既有地鐵隧道上方基坑開(kāi)挖特性研究

曹 前

(長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

1 概述

隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和日益惡化的交通狀況，地鐵建設(shè)成為各個(gè)大城市交通治堵的良策[1-3]。因?yàn)榈罔F線(xiàn)路常穿過(guò)城市中心地帶，土地利用價(jià)值高。所以不可避免會(huì)遇到城市的地下空間開(kāi)發(fā)選擇在既有地鐵車(chē)站旁或既有地鐵隧道上方。這種基坑的開(kāi)挖卸載會(huì)使周邊土體發(fā)生內(nèi)力重分布，造成旁邊的地鐵車(chē)站或下方的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變形和應(yīng)力，從而影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)和安全，需引起高度關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)已建地鐵隧道上方進(jìn)行基坑開(kāi)挖的工程案例進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)多倫多某已建地鐵隧道上方的基坑開(kāi)挖案例進(jìn)行了研究分析，并提出了基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道的保護(hù)措施。劉國(guó)斌等[5]結(jié)合上海廣場(chǎng)基坑工程案例，探討了利用坑內(nèi)加固以及基坑時(shí)空效應(yīng)等措施來(lái)控制坑底之下隧道位移的有效性。吉茂杰等[6]通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了坑底隧道位移的預(yù)測(cè)方法。楊國(guó)祥等[7]結(jié)合上海東西通道工程3次上穿運(yùn)營(yíng)中地鐵2 號(hào)線(xiàn)基坑施工， 在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上研究了既有地鐵隧道上方基坑施工的新技術(shù)。魏鋼[8]對(duì)杭州地鐵1號(hào)線(xiàn)區(qū)間上方某通道基坑開(kāi)挖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。陳郁等[9]，李志高等[10]，王如路等[11]也根據(jù)基坑下臥隧道的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果提出了相應(yīng)的工程措施。然而，目前已有的研究多是根據(jù)工程案例的監(jiān)測(cè)結(jié)果提出定性的分析，缺少對(duì)整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值模擬分析。

結(jié)合長(zhǎng)沙軌道1號(hào)線(xiàn)隧道上方的某地下空間開(kāi)發(fā)工程案例，通過(guò)Plaxis 3D有限元軟件對(duì)基坑開(kāi)挖引起下方隧道結(jié)構(gòu)變形以及管片內(nèi)力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。研究每一開(kāi)挖工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形以及管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并據(jù)此提出了合理的分倉(cāng)開(kāi)挖寬度等施工措施，得到了一些有益的結(jié)論，對(duì)類(lèi)似工程具有借鑒意義。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 工程概況

本項(xiàng)目為長(zhǎng)沙軌道1號(hào)線(xiàn)侯家塘站與田漢大劇院對(duì)接地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)工程項(xiàng)目。項(xiàng)目用地位于侯家塘商圈，西側(cè)為1號(hào)線(xiàn)侯家塘站，車(chē)站和本項(xiàng)目距離約5 m，北側(cè)為田漢大劇院，南側(cè)為凱華大廈。項(xiàng)目地理位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目地理位置示意

本地下空間開(kāi)發(fā)項(xiàng)目位于勞動(dòng)西路正下方，無(wú)上部結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目為地下二層結(jié)構(gòu)，地下負(fù)二層層高4.5 m，負(fù)一層層高為4.5 m，局部層高3.6 m?；?xùn)|西方向長(zhǎng)度約為90 m，南北方向?qū)挾燃s為35 m，深度為10.1 m。1號(hào)線(xiàn)區(qū)間隧道下穿本地下空間開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，地下空間結(jié)構(gòu)底板與1號(hào)線(xiàn)隧道頂板的凈距離為6.3 m，考慮到底板以下0.2 m的墊層厚度及一定的施工誤差，則基坑底部與隧道頂凈距離為6 m。本基坑開(kāi)挖時(shí)，區(qū)間隧道土建工程已經(jīng)完成，正在計(jì)劃鋪軌及后續(xù)工作。地下空間結(jié)構(gòu)與軌道1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道橫斷面關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 地下空間結(jié)構(gòu)與軌道1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道橫斷面關(guān)系(單位：mm)

本項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)的地層主要有人工填土層、第四系更新統(tǒng)河流相沖積層粉質(zhì)黏土、粗砂、圓礫、卵石及殘積成因的粉質(zhì)黏土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)的泥質(zhì)粉砂巖。本項(xiàng)目基坑坑底位于卵石層。場(chǎng)地內(nèi)粗砂、圓礫、卵石屬?gòu)?qiáng)透水性地層，人工填土屬弱～中等透水性地層，除此之外其他各地層均為弱透水性地層。本站地下水位埋深約1.5 m，坑底賦存承壓水。

根據(jù)勘察成果，場(chǎng)地巖土設(shè)計(jì)參數(shù)建議采用表1中數(shù)值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件提出了以下基坑設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)在南、北和東三面采用800 mm厚地下連續(xù)墻，連續(xù)墻各幅之間采用工字鋼接頭，止水效果好，西側(cè)圍護(hù)墻采用鉆孔樁方案；基坑的支撐采用支錨設(shè)計(jì)，即預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)和角部采用φ800 mm鋼管支撐；同時(shí)為了滿(mǎn)足基坑的抗突涌穩(wěn)定要求，基坑四周的止水帷幕均應(yīng)穿透強(qiáng)透水層(圓礫、卵石)，并進(jìn)入全風(fēng)化巖層不小于1 m。具體的基坑止水帷幕布置如下：基坑南北側(cè)800 mm厚的地連墻直接落底至巖層不小于1 m，而與隧道相交的東西側(cè)圍護(hù)墻不能直接落底止水，西側(cè)靠近侯家塘車(chē)站的鉆孔樁深度為坑底以下4 m，但是其止水是通過(guò)南北側(cè)連續(xù)墻延伸至侯家塘車(chē)站東側(cè)的連續(xù)墻，具體見(jiàn)圖4；而東側(cè)是通過(guò)懸掛式連續(xù)墻+隧道范圍內(nèi)局部?jī)鼋Y(jié)法形成落底的止水帷幕：在隧道兩側(cè)1.5 m范圍內(nèi)連續(xù)墻底在坑底以下4 m，即隧道頂部2 m處，而在其余范圍內(nèi)的連續(xù)墻嵌入巖層不小于1 m，隧道兩側(cè)橫向1.5 m、深度從隧道頂以上2 m至弱透水的黏土層以下1 m的范圍內(nèi)，采用凍結(jié)止水方案。具體見(jiàn)圖5。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

圖3 基坑設(shè)計(jì)方案平面

圖4 基坑西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置(單位：mm)

圖5 基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置(單位：mm)

綜上，基坑四周形成了封閉的落底止水帷幕，止水措施安全可靠性高，同時(shí)也確保了基坑的抗突涌穩(wěn)定安全。

本項(xiàng)目基坑工程最主要的難點(diǎn)為基坑底與隧道頂凈距離僅6 m，在基坑設(shè)計(jì)施工中需采取措施在保證基坑安全的前提下，盡量減小隧道的隆起。

在確?；拥陌踩郧疤嵯?，基坑開(kāi)挖引起的坑底以下隧道隆起量主要取決于基坑開(kāi)挖深度、基坑開(kāi)挖暴露的隧道長(zhǎng)度、基坑底與隧道的凈距離和地質(zhì)條件等因素，對(duì)于本工程而言，基坑開(kāi)挖深度、坑底與隧道的凈距離和地質(zhì)條件相對(duì)確定，但是基坑開(kāi)挖暴露的隧道長(zhǎng)度可以通過(guò)分倉(cāng)開(kāi)挖來(lái)調(diào)整。理論上分倉(cāng)寬度越小，開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響也越小，但是分倉(cāng)過(guò)多會(huì)影響工程的施工工期。本文后續(xù)根據(jù)數(shù)值計(jì)算來(lái)確定合理的分倉(cāng)寬度。

2.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50911—2013)和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)并參考其他城市對(duì)于軌道交通規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)等方面的規(guī)定，對(duì)于已鋪軌地鐵隧道，城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)。

(1)隧道結(jié)構(gòu)豎向變形累計(jì)值小于10 mm。

(2)隧道結(jié)構(gòu)變形曲率半徑大于15 000 m。

(3)結(jié)構(gòu)裂縫寬度預(yù)警值：迎水面<0.1 mm，背水面<0.15 mm；結(jié)構(gòu)裂縫寬度控制值：迎水面<0.2 mm，背水面<0.3 mm。

2.3 有限元建模

本次數(shù)值分析采用荷蘭大型通用巖土有限元計(jì)算軟件Plaxis 3D，土體采用硬化彈塑性模型(Hardening Soil模型)[12-15]。田漢大劇院地下空間開(kāi)發(fā)項(xiàng)目基坑的鉆孔樁和地連墻，采用板單元進(jìn)行模擬，鋼管支撐采用梁?jiǎn)卧M，錨索采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨索單元模擬；在錨索與土體、隧道襯砌與土體之間設(shè)置Goodman接觸面單元并選取合理的虛擬厚度因子及強(qiáng)度折減因子來(lái)模擬錨索、盾構(gòu)襯砌與土體之間的相互作用。田漢大劇院地下空間的結(jié)構(gòu)采用板單元和梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。

地鐵盾構(gòu)隧道外徑6 m，襯砌厚度0.3 m，施工考慮地層損失率根據(jù)當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)取為0.5%?；娱L(zhǎng)約92 m，寬約36 m，開(kāi)挖深度10.1 m，坑底與隧道頂距離6 m。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

首先假定基坑開(kāi)挖不分倉(cāng)，此時(shí)基坑以及盾構(gòu)區(qū)間的位移云圖如圖6所示，坑底的最大隆起量為44.1 mm。對(duì)應(yīng)的區(qū)間隧道最大附加隆起量為15.1 mm。不滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

圖6 不分倉(cāng)開(kāi)挖方案下基坑以及盾構(gòu)區(qū)間位移云圖

然后假定基坑開(kāi)挖分倉(cāng)寬度為16～20 m，基坑分倉(cāng)開(kāi)挖方案如圖7所示。通過(guò)有限元分析來(lái)驗(yàn)證假定的分倉(cāng)寬度是否合理。

圖7 分倉(cāng)開(kāi)挖方案(單位：m)

(1)第一步開(kāi)挖

基坑圍護(hù)墻施工后，懸臂開(kāi)挖至第一道錨索高程(地表以下1.8 m)，基坑以及盾構(gòu)區(qū)間的位移云圖如圖8所示，最大值為4.07 mm，發(fā)生在基坑底。此時(shí)隧道豎向附加位移最大值1.37 mm，發(fā)生在基坑開(kāi)挖暴露隧道段的中點(diǎn)處，由于兩側(cè)連續(xù)墻和凍結(jié)體對(duì)隧道有一定的約束作用，導(dǎo)致連續(xù)墻兩端以外的隧道出現(xiàn)微小的上翹幅度。

圖8 第一步開(kāi)挖后基坑及盾構(gòu)區(qū)間位移云圖

(2)第二步開(kāi)挖

施工第一道支錨結(jié)構(gòu)后，開(kāi)挖至第二道錨索高程(地表以下4.8 m)，基坑及盾構(gòu)區(qū)間的位移云圖如圖9所示，最大值為11.48 mm，發(fā)生在基坑底。其中，隧道豎向附加位移最大值4.14 mm，同樣發(fā)生在基坑開(kāi)挖暴露隧道段的中點(diǎn)處，由于該階段開(kāi)挖深度為4.8 m，且坑底到隧道的距離也相比上一步更小，因此隧道產(chǎn)生的附加豎向變形相對(duì)上一步更大。

圖9 第二步開(kāi)挖后基坑及盾構(gòu)區(qū)間位移云圖

(3)第三步開(kāi)挖

施工第二道支錨結(jié)構(gòu)后，開(kāi)挖至第三道錨索高程(地表以下7.8 m)，基坑的位移云圖如圖10所示，最大值為12.81 mm，發(fā)生在基坑底。由于分倉(cāng)保留了坑底以上5 m(即地表以下5.1 m)土體，留土對(duì)于基坑起到一個(gè)坑底反壓的作用，因此坑底隆起的最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖深度最大的兩個(gè)區(qū)段。

圖10 第三步開(kāi)挖后基坑及盾構(gòu)區(qū)間位移云圖

此階段，隧道豎向附加位移最大值5.52 mm，由于該階段開(kāi)挖深度為7.8 m，且坑底到隧道的距離也相比上一步更小，因此隧道產(chǎn)生的附加豎向變形相對(duì)上一步更大，但是隧道隆起的位移形態(tài)不再是前兩個(gè)開(kāi)挖步的中間大兩端小的形態(tài)，而是在基坑?xùn)|西向中點(diǎn)處由于留土呈現(xiàn)出一個(gè)相對(duì)兩側(cè)開(kāi)挖倉(cāng)更小的波谷，隧道整體呈現(xiàn)出雙駝峰形態(tài)。

(4)第四步開(kāi)挖

施工第三道支錨結(jié)構(gòu)后，開(kāi)挖至坑底高程(地表以下10.1 m)，基坑及盾構(gòu)區(qū)間的位移云圖如圖11所示，最大值為13.79 mm，發(fā)生在基坑底。由于分倉(cāng)保留了坑底以上5 m(即地表以下5.1 m)土體，留土對(duì)于基坑起到一個(gè)坑底反壓的作用，因此坑底隆起的最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖深度最大的兩個(gè)區(qū)段。

圖11 第四步開(kāi)挖后基坑及盾構(gòu)區(qū)間位移云圖

此時(shí)，隧道豎向附加位移最大值為7.14 mm，由于該階段開(kāi)挖至基坑底，開(kāi)挖深度為10.1 m，且坑底到隧道的距離是所有工況中最小的，因此隧道產(chǎn)生的附加豎向變形是整個(gè)施工過(guò)程中的控制性工況，同樣的，在基坑?xùn)|西向中點(diǎn)處由于留土呈現(xiàn)出一個(gè)相對(duì)兩側(cè)開(kāi)挖倉(cāng)更小的波谷，盾構(gòu)隧道整體呈現(xiàn)出雙駝峰形態(tài)。

(5)地下結(jié)構(gòu)回筑階段

分倉(cāng)開(kāi)挖至坑底后，即回筑結(jié)構(gòu)反壓，然后再分階段開(kāi)挖留土的3個(gè)區(qū)段，逐步回筑結(jié)構(gòu)直至覆土回填。該階段是繼開(kāi)挖至坑底最不利工況后，地下結(jié)構(gòu)和覆土回填反壓，從而導(dǎo)致地鐵區(qū)間隧道向上隆起量減少的過(guò)程，該階段是一個(gè)長(zhǎng)期的、對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力有利的過(guò)程。

回筑結(jié)構(gòu)后，基坑及盾構(gòu)區(qū)間位移云圖如圖12所示，最大值為11.47 mm，發(fā)生在基坑南北向長(zhǎng)邊的圍護(hù)墻后，由于結(jié)構(gòu)和覆土對(duì)坑底反壓的作用，因此坑底隆起的最大值有所降低。

圖12 地下結(jié)構(gòu)回筑后基坑及盾構(gòu)區(qū)間位移云圖

隧道豎向附加位移最大值為5.45 mm，由于該階段結(jié)構(gòu)和覆土的反壓，因此隧道產(chǎn)生的附加豎向變形相比上階段有所降低，最大隆起值降低了23.7%。

田漢大劇院地下空間在基坑開(kāi)挖至結(jié)構(gòu)回筑全過(guò)程中，盾構(gòu)隧道的變形如圖13所示。全過(guò)程中，基坑開(kāi)挖引起的地鐵區(qū)間隧道的最大附加隆起量7.14 mm，對(duì)應(yīng)于最小的變形曲率半徑為32 200 m，均滿(mǎn)足2.2節(jié)中的變形控制要求。同時(shí)，為了地鐵隧道的長(zhǎng)期安全，尤其是田漢大劇院地下空間開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的地下結(jié)構(gòu)回筑完成后，隧道的附加變形最大值會(huì)減小至5.45 mm，變形曲率半徑為41 500 m。

圖13 田漢大劇院地下空間施工過(guò)程中隧道的變形

另外，根據(jù)表2中管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算來(lái)看，盾構(gòu)隧道管片的實(shí)際配筋在田漢大劇院地下空間開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)回筑過(guò)程中均滿(mǎn)足規(guī)范要求，不需要采取額外措施。

表2 正常使用極限狀態(tài)下管片裂縫驗(yàn)算

從上述的有限元分析中可以知道，前面假定的基坑分倉(cāng)開(kāi)挖寬度引起的盾構(gòu)區(qū)間變形以及管片裂縫均滿(mǎn)足規(guī)范的相關(guān)要求，可以保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中下臥盾構(gòu)區(qū)間隧道的安全。

4 結(jié)論

本文對(duì)長(zhǎng)沙市田漢大劇院地下空間項(xiàng)目基坑工程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了田漢大劇院地下空間項(xiàng)目基坑的圍護(hù)設(shè)計(jì)方案及其對(duì)下臥軌道交通1號(hào)線(xiàn)地鐵區(qū)間隧道的影響，并給出了相應(yīng)的施工措施建議。結(jié)論如下。

(1)開(kāi)挖范圍內(nèi)存在強(qiáng)透水層的基坑，基坑四面止水帷幕均需穿透強(qiáng)透水層。對(duì)于位于既有隧道上方的基坑，兩端止水帷幕無(wú)法連續(xù)落底，本基坑一端利用旁邊車(chē)站的止水帷幕，另一端采用懸掛式連續(xù)墻+凍結(jié)法止水帷幕，如此形成封閉的止水帷幕，確保了基坑的安全。

(2)對(duì)于位于既有隧道上方的基坑，減小基坑一次性開(kāi)挖暴露的隧道長(zhǎng)度對(duì)減小下臥隧道的隆起量至關(guān)重要。施工前需根據(jù)基坑開(kāi)挖深度、基坑底與隧道的凈距離和地質(zhì)條件等因素確定合理的分倉(cāng)寬度。

(3)基坑下臥地鐵隧道的隆起變形最大值出現(xiàn)在基坑分倉(cāng)開(kāi)挖至坑底時(shí)，此時(shí)由于基坑留土隧道位移整體呈現(xiàn)出雙駝峰形態(tài)。此后的回筑階段，地鐵區(qū)間隧道隆起量逐漸減小，該階段是一個(gè)長(zhǎng)期的、對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力有利的過(guò)程。

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