上軟下硬地層基坑開挖對下部雙線隧道的影響研究

李 毅

(四川大學規(guī)劃建設(shè)處，四川 成都 610000)

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上軟下硬地層基坑開挖對下部雙線隧道的影響研究

李 毅

(四川大學規(guī)劃建設(shè)處，四川 成都 610000)

以青島某建筑工程深基坑下部存在既有地鐵雙線隧道工程為例,采用有限差分法計算軟件，分析了基坑支護形式及開挖方案對隧道的影響規(guī)律，并探討了支護結(jié)構(gòu)的變形特征，得出的結(jié)論為工程的順利施工提供了依據(jù)。

深基坑，支護形式，既有隧道，注漿加固

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，在有限的城市空間中建設(shè)高層建筑不可避免與既有工程發(fā)生沖突。建筑深基坑穩(wěn)定性是保證上層建筑安全的決定性因素，在復雜的地質(zhì)環(huán)境中，采取有效、可靠的保證措施是至關(guān)重要的[1-3]。城市規(guī)劃與經(jīng)濟發(fā)展速度總有一定矛盾存在，深基坑開挖也會遇到下部存在既有隧道的情況，在盡可能降低工程造價的前提下增強基坑支護形式，采取合理的加固措施，保證兩者結(jié)構(gòu)在施工階段均保持安全，是重中之重[4-6]。

趙俊等[7]對復合地層中基坑開挖對下臥隧道結(jié)構(gòu)的變形進行了分析，得出基坑寬度與隧道直徑的比例是影響盾構(gòu)隧道變形的關(guān)鍵因素；汪小兵等[8]研究了基坑開挖對下部隧道的影響因素，得出了基坑分段開挖可有效控制隧道變形；張啟斌等[9]結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析了基坑開挖對下方鐵路隧道的影響規(guī)律，應(yīng)用“電水平尺”監(jiān)測了施工擾動下的隧道變形特征；戚長軍等[10]采用三維數(shù)值模擬手段分析了基坑開挖對既有隧道的影響，發(fā)現(xiàn)基坑采用不同步序開挖可有效控制隧道變形。不難看出，國內(nèi)對基坑開挖工程中臨近側(cè)或下部存在隧道的情況有了一些研究，但針對上軟下硬地層采用不同支護方式下，隧道與基坑共同變形的研究較少。文章結(jié)合青島某建筑深基坑下部存在既有雙線隧道的工程為例，采用數(shù)值模擬手段分析不同支護形式及底部處理措施下的隧道及基坑變形規(guī)律，得出的結(jié)論可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

青島市某建筑深基坑位于李滄區(qū)，基坑平面形狀為方形20 m×20 m見開，深度為14 m。支護方案預采用兩種形式：1)地連墻+橫支撐支護形式，地連墻厚度600 mm，深度17 m，第一道支撐采用混凝土支撐，第二道支撐采用型鋼支撐，距混凝土支撐7 m；2)鉆孔灌注樁形式，參數(shù)為φ1.0 m@1.5 m，樁身長度為18.5 m，止水帷幕采用樁間咬合形式，直徑為800 mm；基坑第一道支撐為混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×1 000 mm，第二道為型鋼支撐，距離地面6.0 m，第三道型鋼支撐距地面10.5 m。下部盾構(gòu)隧道已施工完成，隧道外直徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，兩隧道距離7 m，拱頂距基坑底部9 m。工程概況簡圖見圖1。

基坑開挖范圍內(nèi)主要以雜填土(厚度2 m)、粉質(zhì)粘土(厚度4 m)、粘性土(厚度5 m)及強風化花崗巖(厚度10 m)為主，強風化花崗巖裂隙較發(fā)育，節(jié)理面呈暗紅色，平均強度21 MPa左右，基坑下部隧道穿越范圍內(nèi)主要以中風化花崗巖為主，強度在60 MPa以下，勘察期間無地下水，具體地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)

2 基坑開挖對隧道影響機理

在一定程度上，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)對地層是一種加固效果，可改善土體的不良性質(zhì)。上部基坑開挖時，坑內(nèi)土體移走引起地層應(yīng)力釋放，下部土體在上部約束力缺失的情況下，同樣向上發(fā)展。先期固結(jié)壓力的消失，帶動底部土體位移發(fā)展。隧道結(jié)構(gòu)由圓形向橢圓形發(fā)展，結(jié)構(gòu)的變形進一步增加土體的變形，導致圍護結(jié)構(gòu)周邊土體的彈性抗力增加，造成支護結(jié)構(gòu)水平位移改變，降低或增加基坑內(nèi)部支撐的軸力值(見圖2)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

考慮基坑及隧道尺寸，為了真實反映基坑開挖過程中周邊地層的變形規(guī)律，將模型的寬度設(shè)定為基坑寬度的5倍，即模型寬100 m，模型高度定為80 m，縱向方向定為80 m。模型共85 520個單元，215 560個節(jié)點。邊界條件為：計考慮地面車輛荷載，在模型上邊界施加均布荷載30 kN；四周邊界條件為水平連桿連接；底部為固定鉸支座連接(見圖3)。

土層按地質(zhì)資料概化為五層，初步計算參數(shù)按表1確定。假設(shè)材料服從摩爾—庫侖準則[9]，基坑圍護結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)均采用實體單元，地連墻、圍護樁與周邊土體之間設(shè)置接觸面(Interface單元)，樁間旋噴采用Liner單元，盾構(gòu)管片采用實體單元，盾構(gòu)逐漸加固采用Shell單元模擬。

3.2 鉆孔灌注樁支護形式基坑開挖模擬

該方案下基坑支護形式為灌注樁+內(nèi)支撐的支護形式，為降低基坑開挖對下部盾構(gòu)的影響，基坑分層開挖深度為3 m。在模擬過程中，先施工圍護樁和第一道混凝土支撐，將模型運行最大不平衡力為0。開挖第一層土體至地表以下3 m，將模型運行至最大不平衡力為0，以此類推直至開挖至基坑底部。圖4為該方案下基坑開挖到底部的豎向位移云圖，可以看出：1)基坑豎向位移呈對稱分布，側(cè)墻位置豎向位移較小，基坑底部豎向位移較大；2)基坑支撐連同圍護結(jié)構(gòu)均發(fā)生下沉，支撐中間位置豎向位移較大，是支撐的危險位置；3)基坑底部隆起明顯，最大隆起值為22 mm，基坑底角位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中；4)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變形，由原來的圓形發(fā)展為橢圓形。

3.3 地連墻支護形式基坑開挖模擬

如圖5所示為地連墻支護形式下基坑開挖引起的下部隧道及周邊地層的豎向位移。在模擬中首先定義地連墻的剛度及深度和內(nèi)支撐的材料參數(shù)，將模擬運行至最大不平衡力為0。基坑每層開挖深度不大于4 m，將模型運行至不平衡力小于設(shè)定值，根據(jù)豎向位移云圖可知：1)整體來看，地層豎向位移變化規(guī)律呈對稱分布，地連墻兩側(cè)土體出現(xiàn)下沉趨勢，坑底出現(xiàn)隆起；2)地連墻與基坑底部相連位置應(yīng)力集中明顯，且第二道支撐發(fā)生下沉位移；3)基坑底部土體卸荷引起下部隧道豎向變形，坑底隆起量小于灌注樁支護形式；4)地連墻支護形式能較好的隔斷基坑下部土體的聯(lián)系，阻斷土體應(yīng)力傳遞，在土體卸荷后，兩側(cè)土體應(yīng)力大部分直接作用在圍護墻上，降低了坑底土體隆起量。

3.4 坑底注漿加固方案

針對兩種方案開挖下基坑底部土體回彈問題，為限制隆起變形量，增加既有隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采取在坑底注漿加固的措施。為保證工程造價的經(jīng)濟性，選擇在基坑底部進行注漿加固的措施，圖6為注漿加固范圍為2 m和4 m時底部塑性區(qū)范圍?？梢钥闯觯?)注漿加固范圍為2 m時，底部塑性區(qū)范圍較大，拱頂塑性區(qū)未有明顯減少；2)注漿加固范圍為4 m時，底部塑性區(qū)出現(xiàn)明顯降低，隧道拱頂及支護墻底部塑性區(qū)減少；3)底部注漿加固范圍增加至4 m時，基坑底部土體對圍護結(jié)構(gòu)的支護抗力明顯提高，基坑及隧道安全性得到提高。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

根據(jù)上文分析可知，采用地連墻及底部注漿加固范圍為4 m時，基坑結(jié)構(gòu)及已建成的隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，地層塑性區(qū)較少且基坑隆起量小。實際施工中采用模擬確定的方案進行施工，即采用地連墻和底部注漿4 m的方案?，F(xiàn)場施工過程中，全過程采集基坑支護結(jié)構(gòu)的水平變形及坑底隆起變化值，并在隧道內(nèi)部拱頂位置布設(shè)監(jiān)測點。如圖7所示為地連墻水平變形和坑底隆起變形的模擬與實測曲線對比圖，可以看出：1)模擬曲線與實測曲線較吻合，變形規(guī)律相同，在基坑深度中間位置水平位移最大，整體呈“S”型；2)地連墻水平位移模擬最大值為13.0 mm，實測最大值為14.5 mm。分析原因，數(shù)值模擬無法真實模擬現(xiàn)場施工過程中的人員、機械走動荷載，且粘土層存在一定的蠕變特性，在模擬中無法充分考慮，造成模擬值小于實測值；3)基坑底部隆起值模擬結(jié)果大于實測結(jié)果，模擬隆起值6.5 mm，實測隆起值4.5 mm。地層定義的為摩爾—庫侖材料，是一種彈塑性材料，在上部土體卸荷后，材料極易出現(xiàn)回彈，且實際施工過程中，施工機械及人員走動會限制底部土體隆起程度。

5 結(jié)語

基坑施工對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次擾動，在下部土體存在已有構(gòu)筑物的情況下，上部土體卸荷會改變地層的應(yīng)力、位移場。施工之前，應(yīng)針對地層地質(zhì)特征，制定經(jīng)濟可行、加固效果明顯的方案。本文得出的結(jié)論與建議主要如下：

1)基坑內(nèi)部土體的卸荷造成坑底先期固結(jié)壓力的消失，造成土體隆起，帶動下部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，可采取改變圍護結(jié)構(gòu)形式及坑底注漿的形式消除影響。

2)基坑采用地連墻支護方案對基坑加固效果較鉆孔灌注樁的形式好，兩種方案下引起的坑底隆起范圍差異較大，考慮塑性區(qū)面積、結(jié)構(gòu)位移等指標，地連墻支護形式最佳。

3)坑底注漿加固可有效降低坑底塑性區(qū)面積，且在保證經(jīng)濟性的條件下，將注漿范圍增加至4 m，坑底土體性質(zhì)可明顯改善。

4)結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，排除實際施工過程中不可抗拒的因素，模擬值與實測值較為吻合，在實際施工中應(yīng)密切觀測圍護結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)變形速率，必要時采取加固措施。

[1] 王建秀,鄒寶平,付慧仙,等.超大直徑盾構(gòu)下穿保護建筑群地面沉降預測[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013(5):98-104.

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Study on influence of excavation of pit on deformation of underlying tunnel in upper soft and lower hard stratum

Li Yi

(Planning and Construction Department of Sichuan University, Chengdu 610000, China)

Taking the double-line subway tunnel of existing subway under the deep foundation pit of some building in Qingdao as the example, the paper adopts the finite difference method, analyzes the influence law of the support form and excavation scheme on the tunnel, explores the deformation features of the support structure, and achieves some conclusions, so as to provide some reference for the construction of the tunnel.

deep foundation pit, support form, existing tunnel, grouting and consolidation

1009-6825(2017)12-0178-03

2017-02-14

李 毅(1963- )，男

U231.3

A