鄰近深基坑地鐵隧道過大位移及保護措施

陳仁朋,孟凡衍,李忠超,葉躍鴻,胡　琦

(1.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 310058; 2.浙江大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 杭州 310058;3.武漢市市政建設(shè)集團有限公司,湖北 武漢 430023; 4.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

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鄰近深基坑地鐵隧道過大位移及保護措施

陳仁朋1,2,孟凡衍1,2,李忠超3,葉躍鴻1,2,胡琦4

(1.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 310058; 2.浙江大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 杭州 310058;3.武漢市市政建設(shè)集團有限公司,湖北 武漢 430023; 4.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

摘要:以緊鄰寧波地鐵1號線某區(qū)間的深基坑為例,基坑開挖導(dǎo)致鄰近左線隧道產(chǎn)生明顯的位移和變形,局部位置甚至出現(xiàn)滲漏和開裂.結(jié)合現(xiàn)場資料和室內(nèi)試驗,獲得硬化土模型參數(shù),建立基坑和隧道共同作用的三維有限元模型,對比基坑開挖影響下隧道位移計算值與現(xiàn)場實測值,通過探究基坑圍護結(jié)構(gòu)、周圍土體位移規(guī)律,分析并比較基坑分塊開挖、被動區(qū)土體加固以及隔斷墻等幾種典型隧道保護措施的效果.分析結(jié)果表明,基坑分塊開挖對隧道保護具有明顯作用,而被動區(qū)土體加固和隔斷墻對隧道保護效果較差.

關(guān)鍵詞：數(shù)值分析；基坑；隧道；過大位移；分塊開挖

目前,地鐵隧道建設(shè)進入快速發(fā)展時期,建設(shè)規(guī)模越來越大.同時,隨著城市的發(fā)展,鄰近地鐵隧道的工程建設(shè)越來越頻繁,不可避免地會對既有隧道產(chǎn)生影響.地層開挖活動會不同程度地改變地層應(yīng)力狀態(tài)并引起地層變形[1-3].鄰近既有隧道的基坑開挖會使周圍土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放和變形,從而間接導(dǎo)致隧道受力特性改變并產(chǎn)生附加變形,甚至?xí){到隧道安全.另外,軟黏土具有強度低和結(jié)構(gòu)性強等特點,受擾動后工程特性會發(fā)生弱化.因而,修建于軟土地層中的隧道在鄰近基坑開挖影響下往往會產(chǎn)生較大的變形和附加內(nèi)力[4-6].

基坑開挖會對周圍土體產(chǎn)生卸載作用并引起相應(yīng)變形[7-8].同時,作用在隧道結(jié)構(gòu)上的土壓力將發(fā)生變化,引起隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力改變,產(chǎn)生附加變形甚至出現(xiàn)開裂或滲漏等現(xiàn)象.針對基坑開挖對鄰近隧道的影響,許多學(xué)者展開了研究[9-17].通過解析和半解析法并將隧道假設(shè)為彈性梁,Zhang等[9-10]研究了基坑-圍巖-隧道相互作用機理.Ng等[11]通過離心模型試驗研究了干砂地層中地下室開挖對已建隧道的影響,并通過三維數(shù)值分析對試驗結(jié)果進行了驗證.蔡建鵬等[12]從基坑變形預(yù)測曲線出發(fā),提出了基坑開挖對鄰近管線影響的DCFEM法.針對深基坑開挖對鄰近隧道的影響,Huang等[13]利用三維有限元方法研究了隧道與基坑相對位置、隧道直徑、開挖范圍等因素的影響.然而,已有的研究大多為二維平面應(yīng)變模型,而針對實際工程的三維分析模型較少.實際上,基坑開挖會使鄰近隧道產(chǎn)生縱向不均勻變形,導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)受損,而在二維平面中是無法分析體現(xiàn)的.因此,針對基坑開挖引起鄰近隧道變形的三維有限元分析是有必要的.

如何保證基坑開挖影響下的鄰近既有隧道安全穩(wěn)定是工程建設(shè)中的關(guān)鍵問題.為此,相關(guān)學(xué)者研究了分塊開挖、土體加固以及隔斷墻等措施對隧道保護的作用[16-17].Zhang等[9]研究了基坑分塊開挖對地鐵隧道變形的影響,發(fā)現(xiàn)分塊開挖效果較好.然而,針對典型措施對隧道保護有效性的比較分析卻不常見.

結(jié)合現(xiàn)場資料和土體本構(gòu)模型參數(shù)室內(nèi)試驗,本文對某大面積基坑開挖對寧波地鐵1號線某區(qū)間地鐵隧道影響進行了數(shù)值分析研究.根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),驗證了本文數(shù)值分析模型和計算參數(shù)的可靠性；結(jié)合計算獲得的基坑圍護結(jié)構(gòu)和周圍土體位移規(guī)律,比較了包括基坑分塊開挖、被動區(qū)土體加固以及隔斷墻等措施對保護鄰近隧道的作用.

1工程概況

1.1區(qū)間隧道

寧波地鐵1號線是連接寧波東西主城區(qū)的主要線路.如圖1和2所示,區(qū)間雙線隧道總長約746.5 m,雙線隧道軸線間水平距離為12～15 m,拱頂埋深為9～15 m,平均埋深為11.9 m.隧道襯砌內(nèi)外徑分別為5.5 和6.2 m,襯砌環(huán)寬為1.2 m,厚35 cm,每環(huán)管片由6塊管片通過彎螺栓連接而成,管片混凝土強度等級C50.

圖1　基坑與鄰近隧道平面示意圖Fig.1　Plan view of excavation and nearby metro tunnels

左線隧道(緊鄰基坑)自2011年2月28日始發(fā)掘進,至2011年5月30日貫通.右線隧道自2011年7月6日始發(fā)掘進,至2011年11月5日貫通.

1.2鄰近基坑

鄰近基坑位于雙線隧道北側(cè),基坑圍護結(jié)構(gòu)由鉆孔灌注樁結(jié)合兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐組成,混凝土強度等級C30,設(shè)計參數(shù)及空間位置如圖2所示.基坑開挖分為3步：分別開挖至-3.4 、-7.9 和-11.4 m,支撐分別設(shè)置于-2.9 和-7.4 m處.基坑開挖始于2011年12月1日,即約在右線隧道開挖完成1個月后；第2道支撐混凝土澆筑于2012年1月11日完成；隨后,第3層土方開挖時間段為2012年3月11日至29日.

1.3工程地質(zhì)條件

場地屬典型的軟土地層,廣泛分布著海相沉積的厚層軟土,地下水位位于地表以下約1 m.根據(jù)土體基本物理力學(xué)特性室內(nèi)外試驗,包括含水量、密度、旁壓試驗等[18],主要土層的物理性質(zhì)指標如表1所示.表中e0為孔隙比，γ為容重，w為水的質(zhì)量分數(shù)，Ip為塑性指數(shù),K0為靜止側(cè)壓力系數(shù).②1淤泥和②2淤泥質(zhì)黏土呈流塑狀,屬高靈敏度土,具易觸變性,其靈敏度分別為5.4和5.8.區(qū)間盾構(gòu)掘進主要穿越地層包括②1淤泥、②2淤泥質(zhì)黏土、③1粉砂、③2粉質(zhì)黏土夾粉砂和④2粉質(zhì)黏土等.基坑底以下一定范圍內(nèi)為②1淤泥,開挖作用下易發(fā)生明顯的坑底隆起.③1層粉砂為承壓含水層,位于該地層內(nèi)的隧道管片若發(fā)生貫穿裂縫,將不可避免地發(fā)生滲漏水.

圖2　基坑與鄰近隧道相對位置和地層剖面Fig. 2　Cross section of soil stratigraphy and the relative position between excavation and nearby metro tunnels

土層e0γ/(kN·m-3)w/%Ip/%K0①1填土0.9518.534.0—0.50①2黏土0.96618.434.319.90.48①3粉質(zhì)黏土1.34417.148.318.60.62②1淤泥1.55816.555.620.70.66②2淤泥質(zhì)黏土1.38116.949.019.40.62③1粉砂0.73019.125.5—0.35③2粉質(zhì)黏土夾粉砂0.87118.530.011.50.5④1粉質(zhì)黏土0.90818.431.513.10.52④2黏土1.14117.639.218.90.52⑤1黏土0.78119.227.317.30.30

2隧道結(jié)構(gòu)實測變形及破壞

基坑開挖第3步期間(至-11.4 m),左線隧道底部出現(xiàn)縱向裂紋并伴有滲漏水.左線隧道40～414環(huán)管片均不同程度出現(xiàn)受損,包括錯臺加大、滲漏水、管片開裂、盾尾充填油脂滲出等現(xiàn)象.同時,現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明左線隧道發(fā)生了較大變形和位移.基坑開挖第3步期間,左線隧道水平位移增量最大值大小為33.5 mm,發(fā)生在163環(huán)處.第221環(huán)處監(jiān)測到的水平收斂、豎向收斂和沉降增量分別為21.9 、16 和25.3 mm.

3數(shù)值分析模型

采用通用三維有限元軟件PLAXIS 3D進行數(shù)值計算.模型中隧道與基坑相對位置關(guān)系如圖1、2所示.為消除模型范圍對計算結(jié)果的影響[19],計算邊界取基坑4倍開挖深度以外,即模型范圍取360 m×260 m×40 m.模型頂面自由,側(cè)面設(shè)置水平約束,底面設(shè)置固定約束.在計算過程中,初始應(yīng)力生成后和基坑開挖前位移均重置為零.

3.1分析工況

首先進行實際施工情況的模擬(工況1),然后再進行基坑分塊開挖(工況2)、被動區(qū)土體加固(工況3)以及隔斷墻(工況4)3種保護措施的模擬.

工況1：模擬實際施工過程及措施,驗證數(shù)值模型和計算參數(shù)的可靠性.為與現(xiàn)場工況相符,基坑開挖模擬前先進行隧道施工的模擬.

工況2：基坑分塊開挖.分析對基坑開挖第2步和第3步進行縱向分塊,每塊寬約20 m,共分為12塊.

工況3：被動區(qū)土體加固.被動區(qū)土體加固沿鄰近隧道一側(cè)基坑邊進行,加固寬度5 m,深度范圍為基坑底以下8 m,加固于基坑開挖前完成.基于水泥土攪拌樁復(fù)合地基計算方法[20],取水泥土強度Su=1 MPa,加固后的復(fù)合地基彈性模量取120 MPa,有效黏聚力和內(nèi)摩擦角分別取500 kPa和30°.

工況4：隔斷墻加固.隔斷墻設(shè)置于基坑圍護樁和左線隧道中間,平面范圍約為基坑邊界長度的一

半,由Φ800@1 000鉆孔灌注樁組成,樁長30 m.同時,為增加剛度,隔斷樁與基坑圍護樁通過鋼筋混凝土梁連接,其剛度與隔斷樁一致.

3.2材料參數(shù)

表2　土體計算參數(shù)

表3　圍護樁、隧道襯砌和隔斷墻計算參數(shù)

4計算模型驗證

為驗證數(shù)值模型和土體材料參數(shù)的可靠性,本文首先分析了工況1左線隧道拱底水平和豎向位移增量.如圖3(a)所示,圖中Vh為左線隧道水平位移,基坑開挖第3隧道水平位移增量計算值與監(jiān)測值較接近，Y坐標為隧道在基坑縱向上的位置.同時,如圖3(b)所示,圖中Vv別為左線隧道豎向位移,基坑開挖第3步隧道第221環(huán)豎向位移增量計算值和實測值分別為25.3和23 mm,亦十分接近.因此,可以認為數(shù)值模型和材料參數(shù)可靠.另外,隧道水平位移和豎向位移均在基坑開挖范圍中部位置處明顯增大.

圖3　左線隧道水平位移Vh和豎向位移VvFig.3　Horizontal and vertical displacement of left tunnel

5隧道保護措施有效性

5.1圍護結(jié)構(gòu)、周圍土體和隧道水平位移

基坑分塊開挖、被動區(qū)土體加固和隔斷墻等3種措施將會改變基坑圍護結(jié)構(gòu)變形,間接地影響鄰近地鐵隧道.因此,為研究以上幾種措施對保護鄰近地鐵隧道的作用,本文得到了不同措施下基坑開挖完成后B-B斷面上圍護樁側(cè)向位移Vl,H為埋深.如圖4所示,相比其他措施,基坑分塊開挖使得相對深部區(qū)域即約埋深10 m以下區(qū)域的圍護樁側(cè)向位移明顯下降,這將間接地減小鄰近左線隧道的位移.

如圖5所示, 計算得到了不同加固措施下B-B斷面上距坑邊d=0.5H處土體深層側(cè)向位移.明顯地,相比工況1,基坑分塊開挖和被動區(qū)土體加固均不同程度地減小了淺部區(qū)域(左線隧道拱頂以上)土體的側(cè)向位移.在相對深部區(qū)域(約隧道軸線埋深以下區(qū)域),基坑分塊開挖明顯地減小了土體深層水平位移.然而,隔斷墻的設(shè)置明顯地增大了該處土體深層側(cè)向位移,其最大值由84.7 mm增至116.4 mm.這主要是因為位于相對深部區(qū)域的隔斷樁水平側(cè)移量大于原相應(yīng)位置處土體的側(cè)向位移,對其周圍土體產(chǎn)生了“牽引作用”,從而增大了該處土體的深層側(cè)向位移.

圖4　不同措施下B-B斷面上圍護樁側(cè)向位移VlFig.4　Lateral displacement of retaining piles at B-B under different measures

圖5　d=0.5H處土體側(cè)向位移VlFig.5　Lateral displacement of soils at d=0.5H

圖6　不同措施下左線隧道水平位移VhFig. 6　Horizontal displacement of left tunnel under different measures

相應(yīng)地,以上保護措施對基坑圍護樁水平位移規(guī)律的改變將間接影響到鄰近左線隧道.如圖6所示,相比其他措施,基坑分塊開挖有效地抑制了左線隧道的水平位移,這與其對圍護樁和隧道周圍土體側(cè)向位移的抑制作用相關(guān)(圖4和5).具體來看,相比工況1即未采取任何保護措施,分塊開挖使左線隧道水平位移最大值由112 mm降至65.7 mm.以上基坑分塊開挖對控制隧道位移的明顯作用與前人研究結(jié)論一致[9].同時,被動區(qū)土體加固未能有效控制隧道水平位移.然而,隔斷墻卻增大了隧道水平位移,其最大值由112 mm增至137.2 mm,這與其對隧道周圍土體位移的“牽引作用”有關(guān).

5.2地表和隧道豎向位移

圖7　不同措施下B-B斷面上地表豎向位移VvFig.7　Vertical displacement of ground surface at B-B under different measures

類似地,不同保護措施也會改變地表豎向位移規(guī)律.本文分析了以上幾種措施對B-B斷面上地表豎向位移的影響.如圖7所示為計算得到了不同措施下的B-B斷面上地表豎向位移.從圖7中可以發(fā)現(xiàn),相比實際工況(工況1),被動區(qū)土體加固和分塊開挖有效地限制了B-B斷面上地表豎向位移.可能的原因是被動區(qū)土體加固和分塊開挖減小了基坑底部隆起和圍護樁水平位移,從而間接地減小了地表沉降.另外,隔斷墻明顯減小了基坑邊界附近地表豎向位移,包括左線隧道上方地表.

如圖8所示為不同措施下左線隧道豎向位移.從圖8中可以發(fā)現(xiàn),相比其他措施,基坑分塊開挖有效地控制了左線隧道豎向位移,使其最大值由-60.8 mm降至-27.3 mm.另外,被動區(qū)土體加固和隔斷墻降低了左線隧道縱向中部一定范圍的豎向位移.以上現(xiàn)象與加固措施對隧道周圍土體豎向位移抑制作用有關(guān),這點從地表豎向位移變化規(guī)律(圖7)可以看出.

圖9　C處隔斷墻(工況4)和土體(工況1)側(cè)向位移VlFig.9　Lateral displacement of cut-off wall (case 4) and soils (case 1) at C

為研究隔斷墻在控制左線隧道水平位移和豎向位移方面表現(xiàn)出的差異作用,如圖9所示,分析了C處(圖1)隔斷墻(工況4)和土體(工況1)的側(cè)向位移,此即前文中提到的“牽引作用”的來源.從圖9中可以發(fā)現(xiàn),隔斷墻(工況4)在埋深為14.4～24.3 m內(nèi)的側(cè)向位移大于同位置處土體(工況1)的側(cè)向位移.同時,隔斷墻在基坑開挖作用下發(fā)生了明顯的整體水平位移.以上是隔斷墻增大左線隧道水平位移的主要原因.另外,隔斷墻還發(fā)生了較明顯的彎曲,這可能抑制了周圍土體的豎向位移,從而間接地減小了左線隧道的豎向位移.

5.3基坑分塊開挖下隧道位移發(fā)展規(guī)律

為更好地了解基坑分塊開挖引起隧道位移發(fā)展規(guī)律,本文還研究了基坑分塊開挖中每一小步(圖1)引起的隧道水平位移和豎向位移增量.可以發(fā)現(xiàn),如圖10所示,基坑開挖第2步,每塊土體的開挖都會引起一定的隧道水平和豎向位移增量.隨著土體開挖區(qū)域向基坑中部移動,開挖引起的隧道峰值位移也相應(yīng)地向中部移動.這是分塊開挖順序以及每塊開挖變形效應(yīng)累積的結(jié)果.并且,最后一塊(即第6塊)土體開挖引起的水平和豎向位移增量明顯高于其他塊,這與其位置位于基坑中部有關(guān).

圖10　基坑開挖第2步分塊開挖下左線隧道水平位移Vh和豎向位移VvFig.10　Horizontal and vertical displacement of left tunnel under divided excavation during the 2nd excavation step

6結(jié)論

通過數(shù)值分析和現(xiàn)場實測,對軟土地層中基坑開挖對鄰近隧道影響進行了研究.比較了基坑分塊開挖、被動區(qū)土體加固、隔斷墻等幾種措施對隧道保護的效果.主要結(jié)論如下：

(1)采用本文數(shù)值模型和材料參數(shù)分析得到的基坑開挖影響下左線隧道水平位移和豎向位移增量與相應(yīng)實測值十分接近.隧道水平位移和豎向位移均在基坑中部位置明顯增大,此區(qū)域應(yīng)為隧道保護重點區(qū)域.

(2)基坑分塊開挖、被動區(qū)土體加固以及隔斷墻加固對控制隧道位移發(fā)展具有不同的作用.相對而言,基坑分塊開挖對控制鄰近隧道變形具有非常顯著的效果,與Zhang等[9]的研究結(jié)論一致,.

(3)由于過大的整體位移和彎曲變形,隔斷墻減小了鄰近隧道的豎向位移卻增大了其水平位移和徑向位移.隔斷樁的作用因其“牽引作用”導(dǎo)致其應(yīng)用有局限.這一發(fā)現(xiàn)與已有的一些研究結(jié)論[16]有所區(qū)別.

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Considerable displacement and protective measures for metro tunnels adjacent deep excavation

CHEN Ren-peng1,2, MENG Fan-yan1,2, LI Zhong-chao3, YE Yue-hong1,2, HU Qi4

(1.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;3.WuhanMunicipalConstructionGroupCompanyLimited,Wuhan430024,China; 4.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China)

Abstract:Based on a case of a deep excavation adjacent a certain section of Ningbo Metro Line 1, left tunnel suffered considerable displacement and deformation, and cracks and water leakages were observed in certain areas. Combining with field data and laboratory tests, parameters for Hardening Soil model were obtained. Three dimensional finite element analysis (FEA) model considering excavation-tunnel interaction was built. The calculated and field monitored displacement of left tunnel induced by adjacent excavation was compared. Combing with the rule of displacement of retaining structures and surrounding soils, the effectiveness of several typical measures, including divided excavation, soil improvement and cut-off wall, on protecting the existing tunnel was analyzed and compared. The analysis results indicate that divided excavation achieves the most considerable effectiveness on protecting metro tunnel, while the effectiveness of soil improvement at passive zone and cut-off wall is relatively poor.

Key words:numerical analysis; excavation; tunnel; considerable displacement; divided excavation

收稿日期：2015-05-22.浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51225804,U1234204,51478434).

作者簡介：陳仁朋(1972-)，男，教授，從事巖土工程等研究.ORCID: 0000-0001-6968-4955.E-mail: chenrp@zju.edu.cn.通信聯(lián)系人:胡琦,男,副教授. ORCID: 0000-0003-4438-3501.E-mail：huqi@zju.edu.cn.

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.007

中圖分類號：TU 47

文獻標志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)05-00856-08