地下室底板下软弱土层浅埋暗挖隧道技术.docx

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地下室底板下软弱土层浅埋暗挖隧道技术

地下室底板下软弱土层浅埋暗挖隧道技术

摘 要:

为实现深圳地铁1,3号线老街站通过2站间换乘体的平行换乘,对1号线既有运营老街站实施站台倒边改扩建。

分析工程施工条件,就浅埋暗挖隧道施工关键技术及环境影响情况进行论述,用数值模拟分析桩基托换工作隧道的开挖及揭示桩基的施工过程对上部建筑物的影响,并对方案形成及实施过程中的重要环节予以总结讨论。

所采用施工技术合理可行,有限元模拟分析最终规避了工程风险。

关键词:

浅埋暗挖隧道;软弱土层;桩基托换;数值模拟

0　引言

     随着我国城市化进程的快速推进,交通拥堵问题正迅速地由一线城市向二线城市、由城市中心区向周边城区蔓延。

发展以轨道交通网为骨干的城市公共交通来从根本上解决“堵城”问题已得到普遍共识,随之而来的在复杂环境下修建地铁对既有建（构）筑的影响成为难以回避的重要课题。

有关浅埋暗挖隧道及桩基托换相关研究已有很多,如:

文献[1]介绍了以大量工程建设中的数据、经验和教训为依托,全面客观地对我国隧道及地下工程修建技术进行疏理、总结和提升,并加以系统阐述;文献[2]介绍了特大轴力桩基托换技术;文献[3-6]介绍了ABAQUS在土木工程中的应用;文献[7]论述了地铁施工中的桩基托换技术;文献[8]介绍了浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁的相关技术;文献[9]系统地介绍了在各复杂环境下地铁工程施工安全控制技术研究。

而本文论述则针对在建筑物地下室底板下的软弱土层中暗挖隧道,来作为建筑物桩基托换的工作隧道,工程施工具有较大的风险。

施工全过程先后进行了方案优化、仿真模拟及量测反分析等以指导施工,确保了工程的顺利完成,并有效地规避了工程风险。

1　工程概况

     深圳地铁1,3号线老街站通过换乘综合体实现同站台平行换乘。

3号线老街站与换乘综合体同步修建,1号线老街站则需实施站台的倒边改扩建来实现这种换乘条件。

1号线老街站与换乘综合体叠合范围为103.86m,其中包含了部分设备及管理用房区,不能满足标准站有效站台144.40m的长度要求,因而还需要从车站东端北侧地下构筑约50.00m长的站台结构作为补充。

扩建的站台结构为地下2层钢筋混凝土框架结构,以通道形式与换乘综合体相接构建客流集散与换乘环境,站台通道长50.00m,宽3.80m。

鉴于1号线老街站东端北侧与永新商业城平行且相距仅4.00m,地下新扩建的站台结构位于永新商业城基础的地基土层范围,为确保永新商业城的安全受控,站台扩建工程实施前需先对永新商业城进行桩基托换加固。

地铁工程间及与永新商业城平面关系如图1所示。

     永新商业城位于换乘综合体东侧、既有1号线老街站北侧,呈“L”形布置,地面以上8层,设有地下室1层,为钢筋混凝土框架结构,基础为人工挖孔灌注桩。

既有1号线老街站站台改造将影响永新商业城基础桩共计6根,桩径1.40m。

所有受影响的桩基均位于地下室侧墙以下,柱与地下室侧墙为整体浇筑,地下室侧墙除承受侧向水土压力外,还承受地面层楼板传来的竖向荷载。

1号线老街站东端站台扩建横剖面如图2所示。

2　方案优化

     东端站台扩建工程托换工作室原设计方案是采用明挖顺筑法施工。

首先从地面对永新商业城地下室侧墙外进行土体加固,再自1号线老街站连续墙与永新商业城地下室侧墙间向下开挖,先开挖至地下室底板以下位置,拓展工作面实施永新商业城桩基托换。

明挖法施工托换工作室横剖面如图3所示。

     明挖法方案相对稳妥,但在工程施工期间,永新商业城南侧的临街商铺、商业城西南角位置的准五星级戴斯酒店门厅及二楼新福楼海鲜酒店入口等受工程直接影响将临时关闭,西侧的临街商铺也因铺前的通道中断提出停业,产生的影响几乎波及了整个永新商业城商家,所要求的商业损失补偿达近1亿元,这是建设单位难以接受的;为此,提出了考虑能否从换乘综合体创造工作面,采用对地面影响最小的浅埋暗挖法施工永新商业城托换工作隧道的方案。

浅埋暗挖法施工托换工作隧道横剖面如图4所示。

     浅埋暗挖隧道开挖对环境影响主要表现为2方面:

1）永新商业城桩基托换工作隧道自换乘综合体负2层结构内开洞门,沿既运营1号线老街站连续墙自西向东掘进,隧道断面的一半位于永新商业城地下室底板下,开挖中需揭露出永新商业城即将被托换的6根桩基,永新商业城的桩基础为摩擦桩,桩周的岩土损失及地下水位的下降均会影响桩基承载,进而表现为上部建筑物的沉降变形;2）隧道断面的其他部分位于既运营1号线老街站地下连续墙与永新商业城地下室侧墙之间的地下,拱顶距离地表2.45~2.90m,地表为永新商业城南侧临街商铺的门前台阶,地表以下沿隧道纵向分布有1根直径0.20m给水管及1根直径0.40m污水管。

因而,在隧道开挖过程中必须采取可靠措施控制永新商业城及地表的沉降,确保环境安全。

托换工作隧道与上部管线关系如图5所示。

3　数值模拟

3.1　计算模型

     本文采用ABAQUS软件,模拟分析了永新商业城桩基托换工作隧道开挖及揭示桩基的施工过程对上部建筑物的影响,从而对隧道工程、环境影响展开稳定性评价及对现场施工、风险预测提供参考。

     俯瞰永新商业城为“L”形建筑,在这个“L”的拐角处设置了1个沉降缝,将商业城结构体分成2个独立部分,而在隧道开挖过程中,靠近隧道一侧结构受隧道开挖影响较大。

考虑到计算工作量较大,为了避免过大计算模型导致计算资源的浪费以及过于复杂的模型对分析过程的干扰,本计算中仅建立了靠近扩建工程一侧永新商业城结构的模型。

根据该地段勘察资料、地铁结构形式和几何尺寸建立三维有限元模拟（见图6）,模型地层部分长95.00m、宽60.00m、高50.00m。

永新商业城地下室1层、地上8层见图7,计算中涉及各地层的材料参数见表1。

3.2　边界条件

     计算模型4个侧面限制沿该面法线方向的水平位移,底部限制竖向位移,顶部边界为自由面,详见图8。

模型包括地层、永新商业城（上部结构、地下室、桩基础）、1号线地铁结构、工作室隧道喷混凝土4大部分,其中地层、喷混凝土、永新商业城地下室和桩基础采用实体单元,戴斯酒店上部结构采用梁单元。

施加载荷有地层及地下结构重力和戴斯酒店上部结构重力（采用在戴斯酒店框架结构上施加线载荷来实现,换算后单桩载荷为6500kN）。

3.3　计算分步及其主要结果

     综合考虑隧道开挖的实际施工过程和计算能力,将整个施工过程按总掘进长度均分为14步进行模拟

3.4　主要模拟结果说明

     1）从地层初始地应力分布图分析:

地表附近,等值面趋于向地表面平行方向发展,可见该模型所得初始地应力场是合理的,模型建立是可靠的。

     2）通过计算典型开挖阶段的地层和永新商业城变形情况发现,隧道沉降比较大的2个地方分别发生在隧道入口处和隧道中部。

分析认为:

隧道入口处的变形较大是由于模型的简化引起的,因为在实际施工过程中,在隧道入口处有较强的支护,这也提醒在施工过程中要注意洞口的加强支护。

     3）当开挖工作从洞口逐渐往洞内推进时,隧道开挖段上方的地层最先开始沉降,隧道入口处沉降值最大;随着开挖工作的逐渐深入,隧道上方土体沉降范围不断扩大,沉降值也有明显的增长,最大沉降点也向洞深方向移动,并最终停留在距离洞口约35.00m处。

从沉降的分布情况来看,除了入口处,暗挖隧道拱顶沉降最大值发生在隧道中部的拱顶处,最大沉降值6.44mm,暗挖隧道地面沉降最大值发生在隧道中部靠近房屋一侧,最大沉降值6.42mm。

     4）隧道开挖对永新商业城影响较大,隧道一侧永新商业城地下室侧墙的沉降在隧道开挖的初期,侧墙沉降较小,第4步开挖以后,侧墙沉降随着开挖的进行迅速增大,最终最大沉降约6.53mm,发生在距离永新商业城拐角约17.00m的隧道中部。

4　隧道开挖施工关键技术

4.1　隧道开挖遵循的原则

     鉴于该隧道处于非常软弱的地层条件及特别复杂的周边环境,隧道施工总的指导原则是“不明不进、步步为营、稳步推进”。

必须依据隧道前方明晰的环境条件、采取针对性的技术措施、实施有效的工艺控制来确保施工效果。

隧道开挖对地下水的处理原则是“以堵为主、适量排放”;掘进中严格遵照符合本工程特点及管理要求的“管超前、严注浆、超前探、分部挖、快封闭、短进尺、强支护、勤量测”24字方针组织施工。

4.2　隧道开挖关键技术

4.2.1　超前管棚预支护

     托换工作隧道自进洞段至部分隧道进入永新商业城地下室底板下后,拱顶覆土厚2.45~2.90m,拱顶以上地面环境均为商铺街面,并且拱顶附近沿隧道走向有1根直径0.20m供水管及1根直径0.40m污水管。

为有效提高拱顶围岩刚度,控制地层沉降变形,在换乘综合体内对隧道周边实施直径108mm@300mm超前大管棚,管棚长度依据现场环境关系动态调整,永新商业城与老街站间隧道拱部管棚施作40.00m,施作大管棚时,其总数的20%取岩芯兼作地质补勘,充分掌握前方地层情况,在隧道掘进阶段,大管棚间辅以注浆超前小导管补充。

4.2.2　洞内水平深孔注浆

     托换工作隧道穿越地层主要为粉质黏土及粉砂层。

该地层在隧道开挖过程中受水侵害极易滑坍失稳,另隧道开挖过程中的大量失水将对既有永新商业城桩基（摩擦桩）承载带来影响,从而反应到建筑结构柱的差异沉降,将直接危害到永新商业城和周边环境的安全,所以隧道开挖对地下水的处理坚持以堵为主的原则。

为有效改良隧道开挖范围的地层条件,提高围岩自稳能力及尽量消除潜在的周边地层失水隐患,在隧道掘进前方实施钻注一体的全断面深孔注浆加固地层。

浆液为超细水泥-水玻璃双液浆,加固范围分别为:

拱顶以上至大管棚部位,地下室底板下隧道的侧壁外2.00m,隧道底板以下4.00m范围。

每循环注浆完毕均取芯检验,达到预期注浆效果后,方能进行隧道开挖作业,否则需再次补注浆。

在隧道掘进阶段,对于局部的注浆盲区及效果不良区域辅以小导管注浆补充。

隧道深孔注浆示意图见图9。

4.2.3　隧道开挖工法

     工作隧道的断面形状为异形,拱部的受力条件较差,加之软弱的地层环境及超浅埋,为有效控制地表沉降,隧道开挖施工采用CRD工法,分4个部分分别开挖与支护,每个台阶长度控制在5~7m。

CRD分部开挖工法示意如图10所示。

5　隧道施工监测结果

5.1　暗挖隧道地表沉降监测

     从监测数据结果看:

隧道洞口大管棚及深孔注浆施工过程中导致周边地表隆起,但在隧道开挖期间,周边地表变化趋势较稳定,未出现突变异常及地表塌陷现象,后期也逐步平缓至稳定。

图11为隧道地表路面沉降纵断面变化曲线,图12为累计变化最大点（D1-6#）时程曲线。

5.2　上部建筑物基础桩沉降监测

     从监测数据结果及曲线分析图中可看出:

在隧道开挖过程中上部建筑物基础桩（将被托换桩）沉降呈现出隧道入口及中间部位沉降趋势大,端头小,较符合一般沉降的变化规律;但基础桩整体的沉降变化趋势较稳定,下沉最大为9.24mm;未出现单桩突变现象。

图13为基础桩整体沉降趋势曲线,图14为累计变化最大点（TZ5）历程曲线。

5.3　隧道拱顶沉降监测

     从监测数据结果及曲线分析图中可看出:

在隧道开挖过程中隧道拱顶沉降在入口、中间及端头部位呈现出逐步增大趋势;与隧道地表沉降及被托换桩沉降趋势基本吻合,整体的沉降变化趋势较稳定,下沉最大为15.72mm;未出现截面突变或异常现象。

图15为隧道拱顶沉降整体沉降趋势曲线,图16为累计变化最大点（3-2）历程曲线。

5.4　隧道净空收敛监测

     从监测数据结果及曲线分析图中可看出:

在隧道开挖过程中隧道净空收敛变化较小,整体的沉降变化趋势较稳定,变形最大为6.46mm;开挖期间一切均表现正常。

图17为隧道净空收敛整体变形趋势曲线,图18为累计变化最大点（SZ-7）历程曲线。

6　结论与讨论

     1）深圳地铁1号线老街站站台倒边改扩建工程中,永新商业城桩基托换隧道位于建筑物地下室底板下的软弱土层中,对工程的风险分析及复杂性认识必须充分,并应周详地调查环境。

评估、仿真的数值计算分析、可靠的技术工法组合、及时的信息化施工反馈是工程成败的关键。

     2）从浅埋暗挖隧道的施工过程中各工况控制及隧道周边建（构）筑物的变形数据情况可以看出,本工程采用的施工方案及关键施工技术是合理可行的。

     3）本工程采用有限元模拟计算得到结果变形值较监测值略小,这主要是由于模型的部分简化以及岩土材料的离散性导致的。

模拟结果较好地反应了隧道开挖过程中地面、上部建筑物、地铁老街站以及隧道结构的变形趋势,并结合监控量测信息反分析,有效地指导了施工,规避了工程风险,确保了环境安全。

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