)4層地下室，單層面積暫定20192m2。地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)周邊地層主要為坡積土層，區(qū)間隧道底板下主要為深厚的可塑狀殘積土層、硬塑狀殘積土層，區(qū)間隧道頂板上方覆土厚度約為～;左、右線區(qū)間隧道為明挖現(xiàn)澆箱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)兩側(cè)為回填土，回填土的填筑質(zhì)量對地鐵結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)至關(guān)重要;地鐵區(qū)間隧道沿縱向在車站南端和距離南端60m處設(shè)置的變形縫，對地鐵隧道的安全保護(hù)將產(chǎn)生不利影響;地鐵結(jié)構(gòu)下方存在的深厚土層，不利于控制水位下降對地鐵結(jié)構(gòu)的沉降影響。綜合考慮后，緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)側(cè)基坑支護(hù)方案是采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)支護(hù)形式，項目基坑地連墻外邊線距離區(qū)間隧道右線結(jié)構(gòu)邊線約，低于隧道結(jié)構(gòu)底板約～，如圖5所示。

3施工工法選擇

緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的深基坑開挖施工過程中，由于基坑坑內(nèi)土體側(cè)向和豎向卸載，基坑內(nèi)外水頭差引起的地下水滲流，緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)上蓋與側(cè)方新建高層建筑物荷載向下方傳遞，都將導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)力場發(fā)生變化，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響［6-9］。因此盡量選擇合適的施工工法，例如在隧道建設(shè)前設(shè)置前期樁來避免在隧道結(jié)構(gòu)旁近距離施工鉆孔樁，采用逆作法［10］、半逆作法［11］、中心島法施工等來避免大面積開挖，并適當(dāng)限制重型機械在隧道結(jié)構(gòu)上方地面行走和堆放，嚴(yán)格限制基坑施工過程中在隧道結(jié)構(gòu)上方進(jìn)行取土、地面堆載、爆破、樁基礎(chǔ)施工、頂進(jìn)、灌漿、錨桿作業(yè)，以盡量減少對隧道結(jié)構(gòu)周邊地層擾動?；邮┕ぷ裱謪^(qū)、分塊、分層、對稱、限時原則對隧道結(jié)構(gòu)安全也能起到重要的保護(hù)作用。1)某商住發(fā)展項目五期工程擬建2座分別為21層和23層的住宅樓和1棟辦公樓及商業(yè)裙樓。商業(yè)辦公區(qū)用擬建35層辦公樓和4層高的商業(yè)裙房。五期工程住宅區(qū)地下室為2層，辦公區(qū)地下室為3層，裙樓地下室為2層。地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道從場地西北角的T10號樓和西南角的辦公裙樓下方穿越，由于基坑施工前設(shè)置前期樁，上蓋高層建筑物的荷載通過下部托換結(jié)構(gòu)和樁基端部直接向隧道結(jié)構(gòu)下部周邊地層傳遞，從而在一定程度上減小了對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。綜合地鐵隧道2009年8月16日的監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果顯示，項目基坑施工過程隧道結(jié)構(gòu)的變形總體較小，均未超過地鐵隧道的相應(yīng)預(yù)警值。2)某小區(qū)三期項目深基坑工程中，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)緊鄰基坑西側(cè)，如圖6所示?？拷觽?cè)為右線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂部埋深約為～，由于基坑開挖深度為，因此基坑底面標(biāo)高約低于隧道結(jié)構(gòu)頂部為～，且隧道結(jié)構(gòu)外壁與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外壁的最小距離約為。深基坑開挖采用半逆作法施工，監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果顯示，項目施工過程隧道結(jié)構(gòu)的變形總體較小，均未超過地鐵隧道的相應(yīng)預(yù)警值。3)某廣場項目位于廣州市，地鐵大致由南向北從項目場地穿過，項目分為A，B，C，D，E5個地塊，各基坑位置及其周邊環(huán)境情況如圖7所示。A區(qū)地塊擬建酒店、寫字樓、商鋪等建筑物，最高建筑物為9層寫字樓，均設(shè)1層地下室，基坑總長約657m，基坑開挖深度為～。B區(qū)地塊擬建百貨樓、娛樂樓、商鋪及步行街等建筑物，地上4～6層商場，地下2層地下室，基坑總長約899m，基坑開挖深度為～。C區(qū)地塊擬建寫字樓及商鋪，建筑物最高為8層，框架結(jié)構(gòu)，擬采用筏板基礎(chǔ)。設(shè)地下1層，基坑總長約592m，現(xiàn)場地面標(biāo)高鄰近地鐵側(cè)約，基坑開挖深度為～?；邮┕ぷ裱謪^(qū)、分塊、分層、對稱、限時原則對隧道結(jié)構(gòu)安全起到了重要保護(hù)作用。

4隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與應(yīng)急預(yù)案

地鐵工程是城市生命線工程，地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的保護(hù)更是重中之重。加強隧道結(jié)構(gòu)安全信息化管理首要工作是進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測。進(jìn)行日常安全監(jiān)測不僅能及時掌握隧道結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，也是診斷、預(yù)測、法律和研究等方面的需要。深基坑開挖必然對緊鄰隧道結(jié)構(gòu)安全帶來威脅，在基坑施工開挖期間，必須要實施對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的專項監(jiān)測方案，實時掌握隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。在深基坑開挖過程中，一旦隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示異常，要分析原因，及時啟動應(yīng)急預(yù)案，采取留土反壓、回填、注漿等措施，保障隧道結(jié)構(gòu)安全。

本文通過結(jié)合典型地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)工程案例，從地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)的角度，分析了工程地質(zhì)條件、相對空間位置關(guān)系、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工法選擇以及隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測對緊鄰隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，得到以下結(jié)論。1)在外部作業(yè)的施工擾動下，地鐵盾構(gòu)隧道抵抗外部作業(yè)擾動的能力相對較低。在緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)的深基坑工程設(shè)計與施工工程中，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)形式有一個先期的調(diào)查與研究尤為重要。2)地鐵隧道結(jié)構(gòu)周邊地層對隧道結(jié)構(gòu)的受力與變形起著先決作用。隧道周邊不同的地質(zhì)條件對隧道結(jié)構(gòu)的約束作用差異很大。深基坑與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不同空間位置關(guān)系決定著隧道周邊地層保護(hù)作用的程度。3)基坑支護(hù)形式設(shè)計時，必須充分考慮對隧道結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)力