0 引言
随着当前城市开发进程，长江沿线地区因其优良的生态环境、便利的交通条件成为诸多城市重点发展区域。如何在有限的用地条件下充分开发利用地下空间成为该区域建设工程首要目标，由此带来的众多深基坑工程对周边重要构筑物，尤其对被称为城市生命线的地铁隧道影响不容忽视。长江沿线所属长江漫滩地层是典型的河流冲积二元结构，沉积物主要由上部漫滩相细粒沉积物和下部粗粒河床沉积物组成。上部漫滩相土层主要为淤泥质粉质黏土、粉质黏土和粉土层;下部漫滩相土层为粉细砂层和砂砾层。该类型地质条件下的深基坑工程基本处于上部漫滩相土层的软—流塑淤泥质粉质黏土中，具有高压缩性、高灵敏度、低强度、低渗透性、低到中等的次固结等特征。在该地质条件下实施的大型深基坑工程对地铁隧道影响较常规地区影响更为显著。
深基坑施工对周边环境影响主要通过地层变形体现，基坑开挖、降水及围护施工引起地层变形是最为主要的作用机制。地铁隧道多数为盾构隧道，施工便利、安全、快速，同时具备有多缝、易渗漏、易损伤等缺点，如遭遇沿线周边物业密集开发，极易发生渗漏和不均匀变形［1 － 6］，若变形严重将直接影响结构及运营安全。目前国内因周边开发对邻近盾构隧道的影响研究方法大体可归纳为现场实测分析、有限元仿真模拟、理论计算和离心模型试验法［7 － 10］，但现有研究更多针对工程前期影响，工程案例多为实施相对安全可靠的项目，对于长江漫滩地区等特殊工程地质条件下突发性隧道结构安全问题，尤其在深基坑工程前期施工对盾构隧道已造成较大影响情况下，盾构隧道应急保护措施的可行性和有效性亟待深入研究。
1 项目概况
1． 1 周边环境
项目位于长江漫滩地区，面积9 万m2，总建筑面积70 万m3，地下设4 层地下室，最大开挖深度达22． 75 m。基坑为明挖顺作，分4 个区域进行施工，Ⅰ区基坑面积约1 万1 300 m2，Ⅱ区基坑面积约8 500 m2，Ⅲ区基坑面积约3 万1 000 m2，Ⅳ 区基坑面积约7 300 m2，其中Ⅰ区基坑与Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区基坑之间无连接，Ⅰ区、Ⅲ区基坑邻近已运营地铁盾构隧道(隧道埋深18． 5 ～ 20． 6 m，隧道外径6． 2 m，内径5． 5 m，壁厚0． 35 m，环宽1． 2 m)。基坑分区及基坑与地铁盾构隧道相对关系见图1。
图1 项目基坑分区图
1． 2 地质概况
地块所处地层隶属长江漫滩地貌单元，根据地勘资料，场地地基土层自上而下主要为杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、粉细砂、粗砾砂( 含砾石)、强风化泥岩、中风化泥岩。地铁盾构隧道主要穿越② － 2 淤泥质粉质黏土、② － 3 粉质黏土夹粉砂及③ － 1 粉细砂，相邻基坑底位于② － 2 淤泥质粉质黏土。相关土层物理力学参数见表1。
表1 各土层平均物理力学参数
1． 3 基坑支护设计及施工方法概况
该基坑采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护体，地下连续墙厚1． 0 ～ 1． 2 m，深度约65． 0 m，且入中风化岩不少于1． 0 m 以切断坑内外水力联系，内部设5 层钢筋混凝土支撑。近地铁侧坑内被动区坑外主动区均采用三轴深搅桩进行加固。基坑支护结构与地铁盾构隧道结构边线最小水平距离为15． 0m，Ⅰ区基坑与地铁盾构隧道相对关系剖面图如图2所示。
基坑采用明挖顺作法施工，采用盆式开挖方式按Ⅰ区—Ⅱ区—Ⅲ区—Ⅳ区顺序进行施工，开挖遵循分区、分块方式开挖，后续基坑均待前期地下室结构完成后施工。坑内地下水采用疏干降水方式处理，坑外设置集水井及排水沟对地表水进行疏排，同时设置观测井兼回灌井控制坑外水位。该基坑施工期间主要采用自动化监测方式对盾构隧道水平位移、水平收敛、竖向收敛及垂直位移进行监测。
2 隧道结构变形分析
围护结构施工完成后，该基坑第1 阶段进行Ⅰ区、Ⅱ区施工，先后进行群井降水试验、土方开挖、混凝土支撑施工、底板浇筑施工、混凝土支撑拆除和地下室施工等。下文对邻近Ⅰ区基坑的下行线隧道结构变形进行统计与分析。
2． 1 结构变形
在Ⅰ区、Ⅱ区基坑施工过程中，盾构隧道产生了较为显著的变形与结构性病害。为分析结构变形对盾构隧道防水及连接螺栓的受力影响，对隧道纵向变形、横向变形、表观病害进行了统计。
图2 Ⅰ区基坑与盾构隧道相对位置关系图(单位: m)
1)隧道纵向变形。1 阶段施工期间，隧道沉降逐渐扩大，土方开挖前群井降水试验期间、土方开挖( 含混凝土支撑施作) 及底板封闭期间、混凝土支撑拆除及地下结构回筑期间沉降量分别占施工期沉降量的12． 7%、41． 8% 及45． 5%。沉降速率方面，土方开挖前，群井试降水速率明显大于基坑土建施工阶段;土方开挖后，沉降速率总体上随着土方开挖深度的增加而增加(见图3 和图4)。
图3 各施工阶段隧道沉降图
2)隧道横向变形。项目施工前，项目段上下行3环管片水平直径扩张超80 mm，10 环管片水平直径扩张在70 ～ 80 mm，水平直径扩张最大达85． 0 mm;Ⅰ区和Ⅱ区基坑底板封闭完成时，水平直径扩张超80 mm达37 环，在70 ～ 80 mm 达167 环，扩张最大达96． 3mm;待Ⅰ区和Ⅱ区基坑回筑完成时，水平直径扩张超80 mm 达95 环，在70 ～ 80 mm 达136 环，水平直径扩张最大达93． 1 mm。施工过程中，隧道水平直径扩张较快，各节点施工期间隧道水平直径变化见图5。经统计，隧道水平直径扩张主要发生在底板封闭之前，水平直径扩张量约占施工期总扩张量的81． 5%，基坑回筑期间隧道水平直径扩张约占总扩张量的18． 5%。
图4 各施工阶段隧道沉降速率图
图5 各施工阶段隧道水平直径变化图
3)表观病害。1 阶段施工期间，上行线累计88环、下行线累计94 环存在结构性病害(见图6)，病害比例达26． 0%、26． 7%。结构性病害主要表现为腰部环纵缝渗漏、封顶块连接管片裂缝、腰部管片混凝土压损，部分区段封顶块连接管片形成了连续裂缝，最大裂缝宽度达0． 6 mm。典型病害图片见图7。此外，Ⅰ区基坑土方开挖期间，道床与管片剥离发展较迅速，剥离段连续长度约400 m，最宽处达到35 mm，下行线较上行线严重，道床底部脱空量约5 mm。
图6 隧道结构病害图
图7 下行570 环管片压损及下行544—545 环管片裂缝图
2． 2 定性分析
将监测数据与基坑工序进行对比，可发现隧道变形及病害发生较为显著对应的施工阶段如下。
1)土方开挖前的群井降水试验表明，由于Ⅰ区基坑地下连续墙止水效果存在缺陷，期间盾构隧道纵向变形占施工期变形的12． 7%，且变化速率远大于其他施工阶段，表明水位下降对管片纵向变形具有较为显著的影响。
2)在基坑土方开挖及降水期间( 含降水试验期间)，隧道发生54． 5% 的沉降、81． 5% 的水平直径扩张，表明在长江漫滩地质条件下，该阶段施工对地铁结构变形影响最为显著。
3)在基坑底板封闭、坑内无大范围降水、围护结构止水效果有效的前提下，地铁结构仍有较大变形，其中隧道沉降占比达45． 5%、水平直径扩张占比达18． 5%，除了软土自身的滞后变形外，基坑内支撑采用机械振动方式拆除，且邻近地铁侧存在的堆载影响均不可忽略。
以上分析结果表明，Ⅰ区、Ⅱ区基坑施工期间，相邻盾构隧道结构变形因素主要为降水、侧向卸载及附加荷载。
2． 3 定量分析
为研究外部条件变化时盾构隧道结构的内力变化特性，本文采用目前已较为成熟的修正惯用法理论［11］，对降水、侧向卸载及附加荷载对于不同埋深下盾构隧道影响进行分析。
根据材料力学纯弯构件梁的平截面假定，按照弹性均质材料考虑，梁上每个截面的变形曲率Φ 与弯矩M之间关系可表达为M(θ) = EIΦ(θ) = － EId2 v(θ) /dθ2，其中EI 为管片抗弯刚度，v( θ) 为管片曲线函数，θ 为管片某点位的角度，即可将定量研究管片变形转变为对管片弯矩的研究。
2． 3． 1 模型建立
盾构隧道主要穿越② － 2 淤泥质粉质黏土及③ － 1 粉细砂地层，结合本项目盾构隧道及地层参数，计算隧道不同埋设工况下，附加堆载、降水、侧向卸载对盾构管片弯矩的影响。盾构隧道荷载分布形式如图8 所示。
图8 修正惯用法荷载图示
2． 3． 2 降水影响分析
在长江漫滩地区，为确保基坑开挖面稳定并提供施工作业面，深基坑需实施坑内降水，若围护结构密封性不足，将引起周边水位下降，导致隧道管片受力情况变化，管片结构应力应变将随之发生改变。经查阅项目段岩土工程勘察报告，隧道分布土层的饱和重度为18． 08 kN/m3，有效重度为8． 28 kN/m3。本文分析隧道覆土厚度为9、12、15、18 m 情况下，地下水位由本项目自然标高(地下6 m)逐步下降至本项目隧道拱顶标高(地下18 m)管片最大弯矩的变化情况。降水深度与管片最大弯矩关系曲线如图9 所示。可以看出: 1)降水深度与管片结构最大弯矩增加比例呈线性关系，随着降水深度增加，管片最大弯矩逐渐增大，且隧道埋深越小降水影响越明显; 2)在隧道埋深为9、12、15、18m 工况下，降水深度每增加1 m，对应管片最大弯矩分别增加8． 09%、6． 84%、5． 93%、5． 23%。
图9 降水深度与管片最大弯矩关系曲线
2． 3． 3 侧向土压力折损影响分析
侧向土压力损失与基坑围护结构变形、基坑开挖面与盾构隧道时空关系、土层物理力学性能等因素有关，但目前缺乏相关的经验公式。为了分析基坑开挖、内混凝土支撑拆除等施工对管片最大弯矩的影响，本次分析按一定比例折损进行分析。结果见图10，可知:侧向土压力折损与管片结构最大弯矩增加比例呈现线性关系，随着侧向土压力折损，管片最大弯矩逐渐增大，且隧道覆土厚度越大影响越大。在隧道埋深为9、12、15、18 m 工况下，侧向土压力每折损10%，管片最大弯矩分别增加18． 42%、19． 32%、20． 15%、20． 81%。
图10 侧向土压力折损与管片最大弯矩关系曲线
2． 3． 4 堆载影响分析
在邻近地铁隧道深基坑施工过程中，盾构隧道上方较易出现重载车辆碾压、施工材料及施工垃圾临时或长期堆放等情况，附加堆载将直接引起管片附加应力的增加。本文根据Boussinesg 公式，假定为大面积均质堆载，分析盾构隧道上方堆载2、4、6、8 m 对隧道覆土厚度为9、12、15、18 m 的影响，详见图11。堆载与管片结构最大弯矩增加比例呈现线性关系，随着堆载的增加，管片最大弯矩逐渐增大，且隧道覆土厚度越小影响越大。在隧道埋深为9、12、15、18 m 工况下，堆土每增加1 m，对应管片最大弯矩分别增加4． 42%、2． 89%、2． 05%、1． 53%。但考虑到Boussinesg 公式为弹性解，未考虑土层物理力学性能，堆土对管片最大弯矩的影响计算结果比实际结果偏低。
图11 堆载高度与管片最大弯矩关系曲线
3 隧道应急保护
基坑Ⅰ、Ⅱ分区施工完成时，通过对隧道纵向变形、隧道横向变形及隧道结构病害的监测与分析，参照相关规范［12 － 13］及相关文献［14 － 16］，隧道纵向附加变形曲率半径最小达2 万1 505 m，尚在规范控制1 万5 000 m 以外，说明纵向连接螺栓尚在弹性变形范围，但隧道横向变形95 环超80 mm，最大达93． 1 mm，且拱顶出现裂缝、腰部出现压损等典型的横向变形过大引起的病害，综合判断结构存在较大的安全隐患。
3． 1 应急措施
鉴于Ⅰ、Ⅱ分区施工期间已经造成盾构隧道出现较大变形，且变形速率未趋于稳定，经对比分析，后续施工的Ⅲ区基坑开挖深度与Ⅰ区同为22． 75m，但平面面积是其2． 74 倍，对应隧道长度为1． 76倍，若不及时采取有效的应急管控措施，盾构隧道结构可能无法承担Ⅲ区基坑施工的叠加影响。综合盾构结构现有状态及产生变形的主要风险源，本文提出“外控内治”的综合应急处置措施，以应对基坑施工风险及治理盾构隧道结构病害。
3． 1． 1 外控措施
3． 1． 1． 1 坑外水位管控
Ⅲ区基坑土方开挖前，进行专项群井降水检测，检验地下连续墙密封性。Ⅲ区基坑4 层土方开挖时，经监测，地下水位约为－11． 5 m，4 层及以下土方开挖必须降水。结合前期施工经验，工程降水采用了分段、分块控制性降水，以保证水位稳定在开挖面以下1 m，降水井调整至远离邻近盾构隧道侧地下连续墙边线20 m，同时设置回灌井，确保盾构隧道周边水位平衡。
3． 1． 1． 2 侧向土压力折损管控
为了减小侧向土压力的损失，总体遵循“分区、分块、对称、平衡、限时”的原则，对土方开挖及混凝土支撑衔接进行了重新细化设计与安排。
1)优化土方开挖顺序。Ⅲ区土方开挖划分为3 个区段A、B、C，依据SA≈SB + SC及C 区留土宽度不低于4 倍开挖深度的原则，测算出C 区宽度为20 m、B 区宽度为40m，并按A 区—B 区—C 区及跳槽开挖的总体顺序实施。
2)限时开挖并补强内支撑。加强投入与合理组织施工，确保最后3 层土方( 每层土方约13 万9 500m3)及支撑1 个月内完成，折算每天6 000 m3 (约为Ⅰ区基坑的1． 5 倍)，同时，C 区每段土方开挖后24 h 内先架设钢管支撑，单根钢管预加轴力1 000 kN，待钢管支撑下混凝土支撑达到设计强度70% 后方可拆除钢管支撑。Ⅲ区基坑土方开挖分区及临时钢管支撑图如图12 所示。
图12 Ⅲ区基坑土方开挖分区及临时钢管支撑图
3)控制振动。静力拆除C 区支撑与围檩，按分区、分段、错层拆除，每层结构施工完成先拆除角撑，预留7、8、10 部位支撑暂不拆除，C 区支撑与围檩采用机械切割的形式实施拆除，其余部位采用机械破除。
4)附加荷载管控。沿基坑远离地铁侧设置4 处出土口，将现场办公与生活使用的轻质板房布设于盾构隧道上方，确保盾构隧道上方无重型材料堆放和重载车辆运行。
3． 1． 2 内治措施
1)侧向土压力补强。为了弥补基坑施工造成侧向土压力的折损，选择对项目段上下行线隧道水平直径收敛变形超过70 mm 的隧道环及外延3 环隧道两侧实施双液微扰动注浆［17 － 19］，浆液为水泥浆与水玻璃双浆液，体积为(2 ～ 3) ∶ 1，水泥浆泵流量14 ～ 16L /min，水玻璃泵流量5 ～ 10 L /min，注浆为底部标高以上5． 2 m 范围，注浆压力根据监测情况确定，注浆顺序采用同一排做1 跳5—10 环、相邻注浆孔间隔不少于2 d、同一环隧道两侧间隔注浆，注浆拔管由下而上均匀拔出，每30 s 拔5 cm(可根据实际监测数据调整)，每孔注浆量约1 100 L。若注浆期间隧道收敛值扩张量≥5 mm，则立即停止注浆。改良管片隧道两侧土体性能，增加侧向土压力，注浆位置见图13，最终注浆1 275 孔。双液微扰动注浆现场施工图见图14。
图13 双液微扰动注浆示意图(单位: m)
图14 双液微扰动注浆现场施工图
2)管片结构补强。在施工期间，盾构隧道结构变形尚未稳定的状态下，实施见水就堵的原则，采用壁厚注浆结合环纵缝环氧堵漏。针对拱顶裂缝情况，通过粘贴芳纶布临时加固。针对管片压损情况，采用高强修补砂浆水泥配合刚性环氧修补。盾构隧道结构变形基本稳定后，针对Ⅰ区、Ⅱ区基坑回筑完成时盾构隧道横向变形超80 mm 的管片以及结构表观损伤严重的管片，共计101 环实施了内张钢圈支护补强，钢板壁厚20 mm、环宽900 mm。现场施工情况见图15。
图15 内张钢圈施工图
3． 2 保护效果
3． 2． 1 外控效果
为了衡量与反分析基坑施工外控的效果，结合现场双液微扰动注浆孔的布置，选择Ⅰ区、Ⅲ区基坑弯弧两端点向基坑中部延伸方向的30 环盾构隧道为研究对象(均未实施微扰动注浆，且基坑及外部环境基本相同)，对比了土方开挖及底板封闭节点以及基坑回筑、支撑拆除节点盾构隧道水平直径变化。基坑降水及土方开挖施工外控效果如图16 所示。基坑回筑及支撑拆除外控效果如图17 所示。
图16 基坑降水及土方开挖施工外控效果
由图16 和图17 可知: Ⅲ区基坑经优化施工组织设计后，在相同阶段施工条件下，Ⅲ区基坑施工造成的盾构隧道水平直径变化量明显小于Ⅰ区基坑施工的影响，其中降水及土方开挖施工影响量减少了67． 0%，基坑回筑及支撑拆除施工影响量减少了63． 3%，说明对基坑施工的外控效果显著。
图17 基坑回筑及支撑拆除外控效果
3． 2． 2 内治效果
选取下行线X523—X665 环盾构隧道水平直径双液微扰动注浆实施前、实施后及Ⅲ区基坑回筑完成节点监测成果，以衡量地铁结构内治效果，详见图18。经统计，即使在Ⅲ区基坑同步施工过程中，微扰动注浆结束时，仍对该段隧道水平直径最大纠偏22． 7 mm，平均纠偏9． 2 mm，待Ⅲ区基坑回筑完成时，对该段隧道水平直径平均纠偏量达7． 0 mm，说明微扰动注浆取得了良好的效果，不仅有效弥补了Ⅲ区基坑施工对盾构隧道的影响，且对隧道横向变形起到了有效的治理作用。
图18 盾构隧道内治效果
4 结论与建议
长江漫滩地区因其工程地质条件特殊性，场地范围内的深基坑开挖对邻近地铁隧道影响因素较常规地区多且复杂。通过对现场监测成果资料的整理与分析，并利用荷载结构法和修正惯用法对管片结构变形的影响因素进行定量分析，说明长江漫滩区域深基坑施工对盾构隧道结构变形影响主要因素为降水、侧向卸载及附加堆载，且对不同覆土深度隧道均能产生一定的影响。经过总结与反分析，长江漫滩地区深基坑对盾构隧道保护可采取针对性“外控内治”保护措施，通过实施效果对比，说明在深基坑施工对邻近盾构隧道产生不利影响时，该措施可作为应急保护有效的处置方案。建议在进行长江漫滩地区邻近盾构隧道的深基坑设计、施工及开展相应盾构隧道保护工作时，应注意如下事项。
1)在长江漫滩地区深基坑开挖期间，随着水位降深的增加，邻近地铁盾构管片最大弯矩逐渐增大，且隧道覆土厚度越小影响越大。深基坑在设计阶段应确保切断坑内外承压水联系，土方开挖前应对围护结构渗漏进行专项检测，确保止水效果后方可开挖土方，并严格遵循“按需降水”，避免地下水位变化对盾构隧道的影响。
2)长江漫滩地区深基坑开挖期间极易引起邻近隧道侧向土压力折损，导致盾构管片最大弯矩增大，且隧道覆土厚度越大影响越大。在基坑支护结构设计时，可通过工程筹划，制定针对性土方开挖、土方开挖与内支撑衔接、内支撑拆除等方案，并确保快速施工，可有效降低因土压力折损对地铁隧道的不利影响。
3)施工附加荷载对地铁盾构隧道的影响不可忽视，随着堆载的增加，管片最大弯矩逐渐增大，且隧道覆土厚度越小影响越大。施工时严禁在隧道上方堆放重型材料或通行重载车辆，严格控制施工荷载。
4)长江漫滩地区若深基坑对地铁盾构隧道影响导致其变形较大，可按照“内治外控”原则，在隧道内部实施双液微扰动注浆施工和内钢环加固，可取得显著的应急治理效果。
5)本文将基坑降水、土方开挖及地表堆载与管片附加荷载进行关联，实现了相应定量分析。由于对施工工况进行了简化，如隧道单侧基坑土方开挖的工况下对隧道两侧侧向土压力进行对称折算，隧道上覆地表局部堆载按大面积均质堆载考虑，未考虑各影响因素相互影响及管片变形受损的强度折减，因而计算成果与工程实际存在一定偏差。后期可进一步采用有限元方法建立流固耦合场，并引入盾构隧道结构损伤模型，对已受损盾构隧道在外部多重因素同时作用下进行更为符合实际工况的定量分析。
6)长江漫滩地区深基坑开挖具有明显的时间效应，其对盾构隧道的长期影响不可忽略，本文仅针对施工期间内盾构隧道的突发影响及应急保护方案进行研究，后期可针对长江漫滩地区深基坑开挖对盾构隧道长期影响相应综合保护措施进行深入研究。
摘自：隧道建设