雙側(cè)基坑開挖對中間地鐵隧道的影響研究

顧 翀

(浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310000)

由于地鐵交通的便利性，地鐵隧道旁已經(jīng)成為各種住宅和商業(yè)建筑的黃金地段，這不可避免會在隧道周圍施工深基坑工程。緊鄰地鐵的深基坑工程不僅會改變基坑周圍土體的位移場和應(yīng)力場，甚至?xí)＜八淼篮椭苓吔ㄖ陌踩?/p>

針對緊鄰地鐵深基坑施工的問題，眾多學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。周建昆等[1]基于某深基坑工程，建立三維模型分析了深基坑開挖對臨近地鐵隧道變形的影響。研究表明現(xiàn)有基坑支護(hù)方案能保證現(xiàn)有隧道的安全。高廣運(yùn)等[2]通過對臨近地鐵隧道深基坑施工過程的監(jiān)測，提出一種新的加固工藝可以有效地阻隔基坑施工對臨近隧道的影響。況龍川[3]基于實(shí)測數(shù)據(jù)研究了深基坑開挖對緊鄰雙線隧道的影響。研究表明，基坑開挖會導(dǎo)致緊鄰基坑范圍的隧道產(chǎn)生顯著的水平變形，且隧道橫斷面呈“扁橢圓形”。張明遠(yuǎn)等[4]通過數(shù)值模擬方法，建立三維模型模擬了臨近隧道的基坑施工過程，對比不同施工方案對隧道變形的影響。褚峰等[5]基于小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型，利用有限元軟件研究了軟土地區(qū)超深基坑施工對臨近隧道的影響，數(shù)值結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。程斌等[6]通過有限元法研究了基坑施工與臨近地鐵隧道的相互影響。研究表明隧道緊鄰基坑一側(cè)有顯著水平變形，此側(cè)基坑支護(hù)需加強(qiáng)。但上述研究均為單側(cè)基坑施工對緊鄰隧道的影響，目前針對雙側(cè)基坑施工對緊鄰隧道影響的相關(guān)研究較少[7-10]。

為此，本文基于某雙側(cè)深基坑工程，采用有限元建立三維數(shù)值模型模擬施工全過程，分析了基坑外墻邊線與地鐵隧道水平距離和不同開挖順序?qū)λ淼雷冃蔚挠绊?，確定了安全水平距離和開挖方案。同時(shí)通過對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的分析總結(jié)了雙側(cè)深基坑施工過程中地鐵隧道的變形規(guī)律。

1 概況

杭州濱江聯(lián)莊二區(qū)項(xiàng)目南臨規(guī)劃聯(lián)莊路，北臨永久河，東臨中恒世紀(jì)科技園，西臨江濤閣小區(qū)，總用地面積52110m2，總建筑面積219407m2，其中地上建筑面積145907m2，地下建筑面積70000m2。

項(xiàng)目基坑面積約33167m2，基坑周長約1264m，基坑挖深為9.65～10.30m，設(shè)2層地下室，沿地鐵邊開挖深度約9.65m，坑中坑開挖深度為2.7m。地鐵6號線中醫(yī)藥大學(xué)站-偉業(yè)路站(以下簡稱6號線)，區(qū)間盾構(gòu)隧道橫穿地塊。區(qū)間內(nèi)隧道埋深10.1～12.3m，隧道外徑6.28m。地鐵將地塊分成南北2個區(qū)塊。2區(qū)塊整體設(shè)置2層地下室，2區(qū)塊地下室之間在盾構(gòu)隧道上方設(shè)置1層地下連接通道。

基坑四周均緊鄰用地紅線，中部橫穿有地鐵6號線，將基坑分為南北2個地塊，形狀不規(guī)則。其中，北區(qū)旁側(cè)基坑的圍護(hù)外邊線與6號線區(qū)間盾構(gòu)隧道的距離約為10m；南區(qū)旁側(cè)基坑的圍護(hù)外邊線與6號線中區(qū)間盾構(gòu)隧道的距離也約為10.4m；地塊中間地下室連通道上跨區(qū)間盾構(gòu)隧道。地下室連接通道采用頂管法施工，連接通道底與下臥盾構(gòu)隧道頂?shù)淖钚艟嗉s4.3m，平面關(guān)系如圖1所示?？臻g上，形成地鐵區(qū)間隧道和車站、建筑物地下室等各種功能的地下空間密集分布的復(fù)雜平面布置形式，屬于典型的城市緊湊型深基坑。

圖1 基坑與地鐵關(guān)系平面相對關(guān)系及測點(diǎn)布置圖

研究區(qū)場地地層從上到下分為12層，主要土層名稱及其物理力學(xué)參數(shù)見表1，典型剖面圖如圖3所示。其中基坑位于②層中。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

研究區(qū)淺層松散孔隙潛水主要賦存于①、②1、②2和③1土層孔隙中，水位年變化幅度約2m。承壓水主要儲存在⑥2、⑧2、⑧3層中。根據(jù)《杭州-臨浦幅1∶50000水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)區(qū)域調(diào)查報(bào)告》(1987年)，單井開采量1000～3000m3/d，隨季節(jié)變化不明顯。

2 基坑支護(hù)及監(jiān)測方案

2.1 基坑支護(hù)方案

根據(jù)DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》，可以判定基坑對應(yīng)地鐵區(qū)間隧道的軌道交通安全狀況為“Ⅲ類”、鄰近地鐵車站和隧道的主體結(jié)構(gòu)安全保護(hù)等級為A級、基坑安全等級為一級(重要性系數(shù)1.1)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式：臨近地鐵側(cè)采用800mm厚地下連續(xù)墻，墻頂設(shè)800mm×800mm壓頂梁；遠(yuǎn)離地鐵側(cè)采用?900@1100鉆孔灌注樁，外側(cè)設(shè)?850@600三軸水泥土攪拌樁止水止土，樁頂設(shè)1000mm×800mm壓頂梁；分坑采用?900@1100鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)1000mm×800mm壓頂梁。北區(qū)域基坑(A1、A2、A3)及南區(qū)域基坑北側(cè)(B1、B2、B3、B4、B5)采用2道鋼筋混凝土支撐，南區(qū)域基坑南側(cè)(B6、B7)采用1道鋼筋混凝土支撐；其中，第一道主、次支撐尺寸分別為800mm×800mm、700mm×800mm；第二道為800mm×700mm、700mm×700mm。土方開挖期間需采用臨時(shí)鋼立柱及鉆孔灌注樁作為水平支撐系統(tǒng)的豎向支撐構(gòu)件。

2.2 基坑監(jiān)測方案及控制標(biāo)準(zhǔn)

為監(jiān)測雙側(cè)基坑開挖引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形，在左線、右線隧道布置測點(diǎn)，測點(diǎn)圖如圖1所示。根據(jù)該工程設(shè)計(jì)文件及安全性影響評估報(bào)告要求，地鐵隧道監(jiān)測控制值見表2。

表2 區(qū)間地鐵隧道變形控制指標(biāo)

3 不同施工方案的研究

基坑開挖實(shí)則為卸載過程，卸載量隨著土體的開挖越來越大，可能引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降、土體隆起等不利影響。不同于隧道單側(cè)基坑施工導(dǎo)致的卸載的非對稱性，兩側(cè)基坑合理的開挖方法能減小兩側(cè)基坑土壓力差值，從而有效地控制因基坑開挖引起的隧道變形。因此制定合理的開挖方案十分必要。

3.1 不同開挖方案介紹

為研究基坑不同開挖順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)變形的影響，選取3種不同開挖順序工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，具體開挖方案見表3。

表3 3種不同開挖方案

3.2 三維數(shù)值模型

采用Plaxis3D巖土工程有限元軟件建立三維模型，如圖2所示。模型的x方向(垂直于既有隧道)取350m，y方向(平行于隧道走向)取320m，z方向(厚度方向)取50m。2層地下室與盾構(gòu)隧道之間邊界距離為12m，連通道距離盾構(gòu)隧道近距4.3m。本次分析模擬時(shí)土體采用小應(yīng)變土體硬化HSS模型[1]，計(jì)算參數(shù)見表4；地下室基坑支護(hù)墻彈性模量大，受力后主要表現(xiàn)為彈性變形，故選用彈性模型；因地鐵盾構(gòu)隧道的變形控制要求嚴(yán)格，盾構(gòu)隧道在側(cè)方基坑開挖過程中的變形基本處于彈性階段，故隧道管片采用彈性模型；內(nèi)支撐和結(jié)構(gòu)樓板采用點(diǎn)對點(diǎn)錨桿模擬；地連墻和隧道襯砌采用板單元模擬。結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表4。

圖2 基坑-地鐵整體模型云圖

表4 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3.3 基坑外墻邊線與地鐵隧道水平距離影響

為研究基坑外墻邊線與地鐵隧道水平距離對隧道結(jié)構(gòu)的影響，并確定基坑外墻邊線與地鐵隧道安全水平距離，選取4種不同水平距離工況，分別為8、10、12、14m。不同水平距離引起的隧道結(jié)構(gòu)最大變形見表5。

表5 不同距離引起隧道變形最大變形

從表5中可見，隨著地下室與盾構(gòu)隧道邊界距離的增大，旁側(cè)基坑對盾構(gòu)隧道的影響逐漸減小。但是2層地下室與盾構(gòu)隧道邊界距離對隧道變形的影響較小。在不考慮聯(lián)通道影響時(shí)，當(dāng)邊界距離從8m增大到14m時(shí)，左線盾構(gòu)隧道最大水平位移從-4.3mm減小至-3.7mm，最大豎向位移從2.3mm減小至1.7mm；右線盾構(gòu)隧道最大水平位移從3.3mm減小至2.5mm，最大豎向位移從2.2mm減小至1.7mm。盾構(gòu)變形均滿足控制要求。如考慮聯(lián)通道施工的影響，隧道總位移變化顯著增加，區(qū)間地鐵隧道變形控制指標(biāo)，區(qū)間盾構(gòu)隧道安全控制指標(biāo)中水平/豎向位移均需小于8mm，因此確定2層地下室與盾構(gòu)隧道邊界距離為10m時(shí)盾構(gòu)變形是可控的。

3.4 不同開挖方案的影響分析

模型計(jì)算得到基坑施工完成時(shí)隧道結(jié)構(gòu)變形曲線，如圖3所示。圖3(a)和3(b)分別為3種不同開挖方案下在左線隧道的左拱腰水平位移和拱底豎向位移曲線(定義靠近B基坑一側(cè)的隧道為左線隧道，靠近A基坑一側(cè)的隧道為右線隧道)。

對比圖3(a)和3(b)可知，該過程在連接通道范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)有顯著的豎向位移和水平位移。3種不同開挖方案下左線隧道的拱豎向位移均超過5mm，超出了預(yù)警值，在實(shí)際施工過程中需著重監(jiān)測連接通道范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)安全。在連接通道范圍外的隧道結(jié)構(gòu)水平位移大于豎向位移，可見在基坑開挖過程中該隧道結(jié)構(gòu)變形以水平位移為主導(dǎo)。

如圖3(a)所示，兩側(cè)基坑施工完成后，工況3的水平位移最大，工況1的水平位移最小，其中工況2下最大水平位移比工況1的最大水平位移大約15%，工況3下最大水平位移比工況1的最大水平位移大約20%?？梢娀娱_挖卸載時(shí)，兩側(cè)基坑交叉開挖的施工方案優(yōu)于單側(cè)基坑開挖到底的施工方案。這是因?yàn)閱蝹?cè)基坑卸載的不對稱性引起了較大的土壓力差值，從而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)想開挖一側(cè)基坑位移。而兩側(cè)基坑交叉開挖引起的土壓力差值小，對隧道結(jié)構(gòu)變形影響小。另一方面，工況3的水平位移大于工況2的水平位移，這是因?yàn)锽基坑緊鄰隧道側(cè)的基坑長度比A基坑緊鄰隧道側(cè)的基坑長度大，故B基坑緊鄰隧道側(cè)開挖卸載量大于A基坑。

圖3 不同開挖方案下隧道變形曲線

如圖3(b)左線隧道的拱底豎向位移曲線所示，工況1的隧道豎向位移略大于工況3和工況2。這是由于兩側(cè)基坑交叉開挖的相互影響引起的疊加效應(yīng)，從而導(dǎo)致豎向土壓力卸載量變大，從而兩側(cè)基坑交叉開挖引起的豎向位移略大。但相比于隧道水平位移，不同開挖方案對隧道豎向位移的影響較小。

4 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的隧道變形分析

本節(jié)的監(jiān)測數(shù)據(jù)均是基于實(shí)際施工過程中測試所得，即地下室與盾構(gòu)隧道邊界距離為10m，對鄰近地鐵側(cè)基坑進(jìn)行分坑設(shè)計(jì)，其中北區(qū)分為A1-A3三個區(qū)塊，南區(qū)分為B1-B7七個區(qū)塊，施工順序?yàn)橐黄?B1、B3、A3)→二期(A1、A2、B2、B4、B6)→三期(B5、B7)。關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)如下：

(1)2020年11月20號一期B1和B3開始土方開挖，且聯(lián)絡(luò)通道施工完成。

(2)2021年2月28號二期A1和A2開始土方開挖，同時(shí)一期A3底板施工完成。

(3)2021年5月26號三期B5和B7開始土方開挖，同時(shí)二期B4和B6底板施工完成。

(4)2021年7月6號三期B5和B7底板施工完成。

4個時(shí)間節(jié)點(diǎn)左線隧道監(jiān)測點(diǎn)S420-S605的豎向位移和隧道管片凈空收斂的監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可以看出，豎向左線隧道發(fā)生較大豎向位移在監(jiān)測點(diǎn)S510-S530和S440-S470范圍內(nèi)，其中S510-S530為連接通道區(qū)域，聯(lián)絡(luò)通道施工完成時(shí)該檢測范圍內(nèi)的最大豎向位移為1.8mm。從監(jiān)測圖中可以看出，東半部隧道為非直線，呈彎曲型。該部分隧道剛度小于直線段隧道剛度，可能導(dǎo)致S440-S470范圍內(nèi)發(fā)生的較大豎向位移。從圖4還可以看出，二期和三期施工完成，隧道豎向位移均顯著增大，但三期施工完成后隧道豎向位移未發(fā)生變化，這是由于遠(yuǎn)處分坑B5、B7開挖卸載對隧道基本無影響。從圖4(b)可以看出，隧道管片凈空收斂主要發(fā)生在東半部隧道，同樣可能因?yàn)樵摬糠炙淼绖偠刃∮谥本€段隧道剛度。此外，一期施工完成，隧道管片凈空收斂顯著增大，但二期和三期施工對隧道管片凈空收斂影響有限。綜合圖4(a)和(b)，左線隧道豎向位移峰值和管片凈空收斂峰值均小于8mm，在表5所述控區(qū)間地鐵隧道變形控制范圍內(nèi)，說明本基坑工程的支護(hù)方案和施工方案均能保證隧道的變形安全。

圖4 不同時(shí)刻隧道變形監(jiān)測結(jié)果

基坑施工完成后左右線隧道監(jiān)測結(jié)果對比如圖5所示。由圖5(a)可知，左線右線隧道豎向位移沿隧道縱向的變形規(guī)律一致，但是左線隧道變形顯著大于右線隧道。同樣是因?yàn)樽缶€隧道緊鄰基坑長度比右線隧道緊鄰基坑長度大。由圖5(b)可知，左線右線隧道管片凈空收斂沿隧道縱向的變形規(guī)律一致，其管片凈空收斂值也十分接近。

5 結(jié)論

本文結(jié)合某雙側(cè)深基坑緊鄰地鐵隧道施工的工程背景，分析了基坑外墻邊線與地鐵隧道水平距離和不同開挖順序?qū)λ淼雷冃蔚挠绊?。同時(shí)通過對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的分析總結(jié)了雙側(cè)深基坑施工過程中地鐵隧道的變形規(guī)律。主要得到以下結(jié)論：

基坑外墻邊線與地鐵隧道水平距離的增大可以有效控制隧道的變形，確定基坑外墻邊線與地鐵隧道安全水平距離為10m；基坑采用交叉開挖施工方案，隧道的水平和豎向位移最小，但對水平位移影響較??；大基坑施工會引起臨近側(cè)隧道更大的變形，且對彎曲段隧道的影響更為顯著。本文僅研究了基坑開挖對臨近隧道的影響，后續(xù)可分析臨近隧道存在對基坑施工的影響。