雙側(cè)基坑施工對(duì)地鐵隧道變形影響分析

沈 璽

(上海軌道交通維護(hù)保障有限公司，上海 200233)

0 引 言

隨著城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的基坑工程施工發(fā)生在地鐵隧道的保護(hù)區(qū)范圍之內(nèi)，這必將對(duì)地鐵隧道的豎向變形和收斂產(chǎn)生不利影響.上海地區(qū)土層條件較差，承壓水位較高[1-2]，基坑開(kāi)挖卸載和降承壓水會(huì)更容易引起臨近地鐵隧道發(fā)生變形并影響運(yùn)營(yíng)隧道的結(jié)構(gòu)安全.

近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)基坑開(kāi)挖影響下隧道的變形進(jìn)行了研究.劉國(guó)彬，等[3]以上海廣場(chǎng)基坑工程為背景,結(jié)合軟土基坑隆起變形的殘余應(yīng)力法和軟土的卸荷模量,探索了利用坑內(nèi)加固和基坑工程的時(shí)空效應(yīng)施工法等措施來(lái)控制基坑下的已建成隧道的上抬變形.李家平[4]以上海雅居樂(lè)廣場(chǎng)淺基坑工程為背景,采用數(shù)值方法分析了地基加固、抗拔樁以及考慮時(shí)空效應(yīng)的分塊、限時(shí)開(kāi)挖等技術(shù)措施以減小下部隧道變形的效果.張治國(guó)，等[5]提出了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道縱向變形影響的一維有限元方程計(jì)算方法.周澤林，等[6]推導(dǎo)了隧道與周圍土體相互作用的有限元耦合平衡方程，引入彈性半空間層狀模型，建立了層狀地基中基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道影響的耦合分析方法.

本研究基于硬化土本構(gòu)模型理論，建立了基坑和隧道的有限元模型，采用流固耦合分析方法對(duì)前階段基坑開(kāi)挖進(jìn)行模擬，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，同時(shí)采用本模型對(duì)后續(xù)基坑施工進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，為基坑后續(xù)施工和地鐵安全保護(hù)提供建議.

1 工程概況

上海前灘大型商業(yè)區(qū)25-1號(hào)地塊位于上海三條線路交匯處，該項(xiàng)目基坑分為南、北兩個(gè)區(qū)域，分別位于地鐵6號(hào)線和11號(hào)線的南北兩側(cè)，基坑開(kāi)挖面積約29 300 m2.其中，南區(qū)開(kāi)挖面積約29 000 m2，根據(jù)地鐵保護(hù)相關(guān)要求，共分為8個(gè)小坑分別開(kāi)挖，該側(cè)基坑普遍挖深約14.5 m，基坑外側(cè)采用1 m厚地墻進(jìn)行圍護(hù)，墻深45 m，基坑內(nèi)側(cè)隔墻采用0.8 m厚地墻，墻深30 m；北區(qū)開(kāi)挖面積約10 300 m2，基坑普遍挖深在11.2 m，共分7個(gè)小坑進(jìn)行開(kāi)挖，同樣采用0.8 m厚地連墻圍護(hù)，地墻深度為24 m，地墻外又采用厚0.8 m、深38 m的TRD進(jìn)行止水.

該項(xiàng)目基坑開(kāi)挖面積大，且兩側(cè)基坑距離地鐵11號(hào)線隧道最近皆在10 m左右，其施工極有可能對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響，因此該基坑等級(jí)為特級(jí).根據(jù)地鐵監(jiān)護(hù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在項(xiàng)目南區(qū)1b基坑和北區(qū)1基坑開(kāi)挖期間，鄰近地鐵的最大豎向變形量約為1 cm，隧道的最大收斂變形達(dá)到將近2.5 cm，皆發(fā)生在圖1中的斷面Ⅰ處，該處地鐵6號(hào)線為矩形隧道，地鐵11號(hào)線為單圓隧道，隧道頂埋深約為13.5 m，(見(jiàn)圖2).

根據(jù)勘察成果和相關(guān)資料，本場(chǎng)地位于上海典型古河道分布區(qū)，分布有較厚的⑤2-1砂質(zhì)粉土層和⑤2-2層粉砂層，這兩層為承壓含水層，滲透性相對(duì)較好，項(xiàng)目施工期間微承壓水位約為地面下6 m.本場(chǎng)地第⑧層相對(duì)隔水層缺失嚴(yán)重，因此第⑦層和第⑨層承壓含水層連通較為普遍，承壓水位也在地下約6 m左右.本場(chǎng)地的典型工程地質(zhì)剖面(見(jiàn)圖3).

圖1 基坑項(xiàng)目與地鐵相對(duì)位置關(guān)系(A線—6號(hào)線，B線—11號(hào)線，C線—8號(hào)線)

圖2 斷面Ⅰ處隧道與基坑剖面相對(duì)位置關(guān)系

圖3 場(chǎng)地典型工程地質(zhì)剖面

2 模型建立與分析驗(yàn)證

2.1 硬化土本構(gòu)模型

硬化類彈塑性本構(gòu)模型采用帽子屈服面，以塑性體應(yīng)變?yōu)橛不瘏?shù)，能較好地描述黏性土在破壞之前的非線性和依賴于應(yīng)力水平或應(yīng)力路徑的變形行為，HS模型是典型的硬化類彈塑性模型[7-10].HS模型假設(shè)三軸排水試驗(yàn)的剪應(yīng)力q與軸向應(yīng)變?chǔ)?成雙曲線關(guān)系，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(見(jiàn)圖4).

圖4 HS模型關(guān)于三軸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

(1)

式中：σ3—三軸試驗(yàn)中的圍壓；

m—?jiǎng)偠人揭蕾噧缰笖?shù)，根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，粘性土中m取0.8，砂性土中m取0.5.

因此，HS模型不僅可以反映土體的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，還能反映巖土工程復(fù)雜的應(yīng)力路徑，適合于多種土類(軟土和較硬土層)的破壞和變形行為的描述.

2.2 模型建立

采用巖土工程專用軟件Midas GTS NX對(duì)隧道變形最大的斷面Ⅰ進(jìn)行建模.考慮本研究的主要對(duì)象為地鐵隧道，而南區(qū)1b基坑較大，因此，對(duì)南區(qū)1b基坑采取對(duì)稱建模的方式，北區(qū)基坑采用全斷面建模，并向外延伸2倍開(kāi)挖深度以外，模型水平向尺寸為240 m，豎向選取100 m深度進(jìn)行建模研究.

模型邊界分為位移邊界和水頭邊界兩種.其中，位移邊界需要約束模型底部?jī)蓚€(gè)方向位移和模型側(cè)向的水平方向位移，水頭邊界需要根據(jù)第⑤2層微承壓含水層和第⑦、第⑨承壓含水層的觀測(cè)平均水位定義其水頭邊界，即為地面以下6 m.模型及網(wǎng)格劃分(見(jiàn)圖5).根據(jù)勘察成果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再結(jié)合上海地區(qū)HS本構(gòu)參數(shù)取值經(jīng)驗(yàn)，確定土體的HS本構(gòu)模型參數(shù)(見(jiàn)表1)[11-12].

表1 土體HS本構(gòu)計(jì)算參數(shù)

圖5 模型及網(wǎng)格劃分

2.3 模型驗(yàn)證

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，可將本基坑之前施工工況分為三個(gè)階段，各階段的主要工況信息(見(jiàn)表2).其中第1階段場(chǎng)地還未進(jìn)行開(kāi)挖，但受南側(cè)其他施工地塊降水的影響，本場(chǎng)地內(nèi)水位模擬場(chǎng)地承壓水位隨之受到影響，南邊界承壓水位變化(見(jiàn)圖6)，在模擬中可控制該階段的南側(cè)邊界水位變化來(lái)實(shí)現(xiàn).

表2 各階段工況信息匯總表

圖6 第一階段模擬場(chǎng)地南邊界承壓水位變化情況

項(xiàng)目先進(jìn)行南1b區(qū)基坑施工，基坑分三層土開(kāi)挖，在開(kāi)挖第二層土?xí)r就開(kāi)始降第⑤2層微承壓水，基坑施工過(guò)程中該層最大水位降深約7 m.待南1b區(qū)基坑底板形成之后，北1區(qū)基坑開(kāi)始施工，基坑分二層土開(kāi)挖，開(kāi)挖第二層時(shí)進(jìn)行⑤2層微承壓水降水，基坑開(kāi)挖到底時(shí)該位置承壓水降深約3 m.三個(gè)階段結(jié)束后場(chǎng)地的豎向變形云圖(見(jiàn)圖7).

為了驗(yàn)證基坑開(kāi)挖對(duì)隧道變形影響模擬分析的合理性，將模擬所得的隧道沉降和收斂歷時(shí)曲線與實(shí)測(cè)對(duì)比，圖8和圖9分別為各階段11號(hào)線上行線沉降和收斂模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比.從圖中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好；由于基坑位于隧道側(cè)上方進(jìn)行開(kāi)挖，因此隧道沉降整體呈上抬趨勢(shì)；在階段2中，在南1b基坑開(kāi)挖前期未降承壓水，11號(hào)線上行線上抬較為明顯，后期將承壓水時(shí)豎向變形稍有回落；階段3后期隧道上抬明顯是由項(xiàng)目暫時(shí)結(jié)束承壓水降水從而引起承壓水位上抬造成的；隧道的收斂受承壓水水位的變化不明顯，其隨著基坑的開(kāi)挖一直呈增大的趨勢(shì)，11號(hào)線上行線目前實(shí)測(cè)收斂已將近3 cm.

圖7 開(kāi)挖完成時(shí)場(chǎng)地的豎向變形云圖

圖8 11號(hào)線上行線隧道沉降模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

圖9 11號(hào)線上行線隧道收斂模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

3 基坑下階段施工引起的隧道變形預(yù)測(cè)

現(xiàn)階段該項(xiàng)目?jī)H遠(yuǎn)離地鐵的南1b和北1大區(qū)基坑施工完成，而近地鐵側(cè)的北4區(qū)和南3b區(qū)還未進(jìn)行施工.根據(jù)后續(xù)施工安排，本項(xiàng)目先進(jìn)行北4區(qū)開(kāi)挖，再進(jìn)行南3b區(qū)開(kāi)挖.為了預(yù)測(cè)分析11號(hào)線盾構(gòu)隧道在后續(xù)基坑施工過(guò)程中的變形情況，在此采用上一節(jié)經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的模型對(duì)隧道的后續(xù)沉降和收斂變形進(jìn)行了預(yù)測(cè).

圖11和圖12分別為北4區(qū)和南3b區(qū)基坑開(kāi)挖期間地鐵11線隧道豎向變形和收斂變化曲線.從圖中可以看出，兩個(gè)近地鐵基坑開(kāi)挖引起的11號(hào)線隧道最終豎向抬升約5 mm，11號(hào)線收斂變形增大約8 mm；北4區(qū)在開(kāi)挖第二層土?xí)r開(kāi)始降承壓水，南3b區(qū)在開(kāi)挖第三層土?xí)r開(kāi)始降承壓水，因此隧道的豎向變形和收斂曲線受承壓水降水影響稍有波動(dòng).

根據(jù)上海市軌道交通安全保護(hù)區(qū)暫行管理規(guī)定[13]，在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的工程活動(dòng)引起隧道變形不能超過(guò)20 mm，而本基坑在前期遠(yuǎn)區(qū)施工期間，已造成11號(hào)線收斂變形達(dá)到約28 mm，預(yù)測(cè)在后續(xù)近地鐵基坑施工期間，有將增加8 mm收斂變形，大大超出了地鐵保護(hù)的要求，需要在下階段施工之前，對(duì)隧道采收斂變形進(jìn)行糾正并采取一定的保護(hù)措施，比如在隧道內(nèi)通過(guò)注漿孔對(duì)隧道進(jìn)行注漿加固等，并控制好后續(xù)施工的施工質(zhì)量，必要時(shí)在基坑降承壓水階段，對(duì)臨近地鐵側(cè)坑外采取回灌措施.

圖10 開(kāi)挖結(jié)束時(shí)場(chǎng)地的豎向變形云圖

圖11 后續(xù)施工中11號(hào)線豎向變形預(yù)測(cè)

圖12 后續(xù)施工中11號(hào)線收斂變形預(yù)測(cè)

4 結(jié) 論

本研究基于上海前灘大型商業(yè)區(qū)25-1號(hào)地塊的鄰近地鐵基坑工程，采用流固耦合分析模型對(duì)工程降水及基坑開(kāi)挖影響下地鐵隧道的沉降和收斂進(jìn)行了分析，并對(duì)后續(xù)施工進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，得到了以下主要結(jié)論：

(1)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了本模型在模擬基坑施工造成的鄰近隧道變形分析中的適用性，從而為項(xiàng)目后期分析及類似工程項(xiàng)目分析預(yù)測(cè)提供了參考.

(2)基坑位于隧道側(cè)上方開(kāi)挖時(shí)，由于卸載引起的坑底回彈會(huì)造成隧道豎向抬升，而降深層承壓水會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生沉降，因此該隧道豎向變形隨施工工況波動(dòng)較明顯.

(3)根據(jù)當(dāng)前南1b區(qū)和北1區(qū)基坑開(kāi)挖施工下B線隧道收斂將約28 mm，需及時(shí)采取隧道內(nèi)注漿或隧道外側(cè)注漿等方式對(duì)隧道進(jìn)行修復(fù)加固.

(4)預(yù)測(cè)后續(xù)北4區(qū)和南3b隧道基坑施工期間，如果不采用保護(hù)措施，隧道收斂將持續(xù)增大約8 mm，累計(jì)收斂將達(dá)到近38 mm，會(huì)對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)一定的隱患.因此建議應(yīng)先對(duì)隧道進(jìn)行注漿修復(fù)，再進(jìn)行基坑施工，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，特別是坑底回彈量和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形.