復雜地質(zhì)條件下緊鄰地鐵隧道基坑工程支護方案研究

金炯球

(廣東省地質(zhì)災害應急搶險技術中心，廣州 510425)

復雜地質(zhì)條件下緊鄰地鐵隧道基坑工程支護方案研究

金炯球

(廣東省地質(zhì)災害應急搶險技術中心，廣州 510425)

為了解決高巖面地質(zhì)條件下基坑支護方案的選型及鄰近地鐵隧道保護措施的問題，本文提出了基于地層穩(wěn)定性分析結(jié)果的基坑支護方案選型方法。通過一實際工程，介紹了地層穩(wěn)定性分析的具體應用過程，并結(jié)合三維有限元分析方法，研究了采用吊腳樁支護下的基坑工程開挖對周邊地鐵隧道的影響問題。最后利用基坑施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)及鄰近地鐵隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了本文所提出的地層穩(wěn)定分析方法的可行性和高巖面地質(zhì)條件下吊腳樁基坑支護方案對鄰近地鐵隧道保護的有效性。

高巖面；基坑支護；吊腳樁；地鐵保護

所謂的高巖面是指巖層埋深比較淺，巖面位于基坑底面以上的地質(zhì)條件。在這類基坑的支護工程中，基坑上部為土層，下部為巖層，在巖層進行基坑支護需要考慮破巖的經(jīng)濟性。目前，在高巖面地質(zhì)條件下進行基坑支護主要采用吊腳樁的支護形式，即上部土層采用樁+鎖腳錨桿+內(nèi)支撐/錨桿，下部巖層采用巖石錨噴支護的二元結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)充分利用了下部巖層的自穩(wěn)特性，較好地實現(xiàn)了基坑支護的經(jīng)濟性[1]。廣州所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造,水文條件非常復雜，巖土特性多種多樣，在基坑施工過程中，有可能會遇到需要在高巖面地區(qū)進行基坑支護的基坑工程。由于我國城市地下空間的高密度發(fā)展，在高巖面地質(zhì)條件下基坑的開挖還必須考慮對周邊建筑、地鐵線路的影響[3]。

為了解決高巖面地質(zhì)條件下基坑支護方案的選型及鄰近地鐵隧道保護措施的問題，本文提出了基于地層穩(wěn)定性分析結(jié)果的基坑支護選型方法。通過一實際工程，介紹了地層穩(wěn)定性分析的具體應用過程，再配合三維有限元分析方法，研究了采用吊腳樁基坑支護方案下的基坑開挖工程對周邊地鐵隧道的影響問題，為今后高巖面地質(zhì)條件下的基坑開挖方案及鄰近地鐵保護措施的選擇提供借鑒。

1 高巖面地質(zhì)條件下地層穩(wěn)定性分析方法及其應用

在高巖面地質(zhì)條件下進行基坑支護，首先需要了解巖面在基坑邊線附近的起伏狀態(tài)，然后才能針對不同的起伏狀態(tài)，設置相應的吊腳樁長度，這需要了解場區(qū)巖面起伏的情況，尤其是基坑邊線附近是否存在往基坑內(nèi)傾斜的地層，即除了了解巖面的起伏狀態(tài)外，還需要通過地層的起伏狀態(tài)判斷是否存在因基坑施工而產(chǎn)生不同土層之間、或巖與土層之間的往基坑內(nèi)部的整體滑動。整體穩(wěn)定性分析根據(jù)相關勘察報告進行，具體步驟如下：

(1) 利用適當?shù)能浖ぞ?，將位置較分散的鉆孔點所揭示的各地層標高信息插值為連續(xù)鉆孔點的地層標高，形成一定范圍內(nèi)的密集數(shù)據(jù)點信息(包含各點城建坐標、地層標高等)，初步分析地層起伏情況。

(2) 將上述密集數(shù)據(jù)點信息利用三維CAD軟件或其他能夠利用密集數(shù)據(jù)點信息生成起伏曲面的軟件，重建場地高低起伏的地層面，然后以云圖的形式顯示整個地層面的傾角，從整體上評價場地的穩(wěn)定性。

(3) 利用上述密集數(shù)據(jù)點信息或曲面，通過相關軟件的剖面顯示功能，顯示基坑邊線上不同剖面地層的起伏形狀，計算地層傾角，最終評價該剖面上地層的穩(wěn)定性[3]。

通過上述三個步驟，可以計算本項目場地土層、巖層之間交界面的傾角，評價土層、巖層之間相對滑動的可能性，初步評價基坑施工是否對場地整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響?；娱_挖是否對基坑邊線附近地層產(chǎn)生不利影響與地層面的傾角和傾向有關。若地層面傾向為朝向基坑內(nèi)，且傾角大于地層之間的內(nèi)摩擦角，則基坑開挖會引起地層向基坑內(nèi)滑動，支護結(jié)構(gòu)除了受到主動的土壓力以外，還可能受到地層的滑動力；若地層面傾向為朝向基坑外，則基坑開挖不會引起地層向基坑內(nèi)滑動，支護結(jié)構(gòu)受到的土壓力可能會小于主動土壓力。對于基坑地層面傾向朝向基坑內(nèi)，且傾角大于地層之間的內(nèi)摩擦角的基坑邊線，支護結(jié)構(gòu)應該嵌入基坑底以下一定的深度，以提供足夠的被動土壓力，此時不適宜采用“吊腳樁”基坑支護方案。而對于基坑地層面傾向朝向基坑外的基坑邊線，“吊腳樁”則是較佳的方案。

2 工程實例驗證

2.1 工程實例概況及基坑支護方案初步選型

本基坑支護工程項目位于廣州市天河區(qū)林和東路與天河北路交匯處，本項目基坑開挖深度達25 m，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，巖層埋深僅15～20 m，故該項目所在的區(qū)域條件即為高巖面地質(zhì)條件。本項目西側(cè)約8.0 m外為林和東路，距坑邊最近15.5 m處路面下有正在運營的地鐵一號線；基坑東側(cè)有多棟天俊閣(廣東省社會科學研究院)4～8層建筑物，距坑邊最近距離約4.9 m；基坑北側(cè)為天河區(qū)婦幼保健院1～9層建筑，距坑邊最近距離僅1.7 m；基坑南側(cè)約8.0 m(含5.0 m寬人行道外)為天河北路，離規(guī)劃地鐵13號線約25 m。地鐵1號線與基坑支護項目平面關系見圖1。

圖1 地鐵1號線與基坑支護項目平面關系圖

在施工上，如果基坑支護結(jié)構(gòu)采用嵌入基坑底以下一定深度的方案，考慮到高巖面的地質(zhì)條件，要想施工支護結(jié)構(gòu)首先就必須對巖層進行破巖作業(yè)，破巖作業(yè)施工速度慢、施工經(jīng)濟性不好，而且破巖作業(yè)所引起的震動可能會對周邊的地鐵設施產(chǎn)生影響[4]。文獻[5]表明，當基坑與隧道的間距小于3倍隧道直徑時，基坑施工過程中的震動將會對隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成較大的影響，而本工程中，基坑西側(cè)邊線與隧道的距離僅為18 m，隧道寬度為10.4 m，由此可見基坑處的破巖作業(yè)所帶來的震動將會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。綜上所述，在該項目中不宜采用全部嵌入基坑底的基坑支護方案。采用“吊腳樁”的基坑支護方式不需對下部巖層進行過多的破巖作業(yè)，吊腳樁的樁底僅嵌入巖層一部分，而不需要嵌入至基坑底部，大大減少了破巖作業(yè)，而且充分利用了下部巖層的自穩(wěn)性能[6]，因此在該項目的基坑支護中采用了旋挖鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+鎖腳錨桿+基坑下部中、微風化巖坡面噴砼護面的支護方案。

2.2 地層穩(wěn)定性分析

利用勘察報告提供的24個鉆孔資料，將每個鉆孔的廣州城建坐標(x,y)、同一地層頂部高程(z)輸入至三維數(shù)據(jù)可視化軟件Surfer8.0中，然后利用軟件自帶的克立格(Kriging)插值方法，將平面位置分散、空間位置間斷的鉆孔信息(x,y,z)插值為一定范圍內(nèi)密集的等間距網(wǎng)格點，則可直觀顯示各地層的三維起伏形態(tài)，具體插值結(jié)果見圖2。

圖2可以判別基坑邊線周圍的巖面起伏程度，結(jié)合曲面的形狀，可以整體判別巖面是否向基坑內(nèi)傾斜0。通過三維CAD軟件Unigraphics NX的計算，可以獲悉整個場區(qū)微風化細砂巖層頂面傾角絕對值范圍在0～6.05°，巖面起伏程度很小，粉(細)砂巖(4-M)巖層剖面位置見圖3、圖4、圖5。

圖2 場地地層高程云圖

圖3 粉(細)砂巖(4-M)巖層剖面位置

圖4 3-3′剖面

圖5 7-7′剖面

從兩個方向的巖層剖面圖可以看到，場地巖層較為平坦，沒有大幅度的起伏，東西向巖層東高西低，南北向巖層分布平坦，結(jié)合該項目的地質(zhì)報告可知，基坑邊線附近的地層傾角不超過地層間的內(nèi)摩擦角，巖層不會因基坑開挖而產(chǎn)生向基坑內(nèi)的滑移，適宜采用“吊腳樁”的基坑支護形式。

2.3 基坑施工過程的三維有限元分析

對基坑支護方案進行有限元分析，計算過程中的主要荷載包括各土層的重力、地面超載以及基坑周邊建筑物的荷載，并約束有限元模型底部的豎向位移以及側(cè)面的法向位移。有限元模型中的土層參數(shù)參考巖土工程勘察報告，本構(gòu)關系則采用摩爾-庫倫本構(gòu)，各土層參數(shù)及本構(gòu)關系見表1，支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表2。

各土層的彈性模量的取值則根據(jù)巖土工程勘察報告提供的壓縮模量標準值進行換算，結(jié)合已有的工程經(jīng)驗得到。

表1 各土層參數(shù)及本構(gòu)關系

表2 支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

圖6 整體模型有限元網(wǎng)絡

整體有限元網(wǎng)絡見圖6，本模型共有211 896個單元，37 471個節(jié)點。根據(jù)有限元分析的結(jié)果：基坑支護結(jié)構(gòu)東西向位移的量值小于14 mm，南北向位移的量值小于10 mm，基坑支護結(jié)構(gòu)位移值小于現(xiàn)行基坑支護規(guī)程對位移的限值；巖層在東西向和南北向位移的量值均小于3 mm，底部巖層不會發(fā)生滑移，場地穩(wěn)定性良好；各工況中出現(xiàn)的建筑物的傾斜角為0.001 6°，滿足規(guī)范對建筑物傾斜控制的要求；地鐵1號線的沉降最大值為0.018 mm，隧道襯砌受基坑開挖施工引起上抬值為0.278 mm，位移的最大值為2.0 mm，均控制在極小的量值范圍內(nèi)。由此可見，旋挖鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+鎖腳錨桿+基坑下部中、微風化巖坡面噴砼護面的基坑方案滿足要求。

3 基坑支護方案的驗證

根據(jù)基坑施工階段的基坑結(jié)構(gòu)、地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得到基坑施工對鄰近地鐵的影響，并驗證基坑支護方案的安全性。在基坑靠近地鐵的邊線上設置旋挖樁深部位移測點、樁頂沉降和水平位移測點、土體側(cè)向位移測點和地面沉降測點?；游鱾?cè)靠近地鐵線路上的監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 基坑變形監(jiān)測結(jié)果匯總

根據(jù)基坑監(jiān)測結(jié)果可以看到，有些基坑最大變形沒有發(fā)生在靠近地鐵的基坑邊線上，而在各基坑邊線上的變形均滿足有關標準的要求，因此該基坑支護方案在靠近地鐵的基坑邊線上滿足變形要求。

除了考慮基坑的變形，還需要考慮基坑開挖對地鐵1號線的影響。根據(jù)本項目基坑的設計和實際施工情況，以及地鐵公司關于地鐵設施保護的有關規(guī)定，從本項目基坑施工開始直至地下室主體結(jié)構(gòu)施工完成且土體變形穩(wěn)定后，對上述范圍內(nèi)受施工影響的地鐵隧道結(jié)構(gòu)進行自動變形監(jiān)測。通過對地鐵1號線隧道相鄰區(qū)間段實施自動監(jiān)測，準確測量出地鐵隧道結(jié)構(gòu)在三維方向的局部變形和隧道整體的變形值以及變形的準確位置、最大最小值、變形方向和變形速率等，其中主要包括：垂直于隧道方向的水平位移(X)、平行于隧道方向的水平位移(Y)及隧道垂直位移(Z)。

隧道監(jiān)測點采用L型微棱鏡，采用沖擊鉆在隧道側(cè)壁上牢固安裝好棱鏡，并使棱鏡面正對工作基點(即測站點)。監(jiān)測斷面按10 m的間距布置，編號分別為R(L)1～R(L)18；每個監(jiān)測斷面布置4個監(jiān)測點，計72個監(jiān)測點，監(jiān)測點編號分別為R(L)1-1～R(L)1-4，… ，R(L)18-1～R(L)18-4。監(jiān)測點平面布置見圖7，隧道斷面處的監(jiān)測點布置示意圖見圖8，隧道位移及沉降監(jiān)測成果匯總表見表4。

因本工程項目包括隧道左、右兩條線，故根據(jù)隧道具體情況以及地下軌道自動化監(jiān)測的有關技術要求，共布置8個基準點?；鶞庶c根據(jù)現(xiàn)場實際情況布設在隧道南、北兩端不受建設項目施工影響的隧道遠處(離開待測區(qū)域的距離大于30 m)，編號為KZ01～KZ08。由此，有8個基準點的冗余觀測和測量圖形強度控制，完全能保證監(jiān)測的精度優(yōu)于1 mm?；鶞庶c實地布置時除要便于監(jiān)測實施外，還考慮了本場地周邊其他建設項目對基準點穩(wěn)定性的影響情況。

圖9為天譽四期地鐵隧道L10-1監(jiān)測點縱向(X方向)累計位移量散點圖及曲線擬合，可以看到，隨著基坑的開挖隧道累計位移量逐漸增加。監(jiān)測工作從2011年1月8日開始，結(jié)合表5可以看到，隧道累計位移量在土方開挖施工階段增長最快，隨著土方開挖施工階段的結(jié)束，隧道累計位移量趨于穩(wěn)定。

圖7 地鐵隧道監(jiān)測點平面布置圖

圖8 地鐵隧道剖面監(jiān)測點布設示意圖

圖9 天譽四期地鐵隧道L10-1監(jiān)測點縱向(X方向)累計位移量散點圖及曲線擬合

基坑施工進度基坑支護結(jié)構(gòu)施工階段土方開挖施工階段基礎樁及地下室施工階段基坑施工完成后實際工期約60d約280d約215d約90d

根據(jù)地鐵隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以反算地鐵隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。在反算地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)上施加強制位移，即可求得結(jié)構(gòu)由于基坑開挖所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。由于地鐵隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)是在基坑施工過程中測得的，所以用該監(jiān)測數(shù)據(jù)反算出來的結(jié)構(gòu)內(nèi)力就是由于基坑開挖引起的。選用地鐵隧道的4號界面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行內(nèi)力反算，內(nèi)力反算結(jié)果見圖10。

圖10 根據(jù)地鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)反算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

從圖10可以看到，隧道結(jié)構(gòu)在監(jiān)測數(shù)據(jù)下反算結(jié)果中的應力數(shù)據(jù)90%以上都小于2 MPa。部分應力數(shù)據(jù)大于8 MPa，但這是出現(xiàn)在強制位移附近的，強制位移附近會發(fā)生應力集中，但由于隧道的變形是整體性的，而非在某一點上面產(chǎn)生強制位移，故在強制位移施加點附近的應力數(shù)據(jù)不可信。根據(jù)圣維南原理，在離位移施加點足夠遠的地方可以認為隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力就是在監(jiān)測數(shù)據(jù)位移下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。因此，我們可以看到由于基坑開挖而引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是非常小的，可以認為對地鐵隧道影響較小。

從監(jiān)測成果表及變形曲線圖可以看出，在天譽四期項目基坑施工期間，所測地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、垂直位移均較小，累計變形量沒有超過設計及相關規(guī)范中規(guī)定的變形控制值，變形曲線比較平緩。監(jiān)測過程中，沒有出現(xiàn)大量變形、不均勻沉降、嚴重裂縫及滲漏等影響地鐵安全運營的情況，按照地鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)所反算的地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力也較小。

總體來說，在整個基坑施工過程中，地鐵隧道結(jié)構(gòu)受基坑工程施工的影響較小，隧道一直處于相對穩(wěn)定及比較安全的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文通過一實際工程，介紹了地層穩(wěn)定性分析的具體應用過程，再結(jié)合三維有限元分析方法，研究了采用吊腳樁基坑支護方案下的基坑開挖工程對周邊地鐵隧道的影響問題，得到如下結(jié)論：

(1) 對于高巖面的地質(zhì)條件，采用吊腳樁的基坑支護方案可以有效減少破巖作業(yè)，充分利用巖層的自穩(wěn)能力，既可以減少破巖而帶來的施工震動，又能有效控制施工工期和造價，使得施工得到較好的經(jīng)濟性。

(2) 采用吊腳樁基坑支護方案時，應對基坑邊線附近的地層進行地層穩(wěn)定性分析，弄清地層面傾向朝向與傾角，判斷是否適合采用吊腳樁的基坑支護方案。

(3) 根據(jù)天譽四期項目基坑開挖過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地鐵位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看到基坑開挖對地鐵隧道1號線的影響有限。各位移值均在相關規(guī)范中規(guī)定的變形控制值以內(nèi)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)在監(jiān)測數(shù)據(jù)位移下的反算內(nèi)力也較小。說明基坑采用吊腳樁的支護方案，能夠充分利用巖層的自穩(wěn)能力，控制位移。

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STUDY ON FOUNDATION PIT SUPPORT ADJACENT TO SUBWAY RUNNEL

JIN Jiong-qiu

(Technology Center of Guangdong Geological Disaster and Emergency Rescue, Guangzhou 510425,China)

In order to solve the question of foundation pit support selection in high rock surface and adjacent subway tunnel protection, foundation pit support selection method based on formation stability analysis is put forward. Putting a specific engineering as example, this paper introduces formation stability analysis methods and studies the effect to subway runnel of suspending pile supported excavation with three-dimensional finite element analysis method. With monitoring data of excavation and adjacent subway tunnel, this paper verifies the feasibility of formation stability analysis method and effectiveness of subway tunnel protection of adjacent foundation pit support with suspending pile.

high rock surface; foundation pit support; suspending pile; subway tunnel protection

1006-4362(2017)02-0099-07

2017-01-17 改回日期： 2017-02-20

P642

A

金炯球(1965- )男，朝鮮族，吉林和龍人，碩士，總工程師。長期從事巖土工程、水工環(huán)工作。E-mail：jschen.scut@139.com