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跨越地铁盾构隧道基坑工程实践
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内容提示：总结了某软土基坑工程施工过程中为保护地铁盾构隧道而采取的措施及经验和教训，对跨地铁段施工工况进了数值模拟分析,可为类似地质条件下跨地铁段基坑设计和施工参考。
延伸阅读：地铁盾构隧道三维有限元法 基坑工程
摘 要：总结了某软土基坑工程施工过程中为保护地铁盾构隧道而采取的措施及经验和教训，对跨地铁段施工工况进了数值模拟分析,可为类似地质条件下跨地铁段基坑设计和施工参考。（参考《建筑中文网》）
关键词：基坑工程；地铁盾构隧道：三维有限元法
0 前 言
南京某广场工程基坑在 3 个地方跨骑地铁 1 号线盾构双线隧道，基坑底距盾构管片顶最小距离为 1.67m。在地铁盾构隧道之上如此密集地进行施工，在南京软土地区尚属首次，多次召开专家会进行论证。地铁部门提出盾构隧道的保护要求：盾构隧道最大沉降不超过15 mm，盾构隧道最大隆起变形不超过10 mm。
跨地铁段地层主要为粉土、粉砂及淤泥质粉质粘土，属于软土地层。地下水含量丰富。地铁盾构位于淤泥质粉质粘土地层之中，基坑底亦位于该地层之中，工程地质条件差。
本文论述了该基坑施工过程中为确保盾构隧道安全采取的各种措施，以及这些措施的经验和教训，对跨地铁段施工工况进了数值模拟分析,可为类似地质条件下跨地铁段基坑工程提供参考[1-2]。
1 工程实践
南京某广场工程在南线隧道工程基坑、北线原有隧道延长工程基坑和地下停车场西出口基坑等 3 处跨骑地铁 1 号线盾构双线隧道。地铁 1 号线盾构双线隧道该区间隧道采用盾构法施工，管片衬砌内径为 5500mm，外径为 6200 mm，每节管片长度为 1.2 m，管片厚 350 mm。盾构隧道此段覆土厚 9.2 m。基坑与地铁1 号线盾构隧道相交角度约 70°。基坑平面示意图见图 1。
本段工程地质情况：①层以软塑状粉质粘土为主；②层为粉土、粉砂及粉质粘土。其中，②-1 粉土、②-2 粉砂、②-3 层淤泥质粉质粘土是明挖施工主要不良工程地质层。地下水含量丰富。地铁盾构位于②-3 淤泥质粉质粘土地层之中，基坑底亦位于该地层之中，工程地质条件差。土层基本物理指标见表 1。
南线隧道工程基坑采用二重管高压旋喷桩加固盾构隧道四周土体及防其上浮，旋喷桩距离盾构隧道顶面和侧面的间距为 0.5 m。二重管高压旋喷桩Φ800，搭接 200 mm，浆液压力 20 MPa，气压力 0.7 MPa，提升速度 10～15 cm/min。旋喷桩施工接近完成时，地铁盾构隧道左线局部管片接缝渗漏水、管片裂缝渗水等情况的发生，旋喷桩施工立即停工。事后分析可能在盾构隧道侧面旋喷桩施工引起的。然后从盾构隧道内部通过管片预留孔对管片外围区域进行注浆，以改善周围土体的力学性能。注浆方式采用先劈裂注浆，后压密注浆。对于管片接缝渗漏水、管片裂纹渗水的地方，采用压注亲水性环氧浆材料的方法进行封堵。隧道监测基本稳定后修补破损管片，拱部进行补充嵌缝。二个月后，基坑工程恢复施工。
吸取南线隧道工程基坑经验，停车场西出口跨地铁段采用深层搅拌桩加固盾构隧道周围土体，基坑开挖面以下水泥掺量 20%，基坑开挖面以上水泥掺量14%，搅拌桩距离盾构隧道顶面和侧面的间距为 0.5m。施工顺序为首先进行双轴深层搅拌桩加固，后进行基坑围护 1200@1150 挖孔咬合桩施工。在深层搅拌桩加固施工过程中顺利，只是在人工挖孔咬合桩施工过程中，1 根桩人工挖孔接近盾构隧道时，出现挤泥现象，盾构隧道右线 1165 环顶部管片出现崩角脱落，后及时采取措施后，顺利完工。
在骑跨盾构隧道处基坑围护采用中 1200@1150的挖孔咬合桩，桩长 8.0～16.0 m，基坑支撑采用Φ609×14 mm 钢支撑，间距为 4.8 m，设上下两道钢支撑。基坑降水采用管井降水，且盾构隧道两侧对称降水，地下水位降至标高 3.0 m。在基坑内降水效果不理想的局部区域打取轻型井点辅助降水。坑内盾构隧道外侧 3 m 处设四排Φ800 钻孔抗拔桩（每排 5 根），以加固盾构隧道四周土体及防其上浮。
该段基坑挖土遵循“分层、分段、对称、限时”原则。为防止因土方开挖先期卸载与基坑隆起而引起的地铁盾构隧道的上浮变形，机械开挖至标高 7.5 m，人工抽槽安装第二道钢支撑，然后对坑内土方分 5 次由中间土条分别向两侧对称进行人工抽条开挖。中间土条开挖后要集中力量进行两根 H300X300 型钢安装及片石混凝土板浇筑。为保证基坑及早封闭，片石混凝土板的 H300X300 型钢骨架在地面上预先加工，待基底清理干净，验收合格后将型钢骨架吊装至坑底：与抗拔桩钢筋焊接后，进行片石混凝土板浇注，利用其与抗拔桩的整体结构压住盾构隧道。
2 跨地铁段数值分析
通过对地下停车场西出口跨地铁段基坑施工工况的模拟分析，可以进一步认识地下停车场西出口跨盾构地铁段的变形机理，为施工方法的改进提供了依据。由工程情况可知，计算必须采用三维模型。
分析网格见图 2，其 4725 个节点，分析单元 3536个。计算参数见表 2。计算中认为盾构和支护桩只发生弹性变形，土的横向压力系数 K0取 0.6，土的卸荷模量取加荷模量的2.0 倍。
土的应力–应变关系采用 Mohr-Coulomb 模式，计算简便，对一般工程问题又都有较为满意的精度。
Mohr-Coulomb 屈服条件为[3]
式中 c、φ为强度指标；I1 为第一应力不变量；J2 为第二应力偏量不变量； θσ为应力洛德角。
施工的模拟过程为：当挖去一层土体后，计算被挖去的土体单元的等效结点力，并反向施加于开挖面上，使开挖面成为零应力面[4]。某层土体被挖去，在计算中就是把被挖去的土体所对应的单元刚度降为接近 0 的值。这样可以利用一个统一的网格计算各施工步骤，避免了大量的重复计算。此外，可以采用的一种改进方法。即仅把沿开挖线上的单元改为“空气单元”，内部其他被挖单元及相应节点，可以取其位移及应力为 0 并退出下一步的运算。这样，进一步提高了计算效率。
2.2 计算分析
通过对整体开挖、抽条开挖、加固等影响等各种施工工况下盾构隧道的变形分析，可以进一步理解结构的受力机理，为施工的改进提供依据。计算结果（见表 3）表明施工过程中盾构隧道是安全的。分析表明抽条开挖的空间效应是明显的，施工中应当严格按设计要求抽条开挖。上述分析结果在地下停车场西出口跨盾构地铁段的施工方案专家咨询会上，为施工方法的改进提供了参考。
3 结 论
(1) 淤泥质软土中跨地铁段基坑施工过程中采用地基加固措施（尤其是高压旋喷桩）要特别考虑周全，避免对盾构隧道产生不利影响。
(2) 三维有限元模拟施工计算结果表明表明开挖过程中地铁盾构是安全的，抽条开挖的空间效应是明显的。
参考文献：
[1] 孙 钧, 等. 城市环境土工学[M]. 上海:上海科学技术出版社,2005:16–72.(SUN Jun, et. al. Soil mechanics in urbanenvironment[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 2005:16–72.)
[2] 吴世明, 杨 挺, 周 健, 等. 岩土工程新技术[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2001: 239–247.(WU Shi-ming,YANG Teng, ZHOU Jian. New technology in geotechnical engineering[M]. Beijing: China Achitecture and BuildingPress, 2001:239–247)
[3] 郑颖人, 沈珠江, 龚晓南. 岩土塑性力学原理[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2002:41–64.(ZHENG Ying-ren,SHEN Zhu-jiang, GONG Xiao-nan. The principles of geotechnical plastic mechanics[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2002:41–64)
[4] SMITH I M, GRIFFITHS D V. Programming the finite element method [M]. Chichester: John Wiley & Sons, 1999:483–523.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/9132.htm
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