大面积软基处理时施工顺序对地铁影响的分析_陈梦鸥.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:陈梦鸥 大面积软基处理时施工顺序对地铁影响的分析 J 城市勘测，2023(1):199204文章编号:16728262(2023)0119906中图分类号:TU433文献标识码:A大面积软基处理时施工顺序对地铁影响的分析陈梦鸥1，2*收稿日期:20220719作者简介:陈梦鸥(1980)，男，博士研究生，高级工程师，注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土工程设计工作。Email:40466617 qqcom(1.天津大学，天津300071;2.深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳518026)摘要:当地铁上方需要进行大面积软基处理时，需考虑软基处理对地铁的影响，需分析的工况不仅包括最终工况，还包括施工过程中各工况，不同施工顺序将会使地铁变形不同。本文以南方某城市已运营地铁上方大面积软基处理为例，分析了 4 种不同施工顺序下地铁的变形。研究表明:地铁上方卸载引起的地铁隆起不可忽略;先卸载后降水方式导致地铁隆起较大，远超先降水后卸载方式产生的地铁隆起;先降水后卸载方式在地铁中产生变形的过程是沉降隆起，能有效减小地铁结构总隆起量。关键词:软基处理;施工顺序;地铁;变形1引言在东部和南部沿海城市，存在大量的海积平原(滩涂)，要在这些海积平原(滩涂)上进行建设，就必须先进行大面积软基处理。地基处理方法的选取具有地域特点，软土地基常选用预压地基、夯实地基、水泥土搅拌桩复合地基、旋喷桩复合地基等类型1。地铁在城市发展过程中起到了不可或缺的作用，其重要性不言而喻。为此，在地铁保护区进行开发建设时，需要控制工程建设引起的地铁变形、地铁结构附加应力等 24，确保地铁安全。工程界对此进行了大量的研究:黄宏伟 5 等采用数值模拟研究了基坑开挖对下卧运营盾构隧道的影响;郑刚 6 等通过对比分析，将基坑外不同位置的隧道根据其变形分为沉降区、变形过渡区及隆起区;康成 7 等利用牛顿迭代法求解得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形的数值解答;李俊逸 8 等对基于 Kerr 地基模型的二阶段法进行了修正，提出了可考虑采用工程控制措施的下卧已建盾构隧道竖向变形计算方法;宗翔 9 提出了基坑开挖卸载时控制地铁隧道隆起的方法。除了基坑开挖对地铁有影响之外，当海积平原(滩涂)下方已建地铁、上方需要进行软基处理时，隧道上方大面积加载与卸载必然会对盾构隧道变形产生较大的影响10，11，还需要研究大面积软基处理对地铁的影响。叶亮12 采用三维数值模拟手段分析了盾构隧道应力增量分布规律，并提出了控制重型施工器械施工过程中与地铁的距离及滞留时间等保护措施。此外，魏海涛13 的研究表明:施工顺序对软土地坪复合地基的沉降有影响，施工顺序不同，沉降值也不相同。本文以南方某城市近接地铁的大面积软基处理项目为例，采用有限元法分析大面积软基处理时施工顺序对地铁的影响，并讨论大面积软基处理对地铁影响分析中应注意的几个问题。2工程概况及工程地质条件拟建的南方某城市新航站区位于已有的航站楼北侧，由航站楼主体、卫星厅及配套设施如联络道、滑行道、停机坪、建筑区、物流仓储区等组成，总占地面积超过 350 万平方米。本项目软基处理交工面标高为黄海高程 40 m，场地现状高差较大:局部位置经人工堆填，现状标高在15 m(黄海高程)左右;局部位置标高不到 2 m(黄海高程)，淤泥出露地表。场地内的地质条件从上至下依次为:杂填土、素填土、填污泥、填淤泥、淤泥、含有机质中粗砂、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、中粗砂、砂质黏性土、下伏长城系混合花岗岩。典型地质断面图如图 1 所示。图 1典型地质断面图拟建航站区场地内有多条地铁线、城际轻轨和高铁等轨道交通。其中地铁已建成通车，在新航站区软基处理范围内有地下车站(共 3 个地铁车站，下文从南城市勘测2023 年 2 月至北依次简称为车站 A、车站 B 和车站 C)、明挖风井、区间盾构隧道、停车场和出入段线，进行软基处理时需考虑对其的保护。3软基处理设计3.1软基处理方案根据地层条件和使用功能及场地现状情况，地铁线路安保区采用了开挖整平、搅拌桩复合地基、真空预压+搅拌桩复合地基、袖阀注浆等地基处理形式。各区具体的软基处理方案如表 1 所示。表 1各分区软基处理方案功能分区(场地条件)软基处理方案场道区(填土、填污泥区)搅拌桩复合地基场道区(纳淤区)真空预压+搅拌桩复合地基建筑区(航站楼、卫星厅)插板排水堆载预压建筑区(其他)搅拌桩复合地基市政道路区(填土、填污泥区)搅拌桩复合地基市政道路区(拦淤堤、海堤)袖阀注浆地铁安保区从南往北地基处理方式为:(1)车站 A 至风井明挖段，现状地面标高约11 m15 m(绝对标高)，高于本项目交工面标高(交工面标高为绝对标高 40 m)，且填土层底标高约在10 m，故本段采用开挖整平处理，地铁车站结构两侧堆载预压;(2)地铁风井至车站 B 区间隧道靠近风井区域，搅拌桩复合地基处理，地铁保护区外堆载预压处理;(3)地铁风井至车站 B 区间隧道中间区域，先真空预压(插板不穿透淤泥)后搅拌桩复合地基处理，地铁保护区外堆载预压处理;(4)地铁风井至车站 B 区间隧道靠近车站 B 区域，搅拌桩复合地基处理，地铁保护区外堆载预压处理;(5)车站 B，开挖整平处理，地铁保护区外堆载预压处理;(6)车站 B 至车站 C 区间隧道区域，开挖整平后搅拌桩复合地基处理;(7)车站 B 至停车场出入场段，开挖整平后搅拌桩复合地基处理，地铁保护区外堆载预压处理。本文以车站 B 至车站 C 区间隧道区域段为例进行分析，该段的软基处理断面图如图 2 所示。图 2软基处理断面图3.2软基处理工况初步设计时，车站 B 至车站 C 区间隧道区域段(以下简称“该段”)考虑先整平、再施工隧道两侧的桩基、再施工搅拌桩、然后降水并施工桩基盖板、最后再回填碾压至交工面标高(以下简称“初步方案”)，其施工工序为:全部范围整平至 45 m隧道上方整平至15 m隧 道 两 侧 的 桩 基 施 工其 他 位 置 整 平 至15 m施工搅拌桩降水至 10 m施工桩基盖板回填至 25 m标高。各工况如表 2 所示。表 2初步方案工况工况序号施工内容1整平至 60 m2整平至 45 m3隧道上方整平至 15 m4隧道两侧桩基施工5其他位置整平至 15 m6搅拌桩施工7降水至 10 m8桩基盖板施工9回填碾压至 25 m4施工顺序对地铁的影响分析4.1初步方案的定性分析在初步方案中，工况7 降水至 10 m标高的目的有两个:一是通过降水增加场地地层的有效应力，以降低工况1 至工况5 大面积整平对隧道结构的影响;二是为工况 8创造施工条件。但工况 1 至工况 5 大面积整平时卸载的土层有 9 m13 m厚，卸载后的地铁隧道顶部的覆土约剩11 m。根据范垚垚等 14 的研究，在卸荷比为 0.58 的情况下，受卸载影响而产生隆起的隧道范围约为6 倍的卸载宽度，其中隆起强影响区约为卸载区的0.75 倍。可以预见，本方案工况1 至工况5 地铁隧道结构将产生较大的隆起，隆起量可能超过地铁保护规范的要求 4。4.2初步方案的有限元分析采用 MIDAS/GTS 软件对该段进行建模分析，地铁结构采用弹性模型，土层本构模型采用修正摩尔库仑模型，重度和抗剪强度指标按勘察报告取值，弹性模量和泊松比根据勘察报告提供的压缩模量参考建筑地基基础设计规范(DBJ 15312003)15 和陆培炎科技著作及论文选集16 选取。各土层的有限元计算参数如表 3 所示。表 3土层计算参数土层名称C/kPa/弹性模量/kPa泊松比填土10108 000035淤泥631 300040粉质黏土201625 000033002第 1 期陈梦鸥.大面积软基处理时施工顺序对地铁影响的分析续表 3砂质黏性土242248 600032堆载土101520 000033全风化262798 600030经过有限元计算，本方案工况 1 地铁隧道的隆起为 571 mm，工况 2 地铁隧道的隆起在工况 1 的基础上增加了 155 mm，总量达到了 726 mm，工况 3 地铁隧道的隆起进一步增加，达到了 878 mm，接近地铁保护标准所要求的 10 mm4。本方案各工况有限元计算结果如图 3图 11 所示。图 3初步方案工况 1 地铁结构变形云图图 4初步方案工况 2 地铁结构变形云图图 5初步方案工况 3 地铁结构变形云图图 6初步方案工况 4 地铁结构变形云图图 7初步方案工况 5 地铁结构变形云图图 8初步方案工况 6 地铁结构变形云图图 9初步方案工况 7 地铁结构变形云图图 10初步方案工况 8 地铁结构变形云图图 11初步方案工况 9 地铁结构变形云图在该段的计算中，若只进行初始工况和最终工况的计算，则会得到一个比较容易误导相关各方的结论:施工过程中地铁结构隆起 629 mm，满足地铁安保要求。但事实上，该段过程工况地铁结构的隆起量最大值达到了 878 mm，接近地铁安保允许值;在其他一些不可预期因素的影响下，若按初步方案进行施工，则施工过程中地铁隆起极可能超过地铁保护标准的允许值，影响地铁正常运营。在初步方案中，直到地铁结构顶部及周边均大面积卸载后再进行降水，虽然降水会引起土中有效应力增加、土层沉降，进而带动地铁隧道沉降、减小地铁隧道隆起量，但在降水之前地铁隧道已发生较大的隆起，最危险的工况发生在降水工况前。根据建 筑 基 坑 支 护 技 术 规 程(JGJ 120 2012)17，降水引起的地层沉降为:s=wzihiEsi初步方案中，场地整平至 15 m 后才进行降水施工，降水引起的土中有效应力增加值较小，地层的沉降相应较小，对地铁变形控制作用很小。为避免大面积整平对地铁隧道产生破坏性影响、严格控制施工过程中地铁变形，对比分析了三个方案，三个方案的降水时机分别为早期降水、最先降水、中期降水，三个方案分别简称为比选方案一、比选方案二、比选方案三。4.3比选方案一的有限元分析比选方案一的施工工序为:整平至 60 m降水至 10 m隧道两侧的桩基施工整平至 45 m施工搅拌桩隧道上方整平至 15 m施工桩基盖板其他位置整平至 15 m回填至 25 m标高。各工况如表 4 所示。表 4比选方案一工况工况序号施工内容1整平至 60 m2降水至 10 m102城市勘测2023 年 2 月续表 43隧道两侧桩基施工4整平至 45 m5搅拌桩施工6隧道上方整平至 15 m7桩基盖板施工8其他位置整平至 15 m9回填碾压至 25 m计算参数和计算模型不变，调整计算工况后重新计算，各工况计算结果如图 12图 20 所示。图 12比选方案一工况 1 地铁结构变形云图图 13比选方案一工况 2 地铁结构变形云图图 14比选方案一工况 3 地铁结构变形云图图 15比选方案一工况 4 地铁结构变形云图图 16比选方案一工况 5 地铁结构变形云图图 17比选方案一工况 6 地铁结构变形云图图 18比选方案一工况 7 地铁结构变形云图图 19比选方案一工况 8 地铁结构变形云图图 20比选方案一工况 9 地铁结构变形云图从以上几图可以看出，比选方案一中地铁结构的变形过程为:隆起沉降沉降隆起隆起隆起沉降隆起沉降。因大面积整平前预降水引起的地基土沉降，有效消除了大面积整平导致的地基土隆起，减小了地铁结构的变形。本方案中各工况地铁累计竖向变形为:隆起 571 mm隆起 367 mm隆起 331 mm隆 起 435 mm隆 起 436 mm隆 起678 mm隆 起619 mm隆 起640 mm隆 起484 mm。采用本方案后，单个降水井长度仅比初步方案多了 45 m，但对地铁变形的控制起到了明显的作用，地铁过程工况隆起量最大值为 678 mm，在地铁安保控制范围内，且有较大的安全储备。4.4比选方案二的有限元分析比选方案二的施工工序为:降水至 10 m整平至 60 m隧道两侧的桩基施工整平至 45 m施工搅拌桩隧道上方整平至 15