基坑分塊開(kāi)挖參數(shù)對(duì)鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的變形影響分析

彭智勇，楊秀仁

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京市 100037; 2.城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù) 國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

1 引言

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，城市地鐵線(xiàn)網(wǎng)密度逐漸增大，當(dāng)此類(lèi)城市開(kāi)展新建設(shè)或改造時(shí)，必然出現(xiàn)各類(lèi)建筑基坑施工鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的情況。在此區(qū)域進(jìn)行基坑開(kāi)挖，產(chǎn)生的土體變形容易對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形產(chǎn)生不利影響。針對(duì)這種情況，很多學(xué)者和工程師基于工程實(shí)際，展開(kāi)了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理及處理措施研究。況龍川結(jié)合實(shí)際工況和隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了基坑側(cè)向開(kāi)挖對(duì)隧道變形影響的主要因素；陳郁等利用理論推導(dǎo)出隧道上方土體開(kāi)挖卸荷引起隧道結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，并進(jìn)而求解出隧道隆起的定量計(jì)算方法；宋海濱等利用數(shù)值分析方法研究了不同基坑開(kāi)挖方案對(duì)隧道水平與豎向變形的影響；宋偉基于敏感性分析的方法對(duì)臨近隧道工程的基坑支護(hù)方案的影響因素展開(kāi)了分析；畢景佩從堆土對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害影響的角度分析了既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的圍巖環(huán)境荷載變化對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響?？梢?jiàn)，以往多是從開(kāi)挖機(jī)理和不同開(kāi)挖方案的角度對(duì)鄰近隧道施工影響展開(kāi)的研究，關(guān)于具體開(kāi)挖參數(shù)對(duì)隧道的影響規(guī)律研究較少。實(shí)際上，開(kāi)挖參數(shù)的合理選擇決定了開(kāi)挖方案的可行性，該文基于基坑按不同尺寸分段開(kāi)挖，通過(guò)分析開(kāi)挖參數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形影響規(guī)律，確定分段開(kāi)挖參數(shù)的合理范圍。

2 工程概況

合肥市某交通樞紐廣場(chǎng)工程存在大面積基坑開(kāi)挖，場(chǎng)地東西長(zhǎng)212 m，南北寬189 m，場(chǎng)地分東西兩區(qū)，主體結(jié)構(gòu)形式采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中西區(qū)為地下三層(底板埋深16.4 m)、東區(qū)為地下一層(底板埋深6.9 m)，施工區(qū)域東區(qū)底部和西區(qū)側(cè)部鄰近兩條地鐵線(xiàn)，均為已建盾構(gòu)隧道，且其中一條地鐵線(xiàn)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，該隧道右線(xiàn)距離東區(qū)基坑底部4.5 m，距離西區(qū)基坑側(cè)部11.3 m?；涌傮w上采用明挖法施工，西區(qū)基坑采用圍護(hù)樁支護(hù)，東區(qū)基坑采用放坡方式開(kāi)挖，針對(duì)西區(qū)與東區(qū)交界區(qū)，采用“圍護(hù)樁+斜撐”方式支護(hù)，“分段+跳挖+底板封閉”方式開(kāi)挖?；优c隧道平、立面關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與隧道平、立面關(guān)系圖(單位：m)

擬建場(chǎng)地地勢(shì)南高北低，地層按物理性質(zhì)主要分為雜填土、黏土和全風(fēng)化泥巖層，隧道位于黏土層。無(wú)巖溶、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3 數(shù)值計(jì)算模型的建立

實(shí)際上，鄰近隧道的基坑變形控制是多種措施的共同作用，其中基坑的開(kāi)挖尺寸是關(guān)鍵控制因素之一，為分析開(kāi)挖參數(shù)對(duì)隧道位移的影響，將施工過(guò)程中其他工程措施保持不變，僅調(diào)整開(kāi)挖參數(shù)，通過(guò)不同開(kāi)挖方案的對(duì)比分析，得到開(kāi)挖參數(shù)對(duì)隧道變形的影響規(guī)律，從而確定開(kāi)挖參數(shù)的合理范圍。

總體上基坑開(kāi)挖范圍按鄰近隧道的距離分為保護(hù)區(qū)和非保護(hù)區(qū)，該文以保護(hù)區(qū)內(nèi)東西區(qū)基坑交界處土體開(kāi)挖為研究對(duì)象，該區(qū)域采用“雙排樁+斜撐”方式支護(hù)，主要施工過(guò)程為先開(kāi)挖西區(qū)基坑至地下一層，隨后在東西區(qū)基坑交界處施做雙排樁，然后分塊跳挖西區(qū)土體至地下三層并施做西區(qū)基坑底板結(jié)構(gòu)，隨開(kāi)挖過(guò)程實(shí)時(shí)架設(shè)斜撐及承臺(tái)樁，待西區(qū)結(jié)構(gòu)施做完成后，分塊跳挖東區(qū)基坑土體至地下一層并施做東區(qū)基坑結(jié)構(gòu)?？傮w上基坑按“先限位后開(kāi)挖”的原則進(jìn)行施工。但考慮到限位措施與土體的共同作用，雖然限位措施能降低分塊開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，但分塊開(kāi)挖尺寸過(guò)大顯然會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生更大的影響，而過(guò)小的開(kāi)挖尺寸會(huì)增加施工難度和建造成本，同時(shí)影響施工進(jìn)度，因此合理的分塊開(kāi)挖尺寸成為了隧道變形控制的關(guān)鍵指標(biāo)。

該文研究5種分塊開(kāi)挖尺寸對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，總體施工過(guò)程完全一致，區(qū)別在于西側(cè)基坑保護(hù)區(qū)的分塊開(kāi)挖尺寸不同，研究的分塊參數(shù)變化見(jiàn)表1。

表1 分塊開(kāi)挖尺寸方案

根據(jù)表1分塊方案，采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行三維建模分析，模型尺寸為1 000 m×1 000 m×70 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型中的地層采用實(shí)體單元模擬，修正摩爾-庫(kù)侖模型本構(gòu)。盾構(gòu)隧道、基坑圍護(hù)樁、基坑底板等結(jié)構(gòu)均采用彈性模型，其中盾構(gòu)隧道、基坑圍護(hù)樁用板單元模擬(基坑雙排樁按板單元等剛度墻模擬)。

模型地層與主要結(jié)構(gòu)物理參數(shù)取值如表2所示。

模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

以方案1(分塊尺寸6～8 m)為例，其主要施工過(guò)程包括：

(1) 開(kāi)挖東西區(qū)基坑地下一層，然后施做西區(qū)基坑圍護(hù)樁、東西區(qū)基坑交界處雙排樁以及西區(qū)基坑底部抗滑樁。

(2) 開(kāi)挖非保護(hù)區(qū)土體，隨開(kāi)挖隨完成西區(qū)基坑圍護(hù)樁錨桿和斜撐支護(hù)，并完成非保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)底板施做。

(3) 對(duì)保護(hù)區(qū)采用分塊跳挖的方式開(kāi)挖，并盡快完成基坑底板的閉合(保護(hù)區(qū)土方開(kāi)挖分塊尺寸分為5種方案，如表1所示)。

(4) 東西區(qū)基坑交界處采用10 m寬預(yù)留土方+承臺(tái)樁+斜撐方式，限制雙排樁的水平變形。

(5) 完成西區(qū)基坑非預(yù)留土方區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)施做后，分塊開(kāi)挖預(yù)留土方，施做相應(yīng)底板和上部結(jié)構(gòu)。

表2 地層與主要結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖2 地層結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格圖(單位：m)

(6) 完成西區(qū)地下結(jié)構(gòu)施做后，再按分塊跳挖的方式開(kāi)挖東區(qū)基坑土方，并施做相應(yīng)的地下結(jié)構(gòu)。

4 開(kāi)挖參數(shù)與隧道位移影響規(guī)律研究

以方案1(分塊尺寸6～8 m)為例，4條盾構(gòu)隧道以盾構(gòu)隧道A受到的開(kāi)挖影響最大。在上述主要6個(gè)施工階段中，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最大水平變形發(fā)生在西區(qū)基坑預(yù)留土方開(kāi)挖階段，為5.3 mm(向基坑內(nèi)側(cè))；對(duì)應(yīng)階段隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為3.33 mm。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移發(fā)生在東區(qū)基坑開(kāi)挖階段，為4.36 mm；對(duì)應(yīng)階段隧道結(jié)構(gòu)最大水平變形為4.58 mm(向基坑內(nèi)側(cè))。

按不同區(qū)域開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響劃分看(圖3)，總體上西區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的變形影響較大，雖然盾構(gòu)隧道的最大豎向變形發(fā)生在東區(qū)基坑開(kāi)挖時(shí)，但這是由于西區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)前期累計(jì)豎向變形的疊加影響較大造成的；另一方面，西區(qū)基坑開(kāi)挖使得盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水平變形(向基坑內(nèi)側(cè))影響較大，東區(qū)基坑開(kāi)挖使得盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的水平變形程度減小。因此，總體上分析西區(qū)基坑(特別是西保護(hù)區(qū)基坑)開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形有決定性影響。

分析基坑開(kāi)挖主要6個(gè)關(guān)鍵階段的施工過(guò)程(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著施工的進(jìn)行，隧道的豎向變形是不斷累積疊加的；而水平變形會(huì)隨著東區(qū)基坑土體開(kāi)挖出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。另外5種保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑開(kāi)挖尺寸對(duì)盾構(gòu)隧道A結(jié)構(gòu)的變形影響也各不相同：對(duì)于結(jié)構(gòu)豎向變形影響而言，分塊開(kāi)挖尺寸越小，結(jié)構(gòu)豎向變形越??；而結(jié)構(gòu)水平變形會(huì)隨著分塊尺寸的增大，出現(xiàn)逐漸減小再增大的過(guò)程。

選擇各方案對(duì)應(yīng)的最不利施工階段，分析沿盾構(gòu)隧道A里程對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)變形情況可以發(fā)現(xiàn)(圖5)，基坑開(kāi)挖會(huì)引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)隆起和向基坑內(nèi)側(cè)的水平變形；另一方面5種不同分塊尺寸的開(kāi)挖方案，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形程度各有不同。對(duì)于結(jié)構(gòu)豎向變形影響而言，分塊開(kāi)挖尺寸越小，結(jié)構(gòu)豎向變形越??；而對(duì)結(jié)構(gòu)水平變形而言，分塊開(kāi)挖尺寸過(guò)小會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的水平變形產(chǎn)生較大影響。這是由于分塊尺寸過(guò)小后，土體對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際側(cè)向作用減小有關(guān)。

分析不同尺寸開(kāi)挖方案對(duì)盾構(gòu)隧道A結(jié)構(gòu)最不利變形影響情況，如圖6所示。

取A線(xiàn)盾構(gòu)隧道中段特征斷面環(huán)向真圓度變形分布圖，如圖7所示，5種不同分塊開(kāi)挖方案中，方案3對(duì)應(yīng)的環(huán)向真圓度變形幅度最小。方案5對(duì)應(yīng)的變形幅度最大。

取對(duì)應(yīng)位置的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖如圖8所示，5種不同分塊開(kāi)挖方案對(duì)應(yīng)的彎矩總體上差別不大，對(duì)結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)影響不大，盾構(gòu)區(qū)間的運(yùn)營(yíng)安全主要受結(jié)構(gòu)變形控制。

圖3 方案1不同施工區(qū)域?qū)Χ軜?gòu)隧道的變形影響(單位：mm)

圖4 主要施工階段對(duì)盾構(gòu)隧道A的變形影響

圖5 沿盾構(gòu)隧道A里程對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)變形情況

可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同分塊尺寸開(kāi)挖方案，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的豎向變形會(huì)隨著分塊開(kāi)挖尺寸的減小而減??；而水平變形會(huì)隨著分塊開(kāi)挖尺寸的增加，出現(xiàn)先減小后增大的過(guò)程，因此在實(shí)際施工過(guò)程中，分塊尺寸的合理選擇尤為重要。

當(dāng)盾構(gòu)隧道處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，盾構(gòu)隧道的豎向和水平變形應(yīng)控制在5 mm范圍內(nèi)。對(duì)于前面5種分塊尺寸開(kāi)挖方案，從豎向變形控制的角度而言，宜選用方案1、2、3，即分塊尺寸為6～15 m；而從水平變形控制的角度而言，宜選用方案2、3、4，即分塊尺寸為9～20 m；因此總體上控制隧道結(jié)構(gòu)變形宜選擇9～15 m范圍，作為分塊尺寸開(kāi)挖的優(yōu)選方案。

圖6 不同分塊方案下盾構(gòu)隧道最大變形情況

圖7 特征斷面環(huán)向真圓度變形分布

圖8 特征斷面盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖

5 結(jié)論

結(jié)合合肥某交通樞紐廣場(chǎng)工程臨近既有盾構(gòu)隧道施工，通過(guò)采用數(shù)值仿真分析，研究了地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)，不同尺寸分塊開(kāi)挖土體對(duì)既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，主要結(jié)論如下：

(1) 總體上，由于隧道位于西區(qū)基坑?xùn)|側(cè)、東區(qū)基坑底部，因此東西區(qū)基坑開(kāi)挖，均會(huì)引起盾構(gòu)隧道產(chǎn)生豎向變形，且會(huì)隨施工開(kāi)挖的進(jìn)行，出現(xiàn)隆起疊加效應(yīng)；而對(duì)于隧道水平變形而言，西區(qū)基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向西側(cè)基坑的變形，但當(dāng)東區(qū)基坑開(kāi)挖時(shí)，結(jié)構(gòu)隆起的同時(shí)，結(jié)構(gòu)向西區(qū)基坑的水平變形會(huì)逐漸減小。

(2) 盾構(gòu)隧道在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)的變形情況最明顯，同時(shí)從變形差的角度看，靠近西側(cè)基坑?xùn)|北和東南角位置的隧道豎向和水平變形差均較大，開(kāi)挖時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注此區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)變形的影響。

(3) 對(duì)于不同分塊尺寸開(kāi)挖方案，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的豎向變形會(huì)隨著分塊開(kāi)挖尺寸的減小而減??；而水平變形會(huì)隨著分塊開(kāi)挖尺寸的增加，出現(xiàn)先減小后增大的過(guò)程，因此在實(shí)際施工過(guò)程中，需要將豎向和水平變形的影響因素綜合分析，確定分塊尺寸的合理方案。