基坑施工对运营地铁隧道变形影响及控制研究
随着城市轨道交通网络的逐渐完善,在已有轨道线路周围进行工程活动不可避免。为保证既有线路的正常运营,工程建设过程中对施工引起的变形要求极其严格。本文以实际工程为研究背景,对在紧邻运营地铁线路上方进行基坑施工的设计方案要点、施工阶段隧道变形规律和施工中运营地铁线路变形控制进行了详细分析。以期对今后从事类似工程建设提供参考和积累经验。
2 工程概况和监测点布置
本工程为一规划下沉式广场,在本工程基坑区域下方涉及3条地铁区间隧道。其中南北方向和东西方向有已运营的两条地铁隧道正交穿过(分别简称为地铁线路1和地铁线路2,地铁线路1在地铁线路2的上方,两者竖向间距约2.5m),坑底离地铁线路1隧道顶部的竖向最近距离约为3.0m。基坑东南角的下方有刚贯通的地铁隧道通过(简称地铁线路3),坑底离地铁线路3隧道顶部的竖向最小距离约为3.0m。施工基坑与3条地铁线路相对位置如图1所示。
本工程施工中必须确保已有2条轨道线路的正常运行。在基坑施工过程中,在地铁线路1轨道上布置了电子水平尺自动监测点和人工监测点,对运营轨道的变形进行了精心和及时的监控。
3 技术难点
为保证线路的正常运营,规范要求地铁轨道的最大变形曲率半径大于15000m,地铁轨道的相对变形小于1/2500。如此严格的变形限值,要求设计阶段必须确定合理地基加固和基坑开挖方案;施工阶段必须选用合理的施工参数,并精心进行施工组织。
4 设计方案要点
4.1 基坑围护方案和保护措施
(1)基坑围护:本基坑采用水泥土搅拌桩重力坝围护,坝体宽2.7m,水泥土搅拌桩桩长为6.3m、7.0m、8.5m、11.0m,要求加固后的水泥土强度qu≥1.2MPa。重力坝与周围构筑物接合部处外侧用高压旋喷加固起抗渗补强作用。
(2)坑底加固:为减少基坑开挖过程中坑底回弹和坝体变形,基坑底部用高压旋喷加固。其中线路1区间隧道以外区域加固深度为底板下3m,线路1区间隧道上方区域加固深度为底板下3m或线路1隧道上方0.5m,加固后底板以下和以上部分土体无侧限抗压强度分别要求qu≥1.2MPa和0.6MPa。
(3)为保证地铁线路1区间隧道安全,在区间隧道两侧设置了间距2.4m、直径为Φ600、桩长分别为10m、30m的灌注桩(其中与地铁线路2交界区域为10m,其他区域为30m)。同时在桩与桩之间设3根高压旋喷向隧道底部做180°定向摆喷。高压旋喷桩和Φ600灌注桩与本工程顶板共同作用,防止地铁线路1区间隧道上浮和位移。
4.2 基坑挖土方案
为尽量减少挖土施工对隧道变形的影响,施工中将整个开挖区域分为3个大块,并将位于地铁线路1正上方区域(分块2)又分为26个小块进行施工。分块开挖各区域划分见图3所示。基坑开挖遵循“分层、分步、对称、平衡、限时”的原则,并满足如下施工要求:
(1)为防止隧道的上浮,隧道上方的基坑开挖分3m宽小段开挖,一次挖到基坑底,土方开挖留直坡,部分60度小坡。
(2)开挖顺序按附图所示编号依次分块开挖。具体为先开挖地铁线路1上行线隧道上方,然后开挖地铁线路1上、下行线之间的土体,最后开挖地铁线路1下行线隧道上方。
(3)开挖到底后,必须在1~2小时内浇筑砼垫层。垫层所用砼的强度以及达到强度的时间必须满足设计要求。
(4)3m宽的一小段土方开挖结束,立即进行底板钢筋绑扎和砼浇捣,底板与两侧钻孔桩锚固在一起共同抵抗隧道的上浮。
(5)每块土方开挖结束浇筑底板后,必须及时堆压与开挖土方量相当的荷载,以控制隧道回弹变形。
(6)每3m一小段的底板施工缝预留钢筋直螺纹连接件,为达到止水的目的施工缝安装钢边橡胶止水带、外贴式橡胶止水带和遇水膨胀止水条。
5 基坑开挖阶段运营隧道变形规律分析
5.1 运营隧道最终变形分析
至基坑开挖结束,地铁线路1上下行隧道累计变形曲线如图4所示。由图4可知,紧邻上方的基坑进行施工,运营隧道变形呈现如下规律:
(1)在开挖区域正上方,由于开挖卸荷,隧道随着坑底回弹产生一定量的隆起变形,其中坑中心位置隧道隆起量最大,坑两端位置隧道隆起量最小。开挖区域内隧道变形规律与一般基坑开挖坑底回弹变形规律基本一致。
(2)在开挖区域外,隧道变形总体表现为下沉,但下沉量很小。最大下沉量为-3.03mm。由此可知,基坑开挖对隧道变形的影响较大范围仅限于开挖区域附近。 (3)至基坑开挖结束,上、下行线隧道隆起变形最大值分别为 8.04mm和 6.44mm。根据实测变形值,计算开挖区域所对应位置(即SCJ1~12和XCJ1~12监测点范围)隧道变形后的曲率半径和相对变形,得上、下行隧道变形曲率半径分别为:R=63920m和71429m;上、下行隧道相对变形分别为:i=0.3/2500和0.26/2500。变形后上、下隧道曲率半径均大于15000m,相对变形均小于1/2500,满足设计要求。
5.2 开挖各阶段隧道变形规律分析
取隧道变形最大点(SCJ7)为例,分析基坑施工各阶段隧道变形特征和规律。图5表示SCJ7位置处隧道变形与开挖工况相关关系图。图中各施工阶段对应工况见表2。
由图5可知,在基坑开挖的不同阶段和不同位置,施工对隧道变形影响也不相同:
(1)分块1、2、3施工阶段上行隧道变形量分别为1.77mm、5.90mm、0.37mm,分别占隧道总变形量的22.0%、73.4%和4.6%。即隧道变形状况与基坑施工位置密切相关,在隧道正上方区域进行基坑开挖时,对隧道变形的影响最大。由此,施工中将隧道正上方开挖区域分26小块进行分块开挖,对控制隧道变形意义重大。
(2)将分块2开挖分为上行线隧道正上方(Ⅰ)、上下行隧道之间(Ⅱ)、下行线隧道正上方(Ⅲ)3个施工阶段,各阶段变形量分别为1.85mm、0.86mm和1.11mm。即在上行线隧道正上方进行开挖时,隧道变形量最大。
(3)在下行线隧道正上|考试|大|方(分块2的第Ⅲ阶段)施工时,距离上行线隧道较远,但其施工对上行线隧道产生的变形量大于分块2的施工第Ⅱ阶段所产生的变形。原因可能是由于阶段Ⅲ分块较多、施工周期较长。由此说明,选用合理的分块宽度和最优施工周期,是控制施工中隧道变形的有效方式。
(4)在完成上行线隧道正上方①~⑦开挖块后,放置了8个月进行后续分块的开挖,期间上行线隧道产生的变形为2.08mm。原因可能是基坑底板施工结束后,底板上砂袋压重不够,以致隧道在放置期间还产生持续的隆起变形。由此得出,在隧道上方进行施工时,必须堆压相当于被挖除土体重量的荷载,方可阻止隧道的进一步隆起变形。
6 结论
通过对实际工程的分析可知,得出如下结论:
(1)本方案中针对性采用了坑底加固、运营线路两侧进行钻孔灌注桩围护等施工措施,有效地限制了施工过程中地铁隧道的变形发展。
(2)基坑施工中采用分块、分条的开挖方式,做到“平衡、限时”的原则,确保了隧道变形后的曲率半径和相对变形满足设计要求。分块宽度和施工周期对施工变形的影响是矛盾的统一,施工中必须进行合理布置和组织。
(3)每块土方开挖结束浇筑底板后,必须及时堆压与开挖土方量相当的荷载,对控制隧道回弹变形作用巨大。
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