基坑開挖引起下部地鐵隧道變形控制研究

劉 杰， 吳超平， 錢德玲， 陳 震， 胡 亮， 梁 中

（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.中國中鐵四局集團(tuán)，安徽 合肥 230000）

基坑開挖使基坑下部地鐵隧道的原有受力平衡被打破，使得地應(yīng)力重新分布［1］，從而引起地鐵隧道產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力和變形，但是為了保證已經(jīng)運(yùn)營的地鐵隧道的安全與正常使用，隧道襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)變形要求非常嚴(yán)格，因此基坑設(shè)計(jì)和施工過程中必須采取嚴(yán)格的地鐵隧道變形控制措施，否則會(huì)影響地鐵隧道的正常使用和安全［2］。文獻(xiàn)［3］利用三維有限元方法和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，通過理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算，得出了基坑開挖過程中影響運(yùn)營隧道變形的關(guān)鍵因素；文獻(xiàn) ［4］分析了基坑開挖卸荷對(duì)下部隧道變形的力學(xué)機(jī)理并進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)分析了隧道管片的應(yīng)力變化，取得了很好的效果；文獻(xiàn)［5］對(duì)地鐵隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了在上部基坑快速開挖的情況下，下臥既有隧道結(jié)構(gòu)變形的時(shí)空分布規(guī)律，分析了影響下臥隧道結(jié)構(gòu)變形的主要因素。文獻(xiàn)［6］通過對(duì)南京地區(qū)的盾構(gòu)隧道隆起位移的控制分析，提出了盾構(gòu)隧道絕對(duì)最大沉降不超過15mm，盾構(gòu)隧道最大隆起量不超過10mm，盾構(gòu)隧道的變形曲率半徑必須大于15 000m的控制要求。

本文結(jié)合南京寧蕪貨線改線基坑上跨地鐵1號(hào)線工程實(shí)例，采用有限元軟件建立三維模型，對(duì)橫跨運(yùn)營地鐵的基坑開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了影響運(yùn)營地鐵隧道變形的主要施工措施，提出了在已運(yùn)行地鐵隧道上部和側(cè)面開挖基坑時(shí)分塊開挖、迅速施工、堆載回壓等保護(hù)措施，在實(shí)際工程中取得了良好的效果。

1 工程概況

新建寧蕪改線基坑工程在與地鐵1號(hào)線交叉處采用鉆孔樁進(jìn)行基坑圍護(hù)，寧蕪貨線隧道基坑上跨地鐵1號(hào)線處開挖深度為13m，分5步開挖，豎向設(shè)4道支撐，基坑底部距地鐵1號(hào)線結(jié)構(gòu)頂部?jī)艟喾謩e為7.04m和6.90m，洞身依次穿過素填土、硬塑粉質(zhì)黏土、軟塑粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及強(qiáng)—弱風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖層，基坑底部已達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，因此上跨地鐵1號(hào)線處的9m范圍內(nèi)，為減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵1號(hào)線的影響，嵌入深度減小為3.4m，兩側(cè)嵌入深度為5m。寧蕪改線隧道與地鐵3號(hào)線在相互交叉處上下2層合建，基坑開挖深度約19.5m，圍護(hù)樁嵌入深度為6m，交叉段基坑分7步開挖，豎向設(shè)6道支撐。除第1道支撐為0.6m×0.8m的混凝土支撐外，其余均為Φ609mm、t＝16mm的鋼管支撐。寧蕪貨線上跨南京地鐵1、3號(hào)線隧道處基坑圍護(hù)剖面如圖1所示。

圖1 寧蕪改線工程與地鐵1號(hào)隧道剖面關(guān)系

既有地鐵1號(hào)線隧道在該區(qū)間為礦山法施工隧道，線路與寧蕪貨線隧道明挖基坑夾角約為90°。本段已運(yùn)營地鐵隧道圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)，初期支護(hù)厚度為200mm，二襯厚度為300mm。拱墻部位設(shè)置Φ22砂漿錨桿，錨桿長2.5m，縱距0.75m，環(huán)距1.0m 。

該工程難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)性高，新建寧蕪貨線及地鐵3號(hào)線隧道施工過程中進(jìn)行施工常規(guī)監(jiān)測(cè)和既有1號(hào)線隧道內(nèi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。1號(hào)線區(qū)間隧道的變形監(jiān)測(cè)的水平位移和拱頂變形的控制值定為20mm，預(yù)警值為14mm。

2 開挖卸荷對(duì)隧道影響的原理與措施

基坑開挖對(duì)開挖面以下土體具有明顯的垂直方向的卸荷作用，會(huì)引起坑底土體的回彈，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)土壓力作用下迫使基坑開挖面兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移，加大了坑底土體的水平向應(yīng)力，使坑底土體向上隆起。隨著基坑開挖深度的增加，基坑內(nèi)外土面高差不斷增大，該高差所形成的加載作用和地表的各種超載將使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，使坑底產(chǎn)生向上隆起。

當(dāng)基坑下方土層中有地鐵隧道通過時(shí)，坑底土體的隆起必然帶動(dòng)基坑下隧道產(chǎn)生局部縱向變形。由于土體是一定程度密實(shí)的連續(xù)介質(zhì)，基坑內(nèi)土體開挖卸荷時(shí)，地層損失向隧道傳遞，引起隧道頂部土壓力的變化，導(dǎo)致隧道的位移發(fā)生改變［7］。

卸荷規(guī)模是影響地鐵隧道周圍位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和隧道變形隆起量的一個(gè)重要因素。對(duì)于寧蕪鐵路改線項(xiàng)目，卸荷規(guī)模已既定，基坑的卸荷范圍及基坑與已建地鐵隧道的距離已確定。在同一地區(qū)或近似相同的地質(zhì)條件、場(chǎng)地環(huán)境，同時(shí)土體具有相似應(yīng)力歷史的條件下，開挖卸荷對(duì)地鐵隧道附加應(yīng)力的變化和結(jié)構(gòu)變形起主要作用。

為達(dá)到控制運(yùn)行地鐵隧道變形的要求，在施工過程中采取的措施有：

（1）分部、分條均勻開挖避免偏載?；娱_挖過程中周圍土體與其有密切的空間作用，為了減小回彈量，應(yīng)該考慮卸荷面積的大小、形狀的影響，采用合理的開挖面積和開挖形狀，1號(hào)線隧道頂部的開挖應(yīng)均勻分層，避免偏載［6］。

（2）基坑開挖根據(jù)“時(shí)空效應(yīng)”原理，分段、分塊、限時(shí)進(jìn)行。由于不存在放坡開挖的條件，基坑采用鉆孔樁圍護(hù)。

（3）快速施工，迅速消除上部開挖卸載對(duì)地鐵1號(hào)線帶來的影響，在底板混凝土初凝后，利用磚砌塊進(jìn)行堆載回壓。

3 基坑開挖的數(shù)值計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算模型

采用大型有限元軟件MIDAS GTS進(jìn)行三維有限元計(jì)算。MIDAS GTS軟件提供了對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行“激活”與“鈍化”的處理功能，因此，可以用該功能來模擬隧道的掘進(jìn)過程與基坑開挖過程。所謂單元的“鈍化”，并不是將其從模型中刪除，只是鈍化單元的剛度、載荷和質(zhì)量等設(shè)為0，從而不對(duì)載荷向量生效（但仍然在單元載荷的列表中出現(xiàn)）。將荷載釋放系數(shù)為100%的單元?jiǎng)h除（鈍化）時(shí)，鈍化掉的單元內(nèi)部應(yīng)力將全部分配給留下的其他單元，從而引起剩余單元的應(yīng)力發(fā)生變化。與此相反，將荷載釋放系數(shù)為0%的單元?jiǎng)h除（鈍化）時(shí)，鈍化掉的單元的內(nèi)部應(yīng)力將不分配給剩余的單元；單元的“激活”并不是將單元加到模型中去，而是在計(jì)算過程中將鈍化的單元在適當(dāng)?shù)妮d荷步中重新啟用，使單元的剛度、質(zhì)量及載荷等恢復(fù)其原來的數(shù)值。在任意階段添加（激活）的單元不受前面階段作用的荷載或應(yīng)力影響，即新添加的單元在激活階段時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力為零。

在巖土工程數(shù)值模擬中，莫爾－庫侖模型采用了彈塑性理論，相對(duì)于彈性模型而言具有質(zhì)的飛躍，能較好地描述土體的破壞行為，適合于本文所述問題的分析。本文隧道結(jié)構(gòu)部分選用彈性模型是由于地鐵隧道結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力、應(yīng)變都在材料的線應(yīng)變范圍之內(nèi)，變形符合虎克定律，所以彈性模型能夠準(zhǔn)確地模擬隧道混凝土襯砌和噴混的力學(xué)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，基于保守考慮，建模計(jì)算不考慮既有隧道的徑向錨桿。該模型沿寧蕪貨線隧道縱向長78m，寬60m，模型高度取地面以下40m。計(jì)算采用寧蕪項(xiàng)目地質(zhì)勘查鉆孔的地層資料，具體巖土層參數(shù)見表1所列。

表1 計(jì)算采用的土層參數(shù)

在有限元建模中，基坑開挖施工工況分析為施工階段分析?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工階段非常復(fù)雜，也經(jīng)常發(fā)生變化，施工階段分析一般是將其簡(jiǎn)化，取比較重要的施工階段進(jìn)行分析。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驟，再將所有的土體與結(jié)構(gòu)物離散為網(wǎng)格后，定義這些網(wǎng)格的起始施工步和終止施工步，起止施工步的不同體現(xiàn)了不同區(qū)域的開挖和主體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度。

在分析時(shí)，程序則從初始步開始，按所定義的施工順序分步進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了施工全過程的動(dòng)態(tài)模擬。計(jì)算模型和完成所有開挖步驟后的計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 基坑與開挖后計(jì)算模型

由于地鐵1號(hào)線南延線開通運(yùn)營時(shí)間不長，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)算步驟為：① 初始地應(yīng)力；② 地鐵1號(hào)線隧道開挖；③ 施工地鐵1號(hào)線隧道噴射混凝土；④ 施工地鐵1號(hào)線隧道二次襯砌，位移清零；⑤ 施工基坑圍護(hù)鉆孔樁，鉆孔樁徑為1.0～1.2m；⑥ 開挖步驟1，開挖土層為素填土；⑦ 施工第1道混凝土支撐；⑧ 開挖步驟2，開挖土層為硬塑粉質(zhì)黏土與軟塑粉質(zhì)黏土；⑨ 施工第2道鋼支撐；⑩ 開挖步驟3，開挖土層為軟塑粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土；○11 施工第3道鋼支撐；○12 開挖步驟4，開挖土層為全風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖；○13 施工第4道鋼支撐；○14開挖步驟5，開挖土層為強(qiáng)風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖和弱風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖；○15 施工第5道鋼支撐；○16 開挖至基坑底，開挖土層為弱風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖；○17 施工第6道鋼支撐；○18 施工寧蕪貨線與地鐵3號(hào)線主體結(jié)構(gòu)；○19 拆撐與回填。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

寧蕪貨線基坑開挖完成與拆撐回填后地鐵1號(hào)線隧道二次襯砌的豎向位移如圖3所示。

圖3 隧道二次襯砌豎向位移對(duì)比圖

從圖3可以看出，基坑完成全部開挖步驟后，地鐵1號(hào)線隧道二次襯砌在與基坑交叉部位出現(xiàn)最大的上抬位移，其最大值為0.57mm，在上部結(jié)構(gòu)完成并回填后，既有隧道最大上抬位移值僅為0.025mm。文獻(xiàn)［7］采用數(shù)值仿真分析了海珠廣場(chǎng)發(fā)展項(xiàng)目基坑工程的基坑開挖卸荷對(duì)下方既有地鐵隧道影響，該工程與本文所述的工程地質(zhì)條件完全不同，其隧道位移變化最大值達(dá)到17mm；對(duì)寧蕪改線工程不同地質(zhì)條件標(biāo)段監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)條件對(duì)基坑下部隧道以及維護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響很大。

地鐵1號(hào)線隧道二次襯砌在基坑開挖前、基坑開挖后以及拆撐回填后的最大主應(yīng)力如圖4所示，從圖4可以看出，二次襯砌最大主應(yīng)力分別為103、324、539kPa。

由以上計(jì)算結(jié)果可以得出，上部基坑開挖對(duì)地鐵1號(hào)線隧道的位移及受力影響很小，滿足隧道安全和正常運(yùn)營控制要求。

圖4 隧道二次襯砌開挖前后最大主應(yīng)力對(duì)比

上海市浦東新區(qū)東方路—張楊路下立交工程基坑下部上海地鐵2號(hào)線隧道頂部與基坑底部的距離只有2.8m，卸荷比例達(dá)到70%，文獻(xiàn)［8］利用數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行了各種工況下隧道變形的研究。與該項(xiàng)目數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該上海地鐵項(xiàng)目的隧道頂部隆起值約為22mm，可見基坑開挖后隧道頂部土體厚度和基坑開挖的卸荷規(guī)模的大小對(duì)隧道變形有很大的影響。對(duì)于寧蕪深基坑項(xiàng)目，利用有限元數(shù)值模擬的方法模擬在不同開挖量不同基坑開挖后隧道頂部土體厚度的幾種工況，結(jié)果表明，隨著開挖深度的增加，隧道頂部的上抬量在不斷地增加，隧道的二次襯砌最大主應(yīng)力也不斷增大。在上海軟土地區(qū)已有工程開挖后隧道頂部土體達(dá)到了2.8m，因此在基坑開挖過程中，只要采取的工程措施可行，在大規(guī)模卸荷下隧道安全是可以保證的。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

為保證已運(yùn)營地鐵隧道的安全，基坑施工過程中對(duì)基坑維護(hù)樁安裝測(cè)斜管進(jìn)行樁體水平位移監(jiān)測(cè)和隧道附近土體深部測(cè)斜等施工常規(guī)監(jiān)測(cè)，同時(shí)在隧道內(nèi)進(jìn)行隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，對(duì)既有隧道進(jìn)行了拱頂隆起、隧道凈空收斂等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，以監(jiān)控既有隧道在上方基坑開挖過程中的變形，保證既有隧道的施工安全和結(jié)構(gòu)安全。拱頂上隆直接體現(xiàn)了下臥隧道的縱向變形，是監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵項(xiàng)目。

施工完成后的監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖5所示。由圖5可以看出，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致，說明MIDAS GTS模型是基本準(zhǔn)確的，所選計(jì)算參數(shù)是合理的；同時(shí)說明基坑開挖對(duì)遠(yuǎn)離基坑側(cè)的隧道側(cè)向位移影響較小，開挖使隧道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不對(duì)稱變形，隧道水平位移和豎向位移云圖中不對(duì)稱變形表現(xiàn)得更為直觀。由于基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，阻擋了由基坑開挖引起的土體位移傳遞，使遠(yuǎn)基坑一側(cè)土體的變形遠(yuǎn)小于近基坑一側(cè)的變形。同時(shí)隨著上方土體的開挖，下臥隧道的側(cè)墻基本上以均勻的速率向內(nèi)側(cè)收斂。

圖5 隧道變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

維護(hù)樁與土體深部側(cè)向變形實(shí)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示，圖6表明，隧道變形沿縱向呈不均勻性，從而產(chǎn)生一定的彎曲變形。當(dāng)隧道變形超過一定值時(shí)，容易對(duì)其正常運(yùn)營產(chǎn)生影響。圖6中結(jié)果顯示位移比較小，但表明隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形基本以拉為主，拱部受拉明顯；也說明基坑維護(hù)樁側(cè)向位移在維護(hù)樁的中部最大，向遠(yuǎn)離中部的兩側(cè)逐漸減小。

圖6 維護(hù)樁與土體深部側(cè)向變形實(shí)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

由于施工過程中開挖與支撐安裝有一定的時(shí)間差和施工工藝問題，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有一定差距，體現(xiàn)了基坑開挖過程遵守“時(shí)空效應(yīng)”，可以減少對(duì)下步隧道的影響。另外，通過土體深部測(cè)斜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，隨著基坑離隧道的距離越來越遠(yuǎn)，同一橫斷面土體的位移越小，說明由于土體的散狀結(jié)構(gòu)和巖石的力學(xué)性質(zhì)對(duì)隧道抵御基坑帶來的影響有一定的保護(hù)作用。其次，由運(yùn)算結(jié)果可以看出，主體結(jié)構(gòu)回筑后由于結(jié)構(gòu)的自重作用，使隧道的上抬略有回落［6］。

5 結(jié)論

寧蕪貨線改線工程超大，本文對(duì)于深基坑開挖卸荷對(duì)下方地鐵隧道的影響進(jìn)行數(shù)值分析，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，可得結(jié)論如下：

（1）基坑開挖對(duì)開挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土體發(fā)生變位，帶動(dòng)土體中的隧道產(chǎn)生位移，由于隧道結(jié)構(gòu)相對(duì)土層來說剛度較大，所以隧道的變形以剛體變位為主，且主要體現(xiàn)為豎向上隆。

（2）經(jīng)計(jì)算分析，隧道埋深處土體最大豎向位移約為0.57mm，隧道變形后的曲率半徑為84 000m，均在地鐵保護(hù)條例允許范圍內(nèi)。

（3）基坑開挖后暴露的時(shí)間越長，基坑的隆起量就越大，從而造成基坑下既有隧道的上抬變形也越大，因此基坑開挖采用分層、分段、對(duì)稱、平衡、限時(shí)開挖的原則，要做到隨挖隨撐；同時(shí)加快施工速度可以減小上部開挖卸載對(duì)基坑下部隧道帶來的影響。

（4）建議類似工程施工中應(yīng)對(duì)隧道的位移、應(yīng)力、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［9］。

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