基坑開挖卸載對(duì)下部地鐵的作用分析

陳 震， 王希勇， 呂小軍， 錢德玲， 白瑞雪

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國(guó)中鐵四局集團(tuán)，安徽 合肥 230023）

我國(guó)大部分軌道交通深基坑采取的是地下連續(xù)墻或者排樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，明挖放坡開挖法作為一種非常經(jīng)濟(jì)快速的施工方法，在我國(guó)軌道交通深基坑施工中應(yīng)用較少，缺乏相關(guān)的技術(shù)資料。隨著越來越多地鐵的建成通車，很多基坑工程位于已運(yùn)行地鐵隧道之上或兩側(cè)，基坑開挖過程其實(shí)是土體的卸荷過程，變形特性具有獨(dú)特的規(guī)律［1］?；娱_挖土體卸荷必然引起周圍地層移動(dòng)，導(dǎo)致位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化，嚴(yán)重威脅地鐵安全，因此掌握基坑開挖過程中既有地鐵隧道變形特性及內(nèi)力分布是至關(guān)重要的［2－3］。由于基坑施工邊界的復(fù)雜性，很難通過解析的方法來求解基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響，數(shù)值方法則為這種問題的求解提供了有力的工具［4］。土與結(jié)構(gòu)共同作用的三維有限元模型［5－6］能體現(xiàn)基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)，可適用于施工動(dòng)態(tài)模擬，并在施工過程中可以作為信息反饋指導(dǎo)施工。

本文結(jié)合京滬高鐵南京南站站前工程，利用彈塑性有限元和實(shí)際監(jiān)測(cè)資料相結(jié)合的分析方法，構(gòu)建了基坑放坡開挖法施工的數(shù)值模型?；谠摂?shù)值模型，研究深基坑開挖對(duì)下臥地鐵的應(yīng)力應(yīng)變影響機(jī)制，并根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析了下臥地鐵位移發(fā)展的趨勢(shì)及原因。

1 工程概況

寧蕪貨線南京南站明挖段先行開工段位于雨花臺(tái)區(qū)農(nóng)花村，處于在建工程南京南站站房北廣場(chǎng)范圍，距站房北側(cè)約200m，擬建場(chǎng)地位于長(zhǎng)江高階地區(qū)，剝蝕后形成崗地與坳谷地貌，地勢(shì)略有起伏，坡度平緩，場(chǎng)地總體上呈西北高、東南低，地面標(biāo)高9.15～19.00m，基坑放坡開挖階段基坑深度在12.7～13.0m范圍之內(nèi)。

南京寧蕪貨線放坡開挖段在京滬高鐵南京南站北廣場(chǎng)正交上跨南京1、3號(hào)地鐵線，寧蕪貨線隧道結(jié)構(gòu)為地下一層結(jié)構(gòu)，3、1號(hào)地鐵線分別為地下二三層結(jié)構(gòu)，其中1號(hào)線南延線已建成通車，3號(hào)線已完成初步設(shè)計(jì)，正處于施工圖設(shè)計(jì)階段。隧道與地鐵3號(hào)線交點(diǎn)HCK21＋883.65處軌面標(biāo)高為0.118m。1號(hào)線結(jié)構(gòu)在與隧道相交點(diǎn)HCK21＋850和 HCK21＋900處軌面標(biāo)高為－14.761m，與本隧道結(jié)構(gòu)底凈高差僅7.5m。

考慮基坑主要位于硬塑黏土和全、弱風(fēng)化砂巖中，地質(zhì)條件較好，設(shè)計(jì)采用1∶1.5分臺(tái)階放坡開挖至隧道結(jié)構(gòu)底標(biāo)高。

2 工程數(shù)值分析的幾何建模

MIDAS／GTS的施工階段分析采用的是累加模型，即對(duì)本階段及上一個(gè)階段的施工的分析結(jié)果都進(jìn)行了累加，也就是說上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會(huì)影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。

本文通過三維有限元程序GTS進(jìn)行分析，莫爾－庫(kù)侖模型采用了彈塑性理論，以便能較好地描述土體的破壞行為。根據(jù)實(shí)際基坑開挖施工工況將其抽象為數(shù)值分析所采用的施工步，再將所有的土體與結(jié)構(gòu)物劃分網(wǎng)格單元后，利用MIDAS／GTS軟件提供的對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行“激活”與“鈍化”的處理功能來定義這些網(wǎng)格的起始施工步和終止施工步，在分析時(shí)，程序則從初始施工階段開始，按所定義的施工階段分步進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)施工全過程的模擬。

由于數(shù)值模擬方法和計(jì)算理論的限制，未能全部考慮基坑開挖卸荷的所有影響因素。針對(duì)主要的影響因素，在分析過程中對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行了假定與簡(jiǎn)化，并以此為基礎(chǔ)研究了開挖卸載對(duì)下臥隧道隆起的影響規(guī)律。針對(duì)大面積卸荷，為便于計(jì)算，分析中對(duì)模型作以下假定：① 同一土層中土是均勻的、連續(xù)的；② 土是各向同性的，即在各個(gè)方向具有相同的物理性質(zhì)。

在建模過程中既有隧道初噴混凝土采用板殼單元模擬，二次襯砌采用實(shí)體單元。該模型所采用的計(jì)算參數(shù)來自于京滬高鐵南京南站北廣場(chǎng)場(chǎng)區(qū)場(chǎng)地地質(zhì)鉆孔的資料，計(jì)算采用的土層參數(shù)見表1所列。

表1 計(jì)算采用的土層參數(shù)

根據(jù)概化后的地質(zhì)模型，將數(shù)值模型相應(yīng)地分成7層厚度不同的巖土體。模擬范圍如下：

x方向80m（基坑中心線向左右各擴(kuò)展40m），y方向64m，z方向55m（從地表向下擴(kuò)展55m）。

根據(jù)地質(zhì)模型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑開挖和支撐的施工工序，對(duì)模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，共?jì)19 231單元，三維計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型

由于地鐵1號(hào)線南延線開通運(yùn)營(yíng)時(shí)間不長(zhǎng)，因此計(jì)算過程考慮了其開挖引起的應(yīng)力變化。具體計(jì)算步驟如下：

（1）初始地應(yīng)力。

（2）地鐵1號(hào)線開挖；施工地鐵1號(hào)線隧道噴射混凝土；施工地鐵1號(hào)線二次襯砌，位移清零。

（3）開挖步驟1，土層為素填土。

（4）開挖步驟2，土層為硬塑粉質(zhì)黏土。

（5）開挖步驟3，土層為軟塑粉質(zhì)黏土。

（6）開挖步驟4，土層為粉質(zhì)黏土。

（7）開挖步驟5，土層為全風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖。

（8）開挖步驟6，土層為強(qiáng)風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖。

（9）開挖步驟7，土層為強(qiáng)風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖和弱風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖。

（10）開挖步驟8，土層為弱風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖。

（11）開挖至基坑底，土層為弱風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖。

（12）施工寧蕪貨線主體結(jié)構(gòu)。

（12）回填。

完成所有開挖步驟后做完主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 開挖后做完主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

3 三維數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

本工程地鐵隧道在開挖基坑的正下方，上部基坑的開挖對(duì)下部地鐵隧道帶來一定的卸載作用，故地鐵整體出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，圖3所示為基坑開挖后隧道豎向位移云圖。從基坑開挖步驟來看，隨著基坑的開挖，下部地鐵累計(jì)產(chǎn)生的位移量逐漸增大，當(dāng)基坑開挖到坑底時(shí)地鐵隧道達(dá)到最不利情況。

圖3 基坑開挖后隧道豎向位移云圖

通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)隨著基坑的不斷開挖，基坑邊坡發(fā)生一定程度的水平和豎向位移。基坑開挖卸載，坑底土層產(chǎn)生一定的回彈，下穿寧蕪貨線基坑的南京地鐵1號(hào)線隧道會(huì)產(chǎn)生一定水平和豎向位移。但是因?yàn)閷幨徹浘€基坑對(duì)下部地鐵1號(hào)線而言為對(duì)稱卸載，從而引起地鐵1號(hào)線隧道水平方向上的位移量相對(duì)較小，豎向方向的位移量相對(duì)較大。

圖4、圖5所示為基坑開挖前后隧道周圍土體應(yīng)變?cè)茍D。

圖4 基坑開挖前隧道附近土體垂直于yy方向應(yīng)變圖

圖5 基坑開挖后隧道附近土體垂直于yy方向應(yīng)變圖

當(dāng)隧道變形超過一定的值時(shí)，容易對(duì)其正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響。地鐵對(duì)隧道的變形要求極其嚴(yán)格，絕對(duì)最大位移不能超過20mm，隧道回彈變形不超過15mm，隧道變形曲率半徑必須大于15 000m，相對(duì)變形必須小于1／2 500［7］。如圖3所示，隧道隆起沿縱向呈不均勻性，在基坑中心線底部隧道的隆起出現(xiàn)極值，達(dá)到了14.87mm，并且隆起位移由基坑中點(diǎn)向兩邊逐漸減小，位移最小值僅為0.92mm，低于地鐵保護(hù)規(guī)范要求。

雖然地鐵隧道局部結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)土層的剛度較大，但是相當(dāng)長(zhǎng)的一段隧道的整體變形剛度較小，基本上隨周圍土體的位移變化而變化，在小變形位移條件下，地鐵1號(hào)線隧道變形與土體位移基本一致，因此可以用開挖后土體的位移變化來計(jì)算地鐵隧道的變形。對(duì)比圖4、圖5發(fā)現(xiàn)在基坑開挖后隧道周圍土體應(yīng)力減小，隧道上部應(yīng)變變化明顯，隧道發(fā)生一定程度的上抬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形基本以拉為主，拱部受拉明顯。

3.2 實(shí)際變形監(jiān)測(cè)值分析

根據(jù)工程的要求，對(duì)既有地鐵隧道進(jìn)行了拱頂隆起項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，以控制既有地鐵在上方基坑開挖過程中的變形，保證既有隧道的施工和結(jié)構(gòu)安全，在沿地鐵縱向上每10m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共監(jiān)測(cè)100m范圍內(nèi)的變形情況。在基坑的大開挖期間以及雨水天氣每天測(cè)2次，未開挖期間每天測(cè)1次，遇到特殊情況將適當(dāng)提高觀測(cè)頻率。

通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄分析，得到了不同開挖條件下的地鐵拱頂隆起量變化曲線，圖6所示為基坑中心線正下方地鐵拱頂隆起實(shí)測(cè)值。由圖6可以看出，既有地鐵拱頂上隆的速度在初期很快，最快達(dá)到1.5mm／d，在中間階段是平緩的過渡，之后出現(xiàn)小幅緩慢隆升之后趨向平穩(wěn)。歷時(shí)曲線真實(shí)反映了在3個(gè)時(shí)期的開挖方式。在施工初期，由于基坑相對(duì)較深，未對(duì)基坑進(jìn)行加固處理，而且在開始出土?xí)r，開挖速度相對(duì)較快，在短時(shí)間內(nèi)完成了出土量的2／5，基坑開挖深度達(dá)到7～8m之多，這是造成早期隧道拱頂上隆快速變化的重要原因。另外一個(gè)重要的影響因素是降水的停止。由于基坑開挖的影響，在隧道兩側(cè)降水井作業(yè)沒有及時(shí)完成，導(dǎo)致既有地鐵外的地下水位回升，也導(dǎo)致了地鐵上隆變形。初期的快速卸載導(dǎo)致了下臥地鐵隧道的快速隆起，而在中期考慮到上隆位移較大，變化速度較快，而且碰到雨水天氣，降低了開挖速度，并采取了一些地基加固措施。因此隨著時(shí)間的推移，隆起位移發(fā)展速度明顯降低，在停止出土期間，歷時(shí)曲線出現(xiàn)了平緩的一段。在最后開挖階段改變了出土方式，按照分層的開挖方式，控制出土速度，這樣，雖然隆起位移出現(xiàn)了一定程度的上升，但與初期相比緩和了很多，隧道的上隆速率在1mm／d之內(nèi)。歷時(shí)曲線直接反映了不同開挖條件下臥地鐵縱向變形情況。整個(gè)基坑開挖施工時(shí)間35d左右，由于采取了合理的開挖方式和一系列加固措施，坑底隆起變形基本穩(wěn)定，同時(shí)也保證了下臥地鐵的安全運(yùn)行，由此可見基坑開挖卸荷的速度和方式是直接影響既有地鐵變形的關(guān)鍵因素之一。

圖6 測(cè)點(diǎn)310m處地鐵拱頂隆起實(shí)測(cè)值

3.3 實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值的對(duì)比

在基坑開挖過程中，放坡開挖這種方法卸荷面積大，卸荷量也大，不利于下部隧道的安全，是該工程的一個(gè)施工難點(diǎn)。將監(jiān)測(cè)位移的最終拱頂隆起值與數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 地鐵拱頂隆起實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

由圖7可見，數(shù)值模擬得到的基坑開挖施工所引起的地鐵隧道隆起值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較大。原因主要在于本次數(shù)值模擬過程沒有考慮到實(shí)際工程的一些加固措施。在實(shí)際工程中，采用了許多地基加固措施，比如通過降水使地基土固結(jié)，同時(shí)采取了分層分步開挖、摻入早強(qiáng)劑和壓板等一系列措施來控制地鐵隧道的位移，這些措施對(duì)于控制地鐵隧道的變形都起到了積極的作用，故數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較大。另外，地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是地層結(jié)構(gòu)多變使得地層參數(shù)的選擇出現(xiàn)一定的偏差也可能引起與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差，因此數(shù)值模擬的結(jié)果在一定程度上具有隨機(jī)性，不能精確地反應(yīng)隧道變形值，在實(shí)際工程中，一定要注重現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)工程施工。

4 結(jié) 論

（1）在充分考慮基坑開挖步驟、隧道初始應(yīng)力場(chǎng)與地層力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用GTS對(duì)明挖地鐵基坑的施工過程進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有一定差距，不能精確反應(yīng)地鐵隧道變形值，在實(shí)際工程中一定要注重現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)后續(xù)的工程施工。

（2）地鐵隧道穿越基坑下部中點(diǎn)處即測(cè)點(diǎn)310m處的隆起位移最大，并且隆起位移由基坑中點(diǎn)向兩邊逐漸減小，隆起影響范圍在100～120m之間，該特點(diǎn)與實(shí)測(cè)值分析結(jié)果大致符合。

（3）在放坡開挖地鐵基坑監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ)上，將監(jiān)測(cè)位移穩(wěn)定值與預(yù)測(cè)位移值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明監(jiān)測(cè)與模擬的變化趨勢(shì)符合，但是實(shí)測(cè)值明顯小于模擬值。文中對(duì)模擬誤差來源進(jìn)行了分析。

（4）在類似工程施工中應(yīng)該對(duì)土體的位移、應(yīng)力、水壓力、相鄰建筑物、隧道沉降等進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整，以確保工程質(zhì)量和周邊環(huán)境安全［8］。

（5）如何在計(jì)算中考慮基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)、土的降水固結(jié)等因素，值得進(jìn)一步研究。

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