基坑開挖及降水對既有地鐵隧道的影響分析

王 丙 乾

(上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司天津分公司，天津 300011)

基坑開挖及降水對既有地鐵隧道的影響分析

王 丙 乾

(上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司天津分公司，天津 300011)

以一個實際工程為例，研究了既有地鐵隧道上方開挖基坑對隧道的影響，并從基坑開挖卸載及降水兩方面進行了分析，對卸載產(chǎn)生的回彈和降水產(chǎn)生的沉降均采用傳統(tǒng)的分層總和法進行了計算，同時利用有限元法進行了校核，與實測結(jié)果比較吻合。

基坑開挖，地鐵隧道，影響

城市中地鐵的建設(shè)越來越密集，從而在房地產(chǎn)開發(fā)過程中，不可避免的會對其產(chǎn)生影響。特別是特大城市地下空間已存在較多的地鐵線路，地上可用于開發(fā)的地塊越來越少。為了充分利用地上空間，不得不在有軌地鐵上方進行房產(chǎn)開發(fā)。因此，既有地鐵上方施工對地鐵產(chǎn)生的影響越來越受到人們的關(guān)注，為保證地鐵運營的安全，必須在房產(chǎn)開發(fā)前進行多方面的評估，而評估的一個重要手段就是借用以往的工程經(jīng)驗。本文則以深圳地鐵2號線區(qū)間上建伍茲公寓為例，分析基坑開挖及降水對地鐵2號線隧道的影響，以為后續(xù)工程提供一些經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

伍茲公寓位于深圳市南山區(qū)蛇口海上世界附近，南鄰蛇口客運港，北鄰擬建招商局廣場，西鄰碧濤苑小區(qū)。公寓占地面積11 319.49 m2，總建筑面積45 818.00 m2，建筑高度108.4 m，地面31層，地下2層，塔樓主體為框筒結(jié)構(gòu)。擬建場地原始地貌為海漫灘，經(jīng)人工堆填后形成現(xiàn)狀場地。深圳地鐵2號線蛇口客運港—海上世界區(qū)間在擬建場地下方斜穿而過。公寓基坑開挖深度約為6 m，西南部與隧道相交，地鐵隧道頂埋深約12.0 m，伍茲公寓基坑底至隧道頂埋深約5.0 m～6.0 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告[1]場地內(nèi)主要地層自上而下分布有：人工填土層(Qml)、第四系海沖積土層(Qm+al)、第四系殘積土層(Qel)、花崗巖基巖等。

其中第四系海沖積土層細分為四個亞層：②1淤泥、②2中粗砂、②3砂質(zhì)粘土、②4有機質(zhì)砂質(zhì)粘土。

各土層土工參數(shù)如表1所示。

場地內(nèi)地下水埋深1.5 m～2.2 m，平均2.0 m，主要含水層為填砂層、海沖積砂層及下部強～中風化層基巖。填砂層受大氣降水和側(cè)向徑流補給，海沖積砂層、下部基巖孔隙水與海水具有一定水力聯(lián)系。

表1 各土層參數(shù)統(tǒng)計表

1.3 基坑圍護結(jié)構(gòu)形式

基坑支護[2]采用封閉帷幕截水，復合土釘墻支護方案。截水帷幕，采用雙排疊合水泥深層攪拌樁，攪拌樁直徑為550 mm，樁間距為400 mm，前后排間距400 mm，截水深度在基坑深度之下入砂層和淤泥質(zhì)砂土之下的粘土層不少于2.0 m。

基坑支護采用復合土釘墻，在砂層設(shè)置的土釘采用打入鋼管注漿式錨桿，重要部位設(shè)置預應(yīng)力錨桿。基坑土方分層開挖，分層厚度1.2 m～1.5 m，開挖一層施作一層土釘。與地鐵隧道相交段，采用垂直布置的水泥攪拌樁重力式支護結(jié)構(gòu)。

支護平面圖見圖1，支護設(shè)計剖面見圖2。

以下所做的分析是以剖面1—1和剖面2—2展開。

2 基坑開挖對地鐵隧道的影響

基坑開挖卸載對下方地鐵隧道的影響主要是地基的回彈，地基回彈的計算方法采用分層總和法，假設(shè)巖土體為各項同性均質(zhì)體。地基內(nèi)因卸載產(chǎn)生的附加應(yīng)力采用布辛內(nèi)斯克解(Boussinesq)。計算層厚度取至花崗巖強風化層頂面標高。根據(jù)在廣東省應(yīng)用較多的現(xiàn)場壓板試驗結(jié)果統(tǒng)計分析了殘積土變形模量的計算公式(單位為MPa)：

E0=2.77KεN′

(1)

其中,Kε一般取0.7～0.9；N′為未修正的標貫擊數(shù)，回彈模量根據(jù)經(jīng)驗取3倍的變形模量。

計算模型和各計算點位置如圖3計算幾何模型圖所示。

通過計算，基坑底部回彈量位移云圖如圖4所示，計算基坑底部的最大回彈量為12.76 mm。盾構(gòu)隧道底標高處回彈位移云圖如圖5所示，位移曲線如圖6，圖7所示，計算最大回彈量為3.79 mm。

通過計算可知，左線隧道底部處巖土體最大回彈位移為3.33 mm；右線隧道底部處巖土體最大回彈位移為3.79 mm。根據(jù)上述結(jié)果預計隧道底部的回彈變形量小于4.00 mm。

3 基坑降水對地鐵隧道的影響

3.1 計算方法

基坑降水是引起周圍環(huán)境變形的主導因素，它會改變地下水的滲流運動，形成一個以基坑為底面的水位下降漏斗面，在天然水面和降水面之間，排水引起土體的孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增加，從而造成土體壓縮，產(chǎn)生沉降s1；同時，降水面以下，土層有效應(yīng)力也會因水位下降而增加，產(chǎn)生沉降s2。因此，基坑周邊沉降將由兩部分構(gòu)成，即：

s=s1+s2

(2)

對于降水疏干層(降水曲線與天然水面之間土層)產(chǎn)生沉降s1為：

(3)

降水面以下土層產(chǎn)生沉降s2為：

(4)

基坑降水引起周圍地面沉降計算公式為：

(5)

其中，hi為天然水面下第i層土厚度；ΔH為天然水面與降水面的高差。

3.2 水位降深計算

水位降深的計算采用最不利工況，即止水帷幕失效時的情況下形成的坡降漏斗。坡降線的計算方法采用基坑設(shè)計規(guī)范中的大井法[3]，計算簡圖如圖8所示。

計算步驟如下：

求出距井中心r處水頭方程：

(6)

其中，rw為抽水井的半徑，m，當簡化為大井時，為等效半徑。

其中，hw為抽水井內(nèi)水位(從不透水層頂板算起)，m；H0為潛水含水層厚度，m；F為抽水井分布區(qū)域面積，m2；L，b分別為矩形的長邊和短邊尺寸，m；η為由b/L查表得；R為降水影響半徑，m，對于潛水含水層采用經(jīng)驗公式(7)計算：

(7)

其中，sw為抽水井井底水位降深，m；k為含水層的滲透系數(shù)，m/d。

由式(6)求得水頭h，即可以得到降水曲線。

選取具有代表性的2—2剖面為例，計算結(jié)果如圖9所示。

3.3 沉降計算結(jié)果

由水位降深ΔH引起附加應(yīng)力Δσ′在地鐵隧道下壓縮層產(chǎn)生的附加沉降采用分層總和法進行計算，得地表及隧道底部土體的沉降曲線，如圖10所示。

計算結(jié)果：考慮截水帷幕失效情況下，右線隧道底部最大沉降-3.14 mm，左線隧道底部最大沉降為-4.56 mm。

4 基坑開挖有限元分析

采用巖土專業(yè)有限元軟件對基坑開挖、支護過程、滲流進行了二維有限元仿真模擬。計算過程考慮隧道與巖土體共同作用，并計算分析基坑施工過程對臨近地鐵隧道的影響。鋼筋混凝土構(gòu)件等結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型，巖土類材料本構(gòu)模型采用彈性—完全塑性模型，屈服準則采用摩爾—庫侖屈服準則，卸荷時其彈性模量取3倍變形模量。

分析模型如圖11所示。模型邊界與基坑、地鐵距離不小于3H(H為基坑深度)，模型底部為中風化巖面。模型中土體及攪拌樁采用平面應(yīng)變單元，隧道盾構(gòu)襯砌采用二維梁單元，土釘采用植入式框架單元(僅為拉壓單元)。各垂直邊邊界條件為水平鉸支約束，模型底面為豎向位移約束。在模型左端設(shè)置常水頭邊界條件，基坑開挖后在基坑底部增設(shè)常水頭邊界條件，攪拌樁截水帷幕設(shè)置不透水邊界條件。

計算過程工況：施加應(yīng)力初始條件→施加初始水頭邊界條件→隧道開挖→基坑開挖完成并考慮滲流影響。1—1剖面計算結(jié)果如圖12所示，2—2剖面計算結(jié)果如圖13所示。

由以上分析結(jié)果可知基坑開挖后各處的位移變化為：1—1剖面地鐵隧道底部豎向位移為：左線1.01 mm，右線1.20 mm，最大

變形發(fā)生在隧道左線頂部3.32 mm；2—2剖面地鐵隧道底部豎向位移為：左線0.34 mm，右線2.38 mm,最大變形發(fā)生在隧道右線側(cè)面3.14 mm。

5 結(jié)果分析

綜上分析，并結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，本工程案例中隧道受基坑開挖及降水的影響可總結(jié)如下：

1)地鐵隧道位于基坑開挖范圍內(nèi)的變形：采用布辛內(nèi)斯克解(Boussinesq)進行分層總和法分析的隧道底部回彈量最大為3.79 mm，發(fā)生在距離基坑開挖邊線較近的右線；有限元法分析的隧道頂部回彈量最大為3.32 mm，底部回彈量為1.20 mm；實測數(shù)據(jù)隧道底部回彈量最大為2.81 mm，在右線上。

2)隧道位于靠近基坑外側(cè)的變形：在考慮止水帷幕失效情況下，采用分層總和法的分析結(jié)果為下沉，距離基坑較遠的左線底部沉降量為-4.56 mm，右線沉降量為-3.14 mm；有限元法分析的隧道底部變形均為回彈，左線回彈量為0.34 mm，右線回彈量為2.38 mm；實測隧道底部變形為，左線下沉-0.77 mm，右線回彈1.59 mm，與有限元分析法比較接近。結(jié)果可間接說明止水帷幕起到了較好的止水效果。

6 結(jié)語

根據(jù)上述工程實例的分析，可得到如下結(jié)論：

1)地鐵隧道位于基坑開挖范圍內(nèi)的變形以回彈為主。地基回彈的分析方法既可采用基于布辛內(nèi)斯克解(Boussinesq)的分層總和法，也可采用有限元法，兩種方法分析的結(jié)果比實測值稍大，但可作為保守分析。

2)地鐵隧道位于基坑外側(cè)不遠的情況下，靠近基坑邊線的隧道仍主要受地基回彈影響，表現(xiàn)為隆起；遠離基坑的隧道受到降水和地基回彈兩種相互制約作用，變形較小。在止水帷幕有效的情況下考慮滲流的有限元模擬與實測結(jié)果更為接近，分層總和法可作為考慮止水帷幕失效情況時的保守分析方法。

[1] 招商地產(chǎn).深圳蛇口海上世界招商局廣場及伍茲公寓巖土工程勘察報告[R].深圳：深圳市大升高科技工程有限公司，2008.

[2] 招商地產(chǎn).深圳市招商伍茲公寓基坑支護工程圖紙[Z].深圳：中國鐵道科學研究院深圳研究設(shè)計院，2009.

[3] JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

The influence of foundation pit excavation and dewatering on the existing metro tunnel

Wang Bingqian

(ShanghaiGeotechnicalInvestigations&DesignInstituteCo.,Ltd,TianjinBranch,Tianjin300011,China)

Taking a practical project as an example, the influence of foundation pit excavation and dewatering on the existing metro tunnel is studied. It was analyzed from the two aspects of unloading and dewatering, the rebound produced by unloading and the settlement produced by dewatering were calculated using the traditional layerwise summation method, and checked by the finite element method, it is coincide with the experimental results.

foundation pit excavation, metro tunnel, influence

2015-02-02

王丙乾(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)11-0061-03

TU463

A