深基坑施工對(duì)鄰近礦山法隧道的綜合保護(hù)方案研究

朱斌，張書(shū)豐，沈曉偉

(南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210008)

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深基坑施工對(duì)鄰近礦山法隧道的綜合保護(hù)方案研究

朱斌，張書(shū)豐，沈曉偉

(南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210008)

摘要:基于對(duì)礦山法地鐵隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)，分析基坑總體方案和圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型，通過(guò)理論分析結(jié)合數(shù)值模擬，提出加大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，采用有效止水措施，加強(qiáng)內(nèi)支撐剛度，逆作法施工等綜合保護(hù)措施，并采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，確?；邮┕て陂g地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全。

關(guān)鍵詞：地鐵保護(hù)；深大基坑；礦山法隧道；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，軌道交通與城市建設(shè)高速發(fā)展，出現(xiàn)了許多鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的深大基坑項(xiàng)目。地鐵區(qū)間隧道周邊基坑開(kāi)挖，使土體產(chǎn)生卸載，從而導(dǎo)致土體發(fā)生變形，對(duì)既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)研究[1-3]，日本交通系統(tǒng)1996年制定了《接近既有隧道施工對(duì)策指南》[4]。但目前的研究對(duì)象主要集中在基坑對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道的影響，而基坑開(kāi)挖對(duì)礦山法地鐵隧道的影響研究相對(duì)較少。本文基于礦山法地鐵隧道安全保護(hù)要求，對(duì)鄰近的深基坑施工進(jìn)行了分析，采取針對(duì)性安全保護(hù)措施，并在施工期間對(duì)基坑和隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行判定。本文可為鄰近基坑開(kāi)挖時(shí)，既有地鐵礦山法隧道的安全控制標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)措施起到一定的指導(dǎo)作用。

1項(xiàng)目概況

1.1 環(huán)境概況

該項(xiàng)目由主樓、商業(yè)裙房及5層地下室組成，其中，主樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，裙房采用框架結(jié)構(gòu)?；用娣e約為12 362 m2，總周長(zhǎng)約為481 m，裙樓和塔樓區(qū)域基坑開(kāi)挖深度分別為22.4和23.9 m，基坑位置如圖1所示。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線距地鐵礦山法區(qū)間最近距離約為11.4 m，區(qū)間隧道頂埋深為8.9～9.8 m，基坑與地鐵隧道相對(duì)關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1　基坑平面位置示意圖Fig.1 Layout of foundation pit

圖2　基坑與地鐵隧道相對(duì)位置關(guān)系垂直斷面圖Fig.2 Relationship of foundation pit and metro tunnels

1.2工程地質(zhì)概況

本工程場(chǎng)地淺層分布有較厚的填土和粉質(zhì)黏土，其中②-2層流塑粉質(zhì)黏土土質(zhì)差，開(kāi)挖易流動(dòng)使開(kāi)挖面產(chǎn)生側(cè)向變形和坑底隆起。而階地上的沉積土層中③-3a層粉土和④層粉質(zhì)黏土混粗砂、卵礫石透水性較好，在水頭差作用下會(huì)產(chǎn)生涌砂現(xiàn)象；其余土層工程性質(zhì)較好，開(kāi)挖面穩(wěn)定性較好。而且基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)涉及到多個(gè)含水層，水文地質(zhì)較為復(fù)雜。主要土層自上而下描述見(jiàn)表1。

表1　地層描述綜合表

2基坑方案

2.1開(kāi)挖總體方案

基坑開(kāi)挖總體方案主要有順作法和逆作法2類(lèi)。逆作法采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以節(jié)省常規(guī)順作法中大量臨時(shí)支撐的設(shè)置和拆除，經(jīng)濟(jì)性好，另外，樓板剛度高于常規(guī)順作法的臨時(shí)支撐，基坑的變形較小，對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響較小，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)度大，接頭施工復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境差，結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量易受影響[5]。

由于本基坑開(kāi)挖深度大，坑底在地鐵隧道底板標(biāo)高以下，且基坑離地鐵隧道僅11.4 m。因此經(jīng)綜合比選，本基坑采用塔樓基坑順作，裙樓基坑逆作的方案。塔樓區(qū)域先行施工進(jìn)行土方開(kāi)挖，其后進(jìn)行裙樓逆作法施工。

2.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)軟土地區(qū)已實(shí)施的大量基坑工程的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，類(lèi)似基坑工程一般采用板式圍護(hù)體系，板式圍護(hù)體一般可供選擇的有鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕和地下連續(xù)墻[6-7]。

對(duì)于本基坑工程，采用鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕作為基坑圍護(hù)體，存在以下2個(gè)問(wèn)題。

1) 圍護(hù)體與地鐵區(qū)間隧道的距離

本工程地下室結(jié)構(gòu)外墻距離地鐵隧道最近僅為11.4 m，若采用臨時(shí)性的排樁結(jié)合止水帷幕作為圍護(hù)體，扣除圍護(hù)樁、止水帷幕等厚度后，圍護(hù)體與地鐵隧道的距離將僅有8.5 m左右。距離地鐵隧道越近，則保護(hù)難度越大。

2) 止水帷幕的防滲可靠性分析

本工程基坑的開(kāi)挖深度較深，所需的止水帷幕深度接近30 m，穿越的土層地質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，且需深入到中風(fēng)化巖層中，巖體強(qiáng)度較高。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁均難以確保成樁質(zhì)量，達(dá)不到理想止水要求。

綜上所述，通過(guò)圍護(hù)體與地鐵區(qū)間隧道的距離以及止水帷幕防滲可靠性分析，由于周邊環(huán)境保護(hù)要求較高，因此本工程不宜采用鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，推薦采用地下連續(xù)墻。

3數(shù)值分析

為準(zhǔn)確分析深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道產(chǎn)生的影響，并考慮基坑的開(kāi)挖空間效應(yīng)，本文采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS 6.8.1對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行分析。根據(jù)基坑開(kāi)挖的全過(guò)程中的各具體施工步，采用“單元生死”的方法控制各層基坑土體的開(kāi)挖、各道支撐的設(shè)置和地連墻的修建，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近地鐵隧道和周邊地層的變形和內(nèi)力做出合理的預(yù)測(cè)。

3.1土體本構(gòu)模型及參數(shù)選取

本次計(jì)算主要采用彈塑性和線彈性本構(gòu)模型相結(jié)合的方法進(jìn)行分析。對(duì)①-1～④層黏土，采用修正劍橋模型模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)完整性較差的強(qiáng)風(fēng)化巖層(⑤-1/1～⑤-1/2)采用彈塑性的Mohr-Coulomb 模型進(jìn)行計(jì)算[8]。底部基巖則采用線彈性模型進(jìn)行計(jì)算。地連墻與土體間設(shè)置接觸面，土體開(kāi)挖后移除。接觸面的本構(gòu)采用有限滑動(dòng)的庫(kù)倫模型，設(shè)置摩擦系數(shù)和極限剪應(yīng)力模擬墻體和土體之間的摩擦。

計(jì)算中不同分層土體的模型參數(shù)、重度、側(cè)壓力系數(shù)等參數(shù)一部分可以從巖土勘察報(bào)告中得到，另一部分通過(guò)大量類(lèi)似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演分析得到。部分主要土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2分析模型及計(jì)算結(jié)果

本次主要對(duì)基坑的全尺寸模型進(jìn)行計(jì)算，模型邊界距基坑距離分別為150 m(X 方向)和100 m(Y 方向)，計(jì)算深度取地表以下80 m 至基巖層。采用8 節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元和6 節(jié)點(diǎn)五面體實(shí)體單元模擬土體和巖體介質(zhì)，空間板殼單元模擬地下連續(xù)墻和隧道襯砌，空間梁?jiǎn)卧M水平支撐和圍檁，板殼厚度和梁的截面尺寸均按實(shí)際值取。三維計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3　三維有限元計(jì)算模型Fig.3 3D finite element model

有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～5。

圖4　地下連續(xù)墻水平方向(X，Y方向)位移云圖Fig.4 Contour of horizontal displacement of wall

圖5　隧道水平位移及沉降云圖Fig.5 Contour of V&H displacement of tunnel

從地連墻及隧道位移云圖中可以看出，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致支護(hù)外側(cè)土體和隧道在水平及豎直方向均產(chǎn)生不同程度變形，計(jì)算位移結(jié)果分析見(jiàn)表3。

表3　位移計(jì)算結(jié)果匯總表

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[9]，區(qū)間隧道水平位移和豎直位移安全控制值為20 mm。地鐵線路已建成運(yùn)營(yíng)，產(chǎn)生了一定的累計(jì)變形及沉降，累計(jì)最大水平位移為5.2 mm，最大沉降為4 mm。則地鐵2號(hào)線隧道允許繼續(xù)發(fā)生的最大變形為：水平位移14.8 mm，沉降16 mm。由表3結(jié)果可看出，地鐵隧道變形在安全控制范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，但該計(jì)算結(jié)果僅為參考，實(shí)際施工中需結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化施工。

基坑開(kāi)挖至坑底后隧道襯砌每延米內(nèi)力與開(kāi)挖前對(duì)比結(jié)果如表4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖完成后，隧道襯砌最大彎矩、剪力與軸力分別為336.6 kN·m，255.8 kN和777.7 kN，以上計(jì)算結(jié)果表明，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致地鐵隧道附加內(nèi)力增加較大，但仍小于隧道襯砌結(jié)構(gòu)本身的抗彎、抗剪和抗壓承載力，表明本基坑開(kāi)挖對(duì)隧道內(nèi)力的影響在其承受能力的范圍內(nèi)。

表4　隧道襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

4隧道綜合保護(hù)措施

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖造成鄰近地鐵隧道的變形及內(nèi)力較大，除了采取局部逆作，嵌巖地連墻措施外，為進(jìn)一步確保隧道結(jié)構(gòu)的安全，還采取了以下措施：

1) 為控制地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，鄰近地鐵側(cè)采用1 m厚地下連續(xù)墻，其余區(qū)段采用0.8 m厚地下連續(xù)墻；

2) 地下連續(xù)墻槽段接頭選用止水性能良好的工字鋼接頭；

3) 基坑內(nèi)部設(shè)置4道鋼筋混凝土支撐體系，支撐呈對(duì)撐、角撐桁架式布置，支撐水平剛度大，有利于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形；

4) 土方開(kāi)挖和支撐的施工工序根據(jù)分區(qū)、分塊、對(duì)稱(chēng)、平衡的原則制定，同時(shí)在施工過(guò)程中盡可能縮短圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐暴露時(shí)間；

5) 基坑開(kāi)挖過(guò)程中，鄰近地鐵區(qū)域嚴(yán)禁超大型重載施工機(jī)械行駛或運(yùn)行，確保施工超載限制在10 kPa范圍內(nèi)；

6) 對(duì)在施工過(guò)程中加強(qiáng)隧道安全監(jiān)測(cè)，采用人工和自動(dòng)化2種監(jiān)測(cè)手段，及時(shí)對(duì)比以便調(diào)整施工參數(shù)，做到真正的信息化施工。

5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)計(jì)算結(jié)果和保護(hù)措施的效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文對(duì)該基坑施工監(jiān)測(cè)期的隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.1監(jiān)測(cè)范圍

該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)范圍為項(xiàng)目基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊線對(duì)應(yīng)的控制保護(hù)區(qū)地鐵區(qū)間線路里程及左線前外放60 m，后放66 m，右線前外放87.1 m、后外方84.1 m，地鐵隧道監(jiān)測(cè)范圍為K13+118.8～K13+415.1(左線)及K13+091.1～K13+425.8(右線)，于兩側(cè)車(chē)站范圍內(nèi)建立監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，水平、垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of monitoring points

5.2垂直位移監(jiān)測(cè)成果

圖7～8分別為上行線累計(jì)垂直位移變化曲線和下行線累計(jì)垂直位移變化曲線。

圖7　上行線累計(jì)垂直位移變化曲線Fig.7 Accumulative vertical displacement curve of up line

圖8　下行線累計(jì)垂直位移變化曲線Fig.8 Accumulative vertical displacement curve of down line

圖7～8表明：基坑降水及開(kāi)挖導(dǎo)致隧道上下行線最大下沉量為10.4～10.8 mm。

5.3水平位移監(jiān)測(cè)成果

圖9　上行線水平位移變化曲線Fig.9 Horizontal displacement curve of up line

圖9為上行線水平位移變化曲線。圖9表明：基坑降水及開(kāi)挖導(dǎo)致隧道上下行線最大水平位移量為5.1～5.3 mm。

5.4水平收斂監(jiān)測(cè)成果

圖10為上行線水平收斂變化曲線。圖10表明：基坑降水及開(kāi)挖導(dǎo)致隧道上下行線最大水平收斂量為3.4 mm。

圖10　上行線水平收斂變化曲線Fig.10 Horizontal convergence curve of up line

5.5成果分析

通過(guò)對(duì)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化沉降及全站儀斷面自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與比對(duì)，發(fā)現(xiàn)3套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得出的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，3套系統(tǒng)很好地相互印證，為本項(xiàng)目提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)成果，較好地反應(yīng)了地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況，地鐵隧道上下行最大豎直位移為10.8 mm，最大水平位移為5.3 mm，最大水平收斂量為3.4 mm，均不超過(guò)地鐵隧道安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、施工工況及降水情況可發(fā)現(xiàn)：數(shù)據(jù)的變化受施工工序及降水影響較大。在基坑開(kāi)挖及降水期間地鐵隧道呈明顯下沉趨勢(shì)，且隨著基坑開(kāi)挖深度的加深沉降變化速率明顯增大。通過(guò)對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩者的變化規(guī)律是一致的；實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值較數(shù)值模擬數(shù)值略小。兩者相互印證證明本項(xiàng)目的數(shù)值模擬分析結(jié)果是可靠的，監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明基坑采取的綜合保護(hù)措施是有效的。

6結(jié)論

1) 由于礦山法隧道本身剛度較大，隧道產(chǎn)生的位移一般會(huì)比相同條件下盾構(gòu)區(qū)間隧道小，但是隧道襯砌附加內(nèi)力較大，變形以豎向位移為主。

2) 深基坑采用局部逆作、加大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、采用有效止水措施、加強(qiáng)內(nèi)支撐剛度等地鐵綜合保護(hù)措施是有效的，隧道的變形控制在安全范圍內(nèi)，可作為類(lèi)似工程的參考。

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Analysis on the construction scheme of the deep excavation based on the safety protection of adjacent metro tunnelZHU Bin，ZHANG Shufeng，SHEN Xiaowei

(Nanjing Metro Co. Ltd., Nanjing 210008, China)

Abstract：Based on the protection of mining method of metro tunnels, the foundation pit layout and enclosure structure selection were analyzed through both theoritical analysis and numerical simulation. The solutions of enlarging the structural stiffness of foundation pit enclosure structure were proposed which include effective water preventions, reinforcing inner support stiffness, and building with top-down method are integrate applied with verification of on-site monitoring data to guarantee the safety of metro tunnels during construction of foundation pit.

Key words：metro protection; deep excavation; mined tunnel; field monitoring

中圖分類(lèi)號(hào)：U231+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)04-0748-06

通訊作者：張書(shū)豐(1980-)，男，江蘇建湖人，高級(jí)工程師，博士，從事工程項(xiàng)目管理研究；E-mail：myuniqueid@163.com

收稿日期：2015-08-04