深基坑側(cè)向卸荷誘發(fā)既有盾構(gòu)隧道影響分析

王雁飛1，李文博2，許有俊*，陳霧航，陳愷

(1.內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責任公司， 內(nèi)蒙古呼和浩特010011；2.北京城建設(shè)計研究總院有限責任公司， 北京100084；3.內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院， 內(nèi)蒙古包頭014010)

0 引言

國家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、“一帶一路”、海綿城市、地下綜合管廊、城市軌道交通、呼包鄂榆城市群等戰(zhàn)略規(guī)劃，為內(nèi)蒙古自治區(qū)隧道及地下工程領(lǐng)域發(fā)展帶來了前所未有的契機。

地鐵域城市地塊開發(fā)不可避免地涉及到對既有城市軌道交通設(shè)施的影響與保護問題。目前，針對基坑側(cè)向卸荷引起的既有盾構(gòu)隧道的影響及控制技術(shù)取得了較多的研究成果。李志高等[1]通過有限差分法數(shù)值模擬,對鄰近大剛度地鐵車站的基坑開挖位移場的位移傳遞規(guī)律進行了分析。陳昆等[2]通過監(jiān)測以及建模模擬,根據(jù)卸荷比確定了周邊土體強度折減范圍，張治國等[3-5]應(yīng)用理論解析法，對基坑卸荷作用下隧道的變形計算以及地鐵隧道的開挖卸荷工程引起隧道豎向變形規(guī)律進行了研究,并對隧道變形合理控制措施進行了分析。張伏光等[6]對基坑開挖影響范圍內(nèi)土體的應(yīng)力路徑進行平面應(yīng)變試驗離散元數(shù)值模擬,研究結(jié)構(gòu)性與卸荷形式對坑周土體宏微觀力學特性的影響。姚愛軍等[7]應(yīng)用相似材料模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了上方基坑開挖卸荷-加載作用下地鐵盾構(gòu)隧道的變形特征,并對基坑底部與盾構(gòu)隧道頂部凈距和基坑加載強度的影響進行了分析。魏綱等[8]基于Mindlin位移解公式,推導(dǎo)得到了基坑開挖引起鄰近既有隧道位移的計算公式,分析了基坑尺寸、與隧道相對位置的改變等因素對既有地鐵隧道位移的影響。KYAKO等[9-10]國外學者應(yīng)用模型試驗方法，對隧道的變形特征、圍土壓力監(jiān)測方法等進行研究。

目前的理論研究與工程實踐大多基于某種具體巖土體條件下，然而不同巖土體環(huán)境下基坑側(cè)向卸載引起的既有盾構(gòu)隧道的附加力學響應(yīng)及變形控制不同。針對該類問題，本地區(qū)缺乏成功的工程經(jīng)驗與理論研究。

因此，本文以新建振華購物中心項目基坑工程近鄰呼和浩特市城市軌道交通2號線為背景，采用精細化的三維數(shù)值模擬方法，結(jié)合工程經(jīng)驗以及理論分析方法，針對深基坑開挖側(cè)向卸荷條件下既有盾構(gòu)隧道的影響進行研究。預(yù)期研究成果對內(nèi)蒙古運營城市軌道交通的保護具有重要的工程實用價值。

1 工程概況

1.1 工程簡介

1.1.1 振華購物中心項目基坑工程概況

呼和浩特振華購物中心項目場地位于呼和浩特市新華廣場以南，維多利購物中心以北，錫林郭勒路西側(cè)?；铀闹芑A(chǔ)埋深平均16.0～17.5 m。場地東側(cè)鄰近地鐵2號線中山路站～新華廣場站區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間距離基坑邊線29.8 m，其中基坑段區(qū)間埋深16.1～16.5 m，坑底標高與區(qū)間埋深相近。

該工程基坑呈L型，北側(cè)基坑長約144.0 m，寬約80.0 m，南側(cè)基坑長約109.0 m，寬約85.0 m，基坑總面積約25 386.0 m2，開挖深度16.0～17.5 m，基坑采用明挖法施工。設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力錨索排樁支護結(jié)構(gòu)對基坑進行支護。場地地下水埋深較淺，為保證基坑工程順利施工，擬在基坑四周采用圍降，在坑內(nèi)采用降水井降水，并在基坑周圍布置降水井。

1.1.2 呼和浩特2號線中山路站～新華廣場站區(qū)間工程概況

呼和浩特2號線中山路站～新華廣場站區(qū)間隧道長度391.2 m，采用盾構(gòu)法施工，兩端車站采用蓋挖逆作法施工。區(qū)間隧道內(nèi)徑5.5 m，管片厚度0.35 m，覆土厚度為16.1～16.5 m。盾構(gòu)穿越地層主要以粉質(zhì)粘土和砂層為主。區(qū)間左線從新華廣場站進行始發(fā)掘進，區(qū)間右線從中山路站始發(fā)掘進。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

在場地范圍內(nèi)，對本工程有影響的土層主要有7層。

第(1)層：雜填土，雜色，松散，稍濕，以粉土為主，含建筑垃圾，局部為舊房基礎(chǔ)、菜窖。層底深度0.90～3.90 m，該層在場地內(nèi)分部連續(xù)。

第(2)層：粉質(zhì)黏土，黃褐色，中密～密實，稍濕，無光澤反應(yīng)，干強度低、韌性低，局部含細砂夾薄層。層頂深度0.9～9.0 m，層底深度1.8～4.3 m，土層厚度0.5～3.3 m。該層在場地內(nèi)分布不連續(xù)。

第(3)層：礫砂，黃褐色，中密至密實，稍濕至飽和，級配良好，含粉質(zhì)黏土和細砂夾層。層頂深度1.1～3.0 m，層底深度8.7～2.3 m，層厚5.5～10.4 m。該層在場地內(nèi)分布連續(xù)穩(wěn)定。

第(4)層：細砂，黃褐色，中密至密實，稍濕至飽和，局部與粉土呈互層狀產(chǎn)出。層頂深度1.1～10.0m，層底深度2.7～12.3 m，土層厚度0.6～4.0 m。該層在場地內(nèi)分布不連續(xù)。

第(5)層：粉質(zhì)黏土，黃褐色，可塑，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。層頂深度4.9～0.5 m，層底深度5.4～2.1 m，土層厚度0.5～3.9 m。該層在場地內(nèi)分布不連續(xù)。

第(6)層：圓礫，黃褐色，中密至密實，飽和，級配良好，局部含細砂夾薄層。層頂深度8.7～12.3 m，層底深度11.5～16.8 m，土層厚度2.1～7.3 m。該層在場地內(nèi)分布連續(xù)穩(wěn)定。

第(7)層：細砂，黃褐色，中密至密實，飽和，含粉質(zhì)黏土夾層。層頂深度11.5～16.8 m，層底深度15.6～21.8 m，土層厚度1.9～7.5 m。該層在場地內(nèi)分布連續(xù)穩(wěn)定。

勘察場地內(nèi)出露的地下水主要為潛水，局部微承壓，在自然地面約75.0 m以下存在承壓水。潛水主要賦存于礫砂層、細砂層、圓礫層、細砂層中，因粉質(zhì)黏土層不連續(xù)，細砂層、粉砂層與潛水存在水力聯(lián)系，故細砂層、粉砂層為微承壓水。承壓水主要賦存于細砂層。

1.3 基坑與地鐵2號線區(qū)間位置關(guān)系

振華購物中心項目地塊對應(yīng)地鐵2號線區(qū)間隧道影響范圍的投影里程為左DK13+330.9～左DK13+447.300，影響長度約116.4 m。對應(yīng)區(qū)段地鐵隧道的覆土為16.1～16.5 m?；由疃葹?6.0 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)外邊緣距區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊緣距離約29.8 m。其相互位置關(guān)系詳見圖1、圖2所示。

圖1 基坑與既有地鐵位置關(guān)系平面圖Fig.1 Plan of relation between foundation pit and existing subway station

圖2 基坑與地鐵位置關(guān)系剖面圖Fig.2 Profile of relation between foundation pit and metro station

2 深基坑施工對既有盾構(gòu)隧道影響

2.1 數(shù)值計算模型概述

采用數(shù)值模擬方法對基坑側(cè)向開挖過程中既有盾構(gòu)隧道的影響問題開展研究。數(shù)值計算模型長為370.0m、寬為300.0 m、高63.0 m。盾構(gòu)管片用殼單元模擬，圍護樁用地下連續(xù)墻(殼單元)模擬，錨索采用植入性桁架模擬。

整體網(wǎng)格劃分見圖3，基坑與隧道結(jié)構(gòu)3D模型見圖4。

圖3 整體網(wǎng)格劃分圖
Fig.3 Overall mesh generation

圖4 基坑與隧道結(jié)構(gòu)3D模型圖
Fig.4 3D model of foundation pit and tunnel structure

2.2 模型計算參數(shù)

巖土體物理力學參數(shù)來自工程地質(zhì)勘查報告和工程經(jīng)驗取值，見表1。

表1 土層計算參數(shù)Tab.1 Calculation of soil parameters

基坑開挖過程是一個卸載過程，因此在計算中采用土體的回彈模量，其值為壓縮模量的6倍。 其中土的強度指標采用三軸固結(jié)不排水強度指標。

地面超載取20 kN/m2。盾構(gòu)區(qū)間掌子面頂推力為521 kPa?；犹烊坏鼗奢d為240 kPa。

將建筑基坑支護結(jié)構(gòu)的灌注樁通過抗彎剛度折減等效成地下連續(xù)墻；等效后再按其剛度進行50 %的折減。

2.3 計算工況

根據(jù)該基坑實際施工步序，針對關(guān)鍵施工步序條件下既有盾構(gòu)隧道的附加影響進行研究。計算工況如表2所示。

表2 計算工況表Tab.2 Calculation condition table

2.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.4.1 既有盾構(gòu)隧道位移分析

基坑開挖以后，基坑土體卸荷作用導(dǎo)致鄰近盾構(gòu)區(qū)間產(chǎn)生水平位移。根據(jù)基坑開挖工況，對既有盾構(gòu)區(qū)間隧道的水平位移進行分析。典型位移云圖如圖5～圖8所示。

圖5 開挖基坑第一層土方并施作第一道錨索時隧道水平位移云圖Fig.5 Tunnel horizontal displacement cloud map when the first layer of soil is excavated and the first anchor rope is applied

圖6 工況1隧道水平位移云圖Fig.6 condition 1 tunnel horizontal displacement cloud

圖7 工況5隧道水平位移云圖 Fig.7 Condition 5 tunnel horizontal displacement cloud

圖8 工況5隧道水平位移云圖Fig.8 Condition 5 tunnel horizontal displacement cloud

由圖5～圖8可知，基坑開挖完成后產(chǎn)生的位移最大，地鐵控制區(qū)范圍內(nèi)基坑開挖至坑底各工況隧道水平位移如表3所示，

表3 基坑開挖過程中隧道最大水平位移Tab.3 Maximum horizontal displacement of the tunnel during foundation pit excavation

在整個基坑開挖施工過程中，左線盾構(gòu)管片的橫向位移最大值始終出現(xiàn)在A斷面，即距離區(qū)間隧道近端基坑中心線對應(yīng)的左線區(qū)間處斷面，在接下來的位移分析中，選取最不利的A斷面的計算結(jié)果即可。

如圖9可知，隨著基坑向下開挖，盾構(gòu)管片橫向位移逐漸增大，基坑開挖完畢位移最大值為2.9 mm。從盾構(gòu)管片斷面來看，臨近基坑一側(cè)的管片水平側(cè)位移最大。此時區(qū)間左側(cè)基坑臨空面最大，側(cè)向土抗力最小，從而造成了隧道側(cè)向水平方向位移最大。

圖9 隧道A-A斷面在各工況的水平位移數(shù)值Fig.9 Horizontal displacement of tunnel A-A section in various working conditions

2.4.2 既有盾構(gòu)隧道應(yīng)力分析

圖10～圖11給出了基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)鄰近基坑側(cè)圍巖應(yīng)力云圖，從圖中可看出，在此過程中鄰近基坑 側(cè)圍巖最大應(yīng)力出現(xiàn)在基坑開挖的第一個工況，其最大值為0.175 MPa。而后隨著基坑的向下開挖，出現(xiàn)側(cè)向卸載，鄰近基坑側(cè)圍巖應(yīng)力呈下降趨勢，但變化幅度很小。說明在水平凈距29.80 m的條件下，基坑開挖側(cè)向卸載作用對隧道周邊土體應(yīng)力狀態(tài)影響并不明顯。如表4所示。

圖10 工況1圍巖應(yīng)力云圖
Fig.10 Stress cloud diagram of surroundingrock in working condition 1

圖11 工況5圍巖應(yīng)力云圖
Fig.11 Condition 5.Surrounding rockstress cloud map

表4 拱腰位置圍巖應(yīng)力Tab.4 Surrounding rock stress at the arched loins

另為進一步印證振華購物中心基坑施工對地鐵造成影響程度的大小，將基坑施工前和施工后地鐵隧道的內(nèi)力進行對比分析，分析其受力狀態(tài)是否發(fā)生變化，并驗證當前結(jié)構(gòu)配筋是否滿足其裂縫要求。計算結(jié)果見圖12～圖15。

圖12 開挖前軸力圖
Fig.12 Excavate the front axle diagram

圖13 開挖后軸力圖
Fig.13 Excavate the rear axle diagram

圖14 開挖前的彎矩
Fig.14 Bending moment before excavation

圖15 開挖后的彎矩
Fig.15 Bending moment after excavation

基坑開挖后考慮側(cè)向土壓力的卸載作用，根據(jù)基坑開挖各工況的圍巖應(yīng)力圖，側(cè)向卸載影響很小。計算模型中鄰近基坑側(cè)的側(cè)向土壓力按原有數(shù)值的90 %施加。經(jīng)檢算，隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)并未改變，隧道主要呈壓彎受力。隧道管片結(jié)構(gòu)配筋滿足正常使用極限狀態(tài)要求。具體計算結(jié)果見表4。

表4 隧道正常使用極限狀態(tài)計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of the tunnel normal operation limit state

3 變形控制標準及風險等級

根據(jù)既有盾構(gòu)區(qū)間隧道工期計劃，振華購物中心基坑開挖階段，地鐵盾構(gòu)區(qū)間尚未進行鋪軌，僅考慮盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)變形即可。根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50911—2013)，《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)，參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗并結(jié)合理論計算分析，現(xiàn)制定本工程變形控制指標及標準如下：

1) 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)破壞以裂縫控制為標準，地鐵結(jié)構(gòu)新開裂縫寬度<0.2 mm；

2) 盾構(gòu)隧道變形控制指標。

變形控制指標見表5。

表5 變形控制指標Tab.5 Deformation control index

4 結(jié)論

① 隨著基坑向下開挖，盾構(gòu)管片橫向位移逐漸增大，基坑開挖完畢位移最大值為2.9 mm。從盾構(gòu)管片斷面來看，臨近基坑一側(cè)的管片水平側(cè)位移最大。此時區(qū)間左側(cè)基坑臨空面最大，側(cè)向土抗力最小，從而造成了隧道側(cè)向水平方向位移最大。

② 該基坑正常施工條件下，將對近鄰的既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)(左DK13+330.9～左DK13+447.300)范圍產(chǎn)生一定的影響。 基坑施工引起2號線盾構(gòu)區(qū)間的各項變形指標，均在安全控制要求范圍內(nèi)。

③ 基坑開挖后側(cè)向卸載影響較小。經(jīng)檢算，隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)基本未改變，隧道主要呈壓彎受力。隧道管片結(jié)構(gòu)配筋滿足正常使用極限狀態(tài)要求。

④ 基坑開挖過程中，應(yīng)制定詳細的既有盾構(gòu)隧道的監(jiān)控量測方案，加強對鄰近盾構(gòu)區(qū)間的洞內(nèi)收斂及結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測，根據(jù)實測數(shù)據(jù)及時調(diào)整基坑的開挖與支護參數(shù)。