HJCE  >> Vol. 8 No. 3 (May 2019)

    用于控制下覆地铁隧道隆起的一种新的基坑开挖方法
    A New Excavation Method for Controlling the Uplift of Overburden Tunnel

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作者:  

岳云鹏,胡志敏,郑先昌:广州大学土木工程学院,广东 广州;
刘继强,董天军:中铁南方投资集团有限公司,广东 深圳

关键词:
小竖井工法隧道隆起基坑开挖Small Shaft Method Tunnel Uplift Excavation of Foundation Pit

摘要:

由于大量基坑工程在城市建筑密集区开展,因此在隧道上方进行土方开挖的施工项目越来越多。深基坑开挖引起隧道隆起破坏的情况时有发生,论文针对基坑开挖引起下覆隧道隆起变形的机理提出一种新的小竖井开挖工法,用于控制隧道隆起与保护隧道安全。在深圳前海地铁保护区基坑开挖施工中,利用该工法取得良好工程效果,为类似地铁隧道上方基坑的设计与施工提供示范。

As a large number of deep foundation pit works are carried out in urban built-up areas, more and more construction projects are carried out above the tunnel. At present, the uplift failure and hidden danger of deep foundation pit excavation often occur, it is necessary to further study the uplift deformation of the tunnel caused by foundation pit unloading, to explore the method of foundation pit excavation to control the uplift and protect the safety of the tunnel. This paper in-troduces a new method for controlling the uplift of tunnel in the foundation pit engineering of Qi-anhai Metro Protection Zone in Shenzhen, which provides the design concept and direction for the foundation pit design and construction of similar projects in the pearl river delta region.

1. 引言

目前,越来越多的基坑工程位于既有地铁隧道之上,近距离基坑开挖土体势必引起下覆地铁隧道隆起 [1] [2] [3] [4] 。运营中的地铁对隧道的变形控制要求严格,传统的基坑开挖方法不仅工期较长,而且引起的隧道变形有时会超标,造成地铁停运或限速运行,因此,研究控制下覆隧道隆起的开挖方法,在地下空间开发和利用要求极为严格的今天,具有相当的适用性和紧迫性 [5] [6] [7] 。如何用最短的开发时间、最省的开发成本,降低在基坑开挖时对下覆地铁隧道隆起的影响,已成为工程师急需解决的课题。

基坑开挖导致下覆地铁隧道产生隆起的主要原因是基坑开挖卸荷产生的坑底隆起 [8] [9] [10] [11] 。这种场地一般不会采取大面积整体开挖,即使传统的分条分块开挖也会由于覆土卸载,引起下覆隧道上浮过大 [12] [13] 。本文提出了小竖井开挖方法,并通过完整的工程实例进行示范,保证了工程的顺利进行,同时为控制下覆隧道隆起技术的发展提供了新思路。

2. 工程概况

深圳前海双界河路下沉隧道枢纽工程,基坑开挖长度为68.9 m,宽度为36.2 m,开挖深度为8.5 m。其主线在地铁1号线、5号线和11号线上方,且垂直距离较近,坑底距地铁11号线最小距离约3.25 m,距5号线最小距离为4.86 m,距1号最小距离为0.43 m。图1为地铁保护区关系布置图,由于地铁1号线和5号线都处于运营阶段,11号线地铁线正在施工,均需要采取适当的基坑开挖方式,减少对地铁隧道的影响。

Figure 1. Metro protection area relationship layout

图1. 地铁保护区关系布置图

在双界河路地铁保护区场坪施工过程中,开始按照设计方案对11号线对地铁保护区进行分段分块场平施工时,下覆地铁隧道隆起超过警戒值,11号线左线累计隆起最大值为16 mm。在对地铁上浮区域采用覆土反压措施后,临时控制住隆起。为减少设计放坡开挖卸载大量土方造成地铁隧道隆起,在地铁保护区改用小竖井工法,运用竖井间隔开挖与放坡开挖相结合的方案,开挖到底后及时施工抗拔桩冠梁和抗浮板,取得良好的效果。

3. 小竖井工法

3.1. 小竖井工法简介

小竖井工法主要特点是小范围的对基坑内土体进行分层卸载,并安装支撑体系,支撑体系可较好的传递土体对地铁隧道两侧压力,对下覆地铁隧道周围土体的干扰较小,小竖井工法体系中的抗拔桩和抗浮板的联合作用可有效的控制隧道的隆起量。此外,小竖井工法还可对称平行作业,在多工作面同时开挖施工,减少施工的工期。

利用小竖井工法对基坑进行开挖,一方面分层卸载时土体间受卸载应力的作用而压缩变形,在小范围土层中产生土拱效应 [14] [15] [16] ,在竖井周围形成了小的土应力拱。因为土体的卸载面积及影响范围较小,因此土体产生的隆起量较小。另一方面,当开始开挖竖井间的土体时,土体间产生卸载应力,导致土体隆起,竖井井壁安装支撑体系,表面粗糙,在隆起过程中土体受到井壁的摩擦力,同时竖井下的土受到抗浮板的压力。如图2,在这个过程中,土体受到了较大的阻力,有效的控制了土体隆起。

Figure 2. Diagram of blocked uplift

图2. 隆起土体受阻示意图

3.2. 小竖井工法控制隧道隆起的力学机理

利用传统工法对基坑进行开挖,随着土体的开挖,基坑底部土体侧向应力变化较小,竖向应力不断减小。如图3,用传统工法基坑在开挖过程中,平均主应力p减小,广义剪应力q先减小再增大,其应力路径将沿ABC轨迹接近破坏线。

开挖同一基坑,若采用小竖井工法施工,对土体小范围进行分级卸载。卸载过程中,土体在AD轨迹中发生塑性破坏,随后因在DE段进行了固结排水,使得土体的有效应力增加,在EF段继续卸载,发生塑性破坏,在FG段进行固结排水,如此重复,最后施工抗浮板。采用小竖井工法对土体进行开挖,产生的隆起量较小,最终应力路径离强度破坏线较远,有效的保护了下覆地铁隧道。

Figure 3. Stress path curve of soil mass at the bottom of foundation pit for shaft excavation

图3. 竖井开挖基坑底部土体应力路径曲线变化图

4. 施工工艺

小竖井工法的施工工艺如图4所示。

Figure 4. Flowchart of small shaft construction method

图4. 小竖井工法施工流程图

4.1. 施工前期准备

施工前应将现场进行场地平整,检查施工中所需要的材料、设备、电源线等是否进入现场,并对材料和设备进行检测。安排专人定时测量隧道隆起情况,根据信息资料分析,推断结构稳定状态,据此采取改进施工程序、改变施工参数等相应措施,控制变形量,确保地铁区间安全。了解水源及电源情况,确定接口并配发电机,并对应急救援设备进行梳理和清点,确保各方面的准备工作落实到位。

4.2. 抗拔桩施工

抗拔桩沿地铁隧道两侧设置,桩间距3 m,采用搓管机全护筒跟进进行施工,抗拔桩的上端高于地铁隧道。抗拔桩的施工为形成限制土体隆起的保护箍提供前提条件。

4.3. 锁口圈施工

采用人工配合长臂挖机对竖井锁口圈所在的位置地层进行放坡开挖,人工修整锁口圈地层中上下两层的土壁轮廓。锁口圈下口及时施作网喷砼及直径22 mm的砂浆锚杆护臂为初期支护,增强锁口圈位置地层的稳定性。按照立模支撑 → 放置钢筋笼 → 灌注砼 → 捣固的顺序完成锁口施工(见图5),竖井井口设置防淹墙,高出锁口面0.3 m,和锁口同时完成。

Figure 5. Construction drawing of lock ring

图5. 锁口圈施工图

4.4. 竖井井身施工

开挖前先将水位降低至基底以下1 m,并施工止水帷幕。井身采用人工分层开挖,每一层开挖深度为0.5 m,每层的井身开挖成型后,及时对井壁进行喷砼,然后将钢筋网挂在井壁上,再紧贴井壁放置格栅钢架,施工锁脚锚管与联结筋,在格栅钢架处复喷砼,形成一个网喷砼层,最后对锁脚锚管进行注浆。

4.5. 抗浮板施工

竖井开挖至底部后,人工对井底进行整平,并施作冠梁,绑扎间距200 × 200 mm、直径16 mm的钢筋网片,将相邻的抗拔桩用冠梁进行连接。最后对井底施工15 cm厚C20混凝土抗浮板封底,如图6所示。此时抗拔桩与抗浮板的联合作用形成了一个保护箍,有效的限制了土体隆起。

Figure 6. Construction drawing of anti-floating board

图6. 抗浮板施工图

4.6. 竖井间开挖

图7所示,每个竖井区域开挖完毕后,对竖井中间基坑区域进行分层放坡,由A到D分台阶开挖,开挖后拆除锁口圈和竖井井壁,在开挖区域底部施工抗浮板,连通相邻的竖井区域,直至最后拆除基坑内部所有锁口圈和井壁,连通整个基坑。

Figure 7. Excavation plan between shafts

图7. 竖井间开挖图

5. 数值分析

为验证小竖井工法用于控制下覆隧道隆起的可行性,本文利用MIDAS软件对该工法与原方案施工过程中引起隧道隆起进行对比模拟分析,以便使该工程顺利实施。

人工填石、淤泥、黏土、砂质粘性土层采用Hardening Soil本构模型,全风化花岗岩与强风化花岗岩使用弹性本构模型。地层从上而下为:人工填石10.9 m,淤泥2.5 m,黏土6.1 m,砂质粘性土7.9 m,全风化花岗岩4.0 m,强风化花岗岩3.6 m。小竖井工法中的中隔墙、抗拔桩、冠梁、抗浮板和井身均采用C30混凝土,盾构隧道管片采用C50混凝土计算。经模拟计算得出利用小竖井工法与原工法开挖对保护区基坑开挖完毕后的隧道隆起云图如图8图9所示。

由隧道隆起云图可以看出,原方案基坑开挖完毕时,11号线在竖直方向上位移最大值为36.5 mm,开挖深度较浅的区域隆起值在27.3 mm~30 mm之间。利用小竖井工法开挖完毕后,隧道隆起值在20 mm左右,对比原开挖方案,隆起值有明显下降。

Figure 8. Original scheme tunnel uplift cloud map

图8. 原方案开挖隧道隆起云图

Figure 9. Uplift cloud picture of tunnel excavation with small shaft method

图9. 小竖井工法开挖隧道隆起云图

6. 实测结果分析

11号线左、右隧道监测数据如图10所示,其中2015年3月28日开始对保护区上方覆土进行回填,于4月17日开始大规模对抗拔桩进行施工,此时隧道平均隆起值为8.3 mm,然后进行小竖井开挖和竖井间开挖,基坑开挖完成后,隧道最终平均隆起值为22.5 mm,完全达到了预期开挖要求。若采用原方案进行开挖,隧道将会产生较大的塑性变形,对地铁施工造成严重影响。

Figure 10. The uplift change map of the no.11 tunnel is monitored

图10. 11号线隧道监测隆起变化图

7. 结论

1) 小竖井工法与常规基坑开挖工法相比,在控制隧道隆起变形方面具有强大优势,有较高的推广价值,可为基坑开挖技术提供新的发展思路。

2) 在使用小竖井工法施工时,由于抗拔桩和抗浮板的联合作用,在隧道上方形成了保护箍,使隆起的土体受到较大的阻力,让地铁隧道的隆起值较小。

3) 采用小竖井工法开挖土体,最终应力路径离强度破坏线较远,有效抑制了土体和隧道隆起。

基金项目

中国中铁股份有限公司重点课题(2016-重点-17),广州大学研究生创新计划资助项目(2018GDJC-D35)。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
岳云鹏, 刘继强, 董天军, 胡志敏, 郑先昌. 用于控制下覆地铁隧道隆起的一种新的基坑开挖方法[J]. 土木工程, 2019, 8(3): 568-575. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.83067

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