黃土地區(qū)基坑開挖對下臥變截面地鐵隧道影響數(shù)值分析

賀希英，高 強，張曉光，賈 陽，焦奔康，饒 偉

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 510010)

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，在已運營地鐵沿線附近開展工程活動變得日趨頻繁，而在地鐵隧道沿線上方開挖基坑，會由于卸載作用，引起坑內(nèi)土體回彈，同時因為土體的變形也定將引起隧道位移場及應(yīng)力場產(chǎn)生變化。隨著隧道變形不斷增加，可能會產(chǎn)生接縫漏水等現(xiàn)象，嚴重的變形將導(dǎo)致地鐵無法正常安全運營，所以變形控制對于運營中的地鐵影響極為嚴重，特別是對于不同施工方法地鐵隧道結(jié)構(gòu)而言，變形否得到很好地控制是衡量工程成敗的重要關(guān)鍵。所以對變形準確有效地預(yù)測及控制就成為地鐵隧道工程成功的關(guān)鍵。近年來學(xué)者們也不斷對此類問題進行討論，文獻[1-14]主要根據(jù)在建工程及地鐵隧道運營期間各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合數(shù)值模擬及經(jīng)驗分析，提出施工改進措施以降低基坑施工對隧道變形的意向。文獻[15]以緊鄰上海某地鐵車站的基坑工程為背景，建立三維數(shù)值分析模型模擬基坑開挖工程，結(jié)果與實測基本吻合，并詳細討論了控制既有車站變形的幾項施工措施。文獻[16]以上海地鐵一號線變形控制為基準，采用有限元數(shù)值分析手段，研究了新世界商貿(mào)中心深基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，并依據(jù)計算結(jié)果對深基坑的設(shè)計與施工提出指導(dǎo)性意見。但由于巖土介質(zhì)和基坑工程邊界的復(fù)雜性，很難通過解析法準確求解基坑開挖對其下隧道的影響，并對可能出現(xiàn)的情況做出預(yù)判。本文依托東環(huán)廣場建設(shè)項目建設(shè)實際，針對深基坑開挖對下臥運營西安地鐵1號線變截面區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)的影響機制，采用FLAC3D建立三維模型模擬基坑開挖工程，分析了隧道頂部基坑降水，基坑分部開挖條件下，地鐵結(jié)構(gòu)的變形和受力變化特征，研究結(jié)果為黃土地區(qū)類似工程提供了指導(dǎo)意義。

1 研究背景

1.1 工程概況

西安東環(huán)廣場建設(shè)項目地上由塔樓和裙房組成，主屋面高度179.8 m，主屋面高度為38.20 m，其中塔樓41層(局部43層)，裙房7層(局部8層)；基坑開挖長度126 m，寬度57 m，裙樓部分基坑挖深8.2 m(Ⅰ區(qū))，主樓開挖至12.6 m(Ⅱ區(qū))，核芯筒部分開挖至13.4 m(Ⅲ區(qū))。如圖1所示，Ⅰ區(qū)基坑位于運營地鐵隧道1號線正上方，隧道截面形式由盾構(gòu)斷面逐漸變型到礦山法施工馬蹄形斷面，其中馬蹄形斷面寬度9.0 m，高度約9.2 m，初期支護0.3 m，全斷面支護，二次襯砌為C40防水混凝土，厚度0.55 m；馬蹄形斷面與盾構(gòu)斷面過渡段寬度10 m，高度約10.2 m，初期支護0.3 m，全斷面支護，二次襯砌為C40防水混凝土，厚度0.45 m；盾構(gòu)隧道建筑界限內(nèi)徑6 m，管片壁厚0.3 m。裙樓和主樓基礎(chǔ)樁直徑都為1 m，裙樓防水板厚0.6 m，主樓筏板厚度為1.8 m，礦山法斷面與盾構(gòu)區(qū)斷面接頭區(qū)在盾構(gòu)區(qū)在盾構(gòu)端實施旋噴樁加固。裙樓和主樓基礎(chǔ)樁直徑都為1 m，裙樓防水板厚0.6 m，主樓筏板厚度為1.8 m。其中地鐵隧道與基礎(chǔ)底板之間的關(guān)系如圖2所示。可見，隧道結(jié)構(gòu)地層下平均埋深約16 m，其中防水板底部距離隧道頂部垂直距離最小處約8.7 m，非垂直距離最小處約4.6 m。

圖1 基坑與地鐵隧道平面關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)條件

項目所在場地位于近氵產(chǎn)河附件區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，勘探點孔口高程介于403.29 m～404.57 m，地面最大高差1.28 m。場區(qū)地層在60.0 m深度范圍內(nèi)主要由：①雜填土(層厚3.6 m～5.1 m，層底埋深3.6 m～5.1 m)；②黃土狀粉質(zhì)黏土(層厚0.2 m～0.9 m，層底埋深4.4 m～5.7 m)；③卵石(層厚12.1 m～14.0 m，層底埋深16.9 m～19.2 m)；④粉質(zhì)黏土層厚(13.6 m～18.0 m，層底埋深32.3 m～35.5 m)；⑤卵石(層厚2.9 m～5.1 m，層底埋深36.5 m～37.8 m)；⑥粉質(zhì)黏土(層厚2.8 m～6.9 m，層底埋深40.2 m～41.1 m)；⑦卵石等地層(最大揭露厚度19.8 m，相應(yīng)孔深60.0 m)構(gòu)成。地下水屬潛水類型，其穩(wěn)定水位埋深為8.90 m～10.60 m，相應(yīng)標高為394.55 m～394.66 m。勘察期間，地下水穩(wěn)定水位埋藏深度范圍在8.90 m～10.60 m，建筑物基坑開挖最大深度約13.40 m?？梢娪捎诠こ虉龅胤秶鷥?nèi)存在滲透系數(shù)較大的卵石層，場地地下水位較高，場址距離氵產(chǎn)河較近，地下水力聯(lián)系較強，因此給工程降水的有效性增添了一定的不確定因素；由于隧道上部基坑開挖，隧道由深埋轉(zhuǎn)變?yōu)闇\埋，隧道在受力特性、管片襯砌的配筋情況、以及隧道周邊地層塑性區(qū)發(fā)展情況等方面存在明顯的差異，可能會引起既有隧道的隆起變形與裂縫的開展。

2 基坑施工全過程動態(tài)模擬分析

2.1 模擬分析工況

由于本文計算模型中隧道一直埋深地下平均水位以下，計算主要考慮兩種工況，其一是基坑開挖前降水對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，實體工程實施基坑周邊井點降水，數(shù)值分析過程中首先通過設(shè)置位移和孔隙水壓力邊界條件，實現(xiàn)地層原始應(yīng)力和孔隙水壓力初始化，使得模型整體達到初始平衡，然后利用fish函數(shù)實現(xiàn)逐步抽水，并根據(jù)基坑深度模擬不同降深。其二是基坑開挖卸荷過程對地鐵結(jié)構(gòu)的影響, 具體計算過程是：(1) 基坑全區(qū)開挖至3.5 m；(2) 基坑全區(qū)開挖至4.5 m；(3) 基坑Ⅰ區(qū)開挖至8.2 m；(4) 基坑Ⅱ區(qū)開挖至12.6 m；(5) 基坑Ⅲ區(qū)開挖至13.4 m。

2.2 計算模型及參數(shù)

根據(jù)以上的基坑開挖面積深度，數(shù)值計算時采用的模型尺寸如圖3所示。模型長225 m，寬158 m，為了邊界約束方便，在左上角沿著垂直隧道軸線方向截取一塊(見圖3)。模型建立過程中，地鐵隧道采用shell結(jié)構(gòu)單元，土體采用Mohr-Coulomb彈性—完全塑性模型，采用“空單元”來模擬基坑開挖，根據(jù)實際基坑開挖施工工況將其抽象為數(shù)值分析所采用的施工步，同時假設(shè)受基坑開挖影響，土體深度80 m以內(nèi)土層產(chǎn)生回彈變形且如圖3(a)所示平面區(qū)域內(nèi)土體自重對基坑及下部已建地鐵隧道變形影響顯著；隨后將所有的土體與結(jié)構(gòu)物離散為網(wǎng)格，并定義這些網(wǎng)格的起始施工步和終止施工步，起止施工步的不同也就體現(xiàn)了不同區(qū)域的開挖和構(gòu)筑物的建筑情況。計算參數(shù)均為室內(nèi)試驗和施工中提供的參數(shù)，土體計算參數(shù)由現(xiàn)場勘查提供，如表1所示。隧道結(jié)構(gòu)襯砌單元彈性模量E0取30 GPa，泊松比υ取0.18，法向剛度Kn和切向剛度Ks取606 kPa。圖4是地鐵隧道和基坑在數(shù)值模型中的空間關(guān)系。

表1 土體參數(shù)取值

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑降水的影響分析

圖5是截取的某一地層豎向變形剖面，從圖5中可以看出由于隧道的剛性作用，隧道兩側(cè)土體的豎向變形較隧道處土體大。圖6是基坑降水引起的隧道豎向變形云圖，從圖6中可以看到，降水后隧道襯砌的豎向變形從5 mm增大到9 mm，也就是說，由于降水沉降引起的隧道豎向變形量約為4 mm。從圖6中還可以看出，隧道豎向變形發(fā)生的大部分產(chǎn)生于馬蹄形隧道拱頂，這可以用馬蹄形隧道相對于盾構(gòu)隧道在基坑范圍內(nèi)的長度大的原因來解釋。表2反映了基坑降水過程對地層及地鐵結(jié)構(gòu)的整體影響，由表2表明抽水時產(chǎn)生滲流，滲透力的作用會使得土體壓密，即滲流壓密效應(yīng)，產(chǎn)生土體沉降。由于該項目由于降水的變動范圍位于卵石層，降水后變形不會太大，降水后地面變形僅僅有6 mm。水位下降后土體有效應(yīng)力增加，相應(yīng)的地鐵上覆荷載會增加，因此會引起地鐵隧道豎向變形。另外，由于土體的壓密作用引起的了隧道襯砌內(nèi)力的增加。彎矩最大值從308 kN·m增加到了338 kN·m，約增加了30 kN·m；軸力最大值從1.9 MN增加到了2.38 MN，約增加了0.48 MN。

3.2 基坑開挖卸荷對地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

通過分析截取的變形剖面左線隧道沿著隧道軸線方向拱頂和拱底的豎向變形可以知道：基坑開挖前左線隧道拱頂和拱底的豎向變形量值分比約為5 mm和3 mm。基坑開挖以后，隨著開挖深度增加，隧道變形變小。當基坑開挖到13.4 m埋深時，左線隧道拱頂和拱底的隆起變形增量分別約為3 mm，即在這一基坑卸荷過程中，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了約10 mm的隆起變形量。其中：左線馬蹄形隧道拱頂和拱底的隆起變形增量約為7 mm，盾構(gòu)隧道拱頂和拱底的變形增量分別約為8 mm和7 mm。分析右線隧道拱頂和拱底的豎向變形：右線馬蹄形隧道拱頂和拱底的變形增量分別約為9 mm和10 mm，盾構(gòu)隧道拱頂和拱底的變形增量分別為8 mm和7 mm。從而說明，馬蹄形隧道的豎向變形增量相對于盾構(gòu)隧道段的豎向變形量較緩變，預(yù)示著盾構(gòu)隧道受到的影響更為顯著。同時基坑的開挖引起的了隧道拱起，并且盾構(gòu)隧道的拱起的區(qū)域相對多些。隆起的部位包括了盾構(gòu)隧道和馬蹄形隧道結(jié)合部，因此，該結(jié)合部的隧道防水問題需要施工時密切監(jiān)控。

圖7、圖8是基坑開挖不同深度時左、右線隧道拱頂和拱底的彎矩變化曲線圖，可以看出，基坑開挖范圍內(nèi)，由于卸荷的作用，隧道拱頂和拱底的彎矩都呈減小趨勢，減小幅度不大，左線拱頂和拱底的彎矩最大減小值約為89 kN·m和97 kN·m，右線拱頂和拱底相應(yīng)的彎矩最大減小值約為88.6 kN·m和98 kN·m。

圖9、圖10是基坑開挖不同深度時，左、右線隧道拱頂和拱底的軸力變化曲線圖，從圖中可以看出，左線馬蹄形隧道拱頂和拱底軸力變化值分別為0 kN和200 kN，盾構(gòu)隧道拱頂和拱底軸力變化值分別為200 kN和0 kN；右線隧馬蹄形隧道拱頂和拱底的變化值約分別約為250 kN和0 kN，盾構(gòu)隧道的拱頂和拱底軸力變化值分別約為200 kN和0 kN。從而說明，基坑開挖導(dǎo)致隧道上部土體卸荷，隧道結(jié)構(gòu)受力處于有利狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1) 基坑開挖前地層水位埋深的降低，使?jié)B流壓密引起了地面沉降，且由于隧道的存在使得隧道以外范圍地層沉降量大于隧道頂部地面沉降。結(jié)果表明降水引起的隧道上覆土體有效應(yīng)力增加，隧道上覆荷載增加，隧道襯砌會產(chǎn)生較大的變形量。

(2) 基坑開挖卸荷引起線左線隧道彎矩和軸向力分別最大降低92 kN·m和200 kN，右線隧道彎矩和軸向力分別最大降低97 kN·m和250 kN，數(shù)值分析的結(jié)果可以為施工開挖過程中的質(zhì)量控制提供參考。

(3) 基坑開挖卸荷引起坑底回彈，導(dǎo)致隧道發(fā)生向上的隆起，礦山施工馬蹄形隧道隆起量相對比較緩，盾構(gòu)隧道比馬蹄形隧道相對危險。結(jié)果表明盾構(gòu)隧道和馬蹄形隧道的接頭部位位于隆起最大區(qū)域，施工期間應(yīng)加強這一區(qū)域變形監(jiān)測，并需要密切關(guān)注結(jié)構(gòu)防水措施的破壞。