基坑開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)影響分析

高睿 盧新建 王為民 闕金濤

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

隨著城市建設的快速發(fā)展，有效利用土地和地下空間日益得到重視，地面空間、地下空間與上部空間協(xié)調(diào)發(fā)展的城市立體化再開發(fā)，是城市中心區(qū)改造的有效途徑，充分利用城市地下空間成為當前城市立體化開發(fā)的重要組成部分。

然而，由于城市建筑物和生命線工程等各類地下管線的密集化，往往出現(xiàn)基坑工程上覆于已建地鐵隧道之上，對基坑開挖的要求越來越嚴格，不僅要確?；娱_挖的安全性和經(jīng)濟性，而且還要確保地鐵隧道的安全。因此，嚴格控制隧道結(jié)構(gòu)的位移，成了基坑安全的首要任務。

關于基坑開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，諸多學者進行較為深入的研究[1-6]，如何進行地鐵隧道結(jié)構(gòu)保護也就成為學術界和工程界關注的焦點。

基于此，本文結(jié)合某具體工程實例，分析其基坑下臥隧道結(jié)構(gòu)的保護方案，并提出基坑及地下結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的合理施工方案，以確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概況

1.1 地下結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)概況

擬建工程普遍設4層地下室，基坑開挖深度約為18.0m～19.0m，其中地鐵下穿區(qū)域設2層地下室，基坑開挖深度約為8.0m～9.0m，具體平面布置及剖面圖如圖1～圖2所示。地鐵隧道距兩側(cè)支護樁2.7m～3.5m，地下結(jié)構(gòu)在地鐵下穿區(qū)域兩側(cè)及中部集中布置支護樁，并在負二層樓板處設置2m厚蓋板，以確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

圖1 地下結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 地下結(jié)構(gòu)與地鐵隧道剖面圖

綜合考慮隧道結(jié)構(gòu)安全、工期及造價等因素，該工程擬在地鐵隧道施工前，在地鐵軌道線路上提前進行隧道結(jié)構(gòu)區(qū)域支護樁和地下結(jié)構(gòu)施工，而后進行盾構(gòu)隧道施工，待隧道結(jié)構(gòu)施工完成后，最終進行周邊區(qū)域地下結(jié)構(gòu)施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

該工程場地內(nèi)土層為：①素填土、②粉質(zhì)粘土、③殘積砂質(zhì)粘性土、④全風化花崗巖、⑤土狀強風化花崗巖。各巖土層主要性狀如下：

①素填土：灰黃色，稍濕，松散，主要由粘性土回填而成，其中硬質(zhì)含量5%左右，回填時間5～6年，未經(jīng)專門壓實處理，密實度不均，未完成自重固結(jié)，厚度0.50m～10.20m。

②粉質(zhì)粘土：紅褐色、黃褐色，濕，可塑～堅硬，以粉粒、粘粒為主含少量石英中粗砂，其中粗砂含量10%～30%左右，搖振反應無，光澤反應無，干強度中等，韌性高。厚度0.90～6.90m。

③殘積砂質(zhì)黏性土：黃色、黃白色，濕，可塑～堅硬，母巖為花崗巖，具原巖殘余結(jié)構(gòu)，礦物成分主要為石英、長石，長石已基本風化成粘土礦物,石英礫砂含量占0.0%～22.8%，個別地段為殘積粘性土、殘積礫質(zhì)粘性土。搖振反應無 ,干強度中等，韌性中等，浸水易崩解、軟化，層厚5.3m～29.8m。

④全風化花崗巖：黃白色、灰白色，成份主要為石英、長石，長石大部分風化成粘土礦物，標貫試驗修正后擊數(shù)30≤N<50擊，風化劇烈，屬極軟巖，散體構(gòu)造，極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為V級，該層浸水易崩解、軟化，層厚5.6m～22.2m。

⑤土狀強風化花崗巖：灰白色，成份主要為石英、長石，長石大部分風化成粘土礦物，標貫試驗修正后擊數(shù)N≥50擊，巖芯手捏即散，呈土狀，風化劇烈，屬極軟巖，散體構(gòu)造，極破碎，巖體基本質(zhì)量等級V類，該層浸水易崩解、軟化。局部分布中風化花崗巖孤石，層厚18.56m～57.15m。

1.3 水文地質(zhì)條件

影響基坑開挖范圍內(nèi)的地下水，主要為賦存于③殘積砂質(zhì)粘性土及以下基巖各風化帶中的孔隙水。場地地下水穩(wěn)定水位埋深2.60m～7.60m，水位標高11.17m～14.55m，地下水抗浮水位及防水水位按設計室外地坪標高下1.00m考慮，水位變化幅度約為0.5m。

1.4 物理力學參數(shù)

場地各巖土層物理力學指標如表1所示。

表1 巖土體物理力學指標

2 分析模型及工況

2.1 土體本構(gòu)模型參數(shù)

該工程采用平面應變模型進行分析，土體本構(gòu)模型采用硬化土(Harding Soil Model)模型，土體單元采用15節(jié)點三角形單元模擬。支護樁、地下結(jié)構(gòu)及圍護樁均采用5節(jié)點梁單元模擬，梁單元剛度按樁基及墩柱的抗彎剛度和軸向剛度進行等效，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

2.2 分析方案

根據(jù)現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)設計方案，該工程分3階段進行施工：

(1)第一階段：隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)、中部支護樁及地下結(jié)構(gòu)底板的施工，在第一階段施工期間，基坑采用分級放坡支護。

(2)第二階段：盾構(gòu)隧道施工，先行施工的支護樁及地下室底板確保了盾構(gòu)施工時的覆土要求。

(3)第三階段：周邊區(qū)域(除第一階段施工區(qū)域外)地下結(jié)構(gòu)施工。

其中，第一階段分別采用3種方案施工，即：

(1)方案一：僅施工地鐵隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)及中間支護樁，其余支護樁均不施工，放坡坡腳線緊鄰內(nèi)排樁。

(2)方案二：僅施工地鐵隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)及中間支護樁，其余支護樁均不施工，放坡坡腳線卸載至距離支護樁12m位置。

(3)方案三：施工地鐵隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)及中間支護樁，鄰近第二排支護樁亦同時施工，其他區(qū)域支護樁均不施工，放坡坡腳線卸載至第二排支護樁4m的位置處。

2.3 分析工況

(1)建立土層，形成初始地應力；

(2)施工隧道區(qū)域支護樁；

(3)隧道區(qū)域降水，并進行土方開挖；

(4)施工地下結(jié)構(gòu)；

(5)施工地鐵隧道結(jié)構(gòu)，并對位移清零；

(6)地下水位恢復；

(7)圍護樁施工，基坑二次降水及土方開挖；

(8)主體地下結(jié)構(gòu)施工；

(9)地下水位二次恢復。

3 有限元結(jié)果分析

考慮到該工程重點針對基坑開挖對已建地鐵隧道的影響分析，故本文分析均主要針對隧道建成后基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工所引發(fā)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形性狀。

3.1 方案一：僅施工隧道區(qū)域支護樁，坡底線緊鄰外排支護樁

僅施工內(nèi)排樁部分，系指如圖4中僅施工虛線框范圍內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)，而對于虛線框范圍外的地下結(jié)構(gòu)底板及樁基暫不施工，同時，先行開挖部分的放坡坡腳線緊鄰內(nèi)排支護樁。具體工況分析結(jié)果如下：

圖4 分析工況說明

(1)隧道建成后

在盾構(gòu)隧道施工完成后，模型位移場如圖5所示。

圖5 模型位移場

在隧道施工完成后，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖6和圖7所示。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)軸力圖

圖7 隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖

如圖6～圖7所示，隧道結(jié)構(gòu)的最大軸力為189.40kN/m，最大彎矩為12.73kN·m/m。同時，在隧道施工完成后，地下結(jié)構(gòu)(包括蓋板和樁基)的位移及內(nèi)力如圖8～圖9所示。

圖8 地下結(jié)構(gòu)位移圖 圖9 地下結(jié)構(gòu)彎矩圖

由于地鐵隧道施工，使支護樁在隧道中心標高附近發(fā)生了內(nèi)擠變形，最大位移為9.05mm，由此引發(fā)的地下結(jié)構(gòu)連板的最大彎矩為4470kN·m，即隧道施工導致隧道兩側(cè)支護樁產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力。

(2)土方開挖后

在基坑土方開挖完成后，模型位移場如圖10所示。

在基坑開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力如圖11～圖13所示。

圖11 隧道結(jié)構(gòu)位移圖

圖12 隧道結(jié)構(gòu)軸力圖

圖13 隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖

在基坑開挖完成后，由于坑內(nèi)土體的卸荷作用，坑底土體發(fā)生了隆起變形，并直接導致地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的隆起變形，其中隧道結(jié)構(gòu)最大位移為10.98mm，最大軸力為435.24kN/m，最大彎矩為234.72kN·m/m。由此可見，在基坑開挖過程中，由于坑底隆起將引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的位移，并導致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力。

(3)地下結(jié)構(gòu)完成后

在地下結(jié)構(gòu)完成后，模型的位移場如圖14所示。

圖14 模型位移場

由于地下結(jié)構(gòu)施工所引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力如圖15～圖17所示。

圖15 隧道結(jié)構(gòu)位移圖

圖16 隧道結(jié)構(gòu)軸力圖

圖17 隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖

待地下結(jié)構(gòu)完成后，隧道結(jié)構(gòu)最大位移減小為9.72mm，最大軸力為451.27kN/m，最大彎矩為241.81kN·m/m。由此可見，在地下結(jié)構(gòu)施工過程中，由于地下結(jié)構(gòu)自重影響，隧道結(jié)構(gòu)位移略微減小，但對隧道結(jié)構(gòu)軸力和彎矩值的影響不大，即地下結(jié)構(gòu)施工對隧道結(jié)構(gòu)影響較小。

(4)地下水恢復后

在地下水恢復后，模型位移場如圖18所示。

圖18 模型位移場

在地下水恢復后，隧道結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力如圖19～圖21所示。

圖19 隧道結(jié)構(gòu)位移圖

圖20 隧道結(jié)構(gòu)軸力圖

圖21 隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖

待地下水位恢復后，由于地下水的浮力作用，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為顯著的上浮變形，隧道結(jié)構(gòu)的最大位移為19.87mm。同時，由于水壓力作用，最大軸力增大至753.51kN/m，隧道結(jié)構(gòu)的最大彎矩為215.17kN·m/m。由此可見，在地下水恢復后，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為顯著的上浮現(xiàn)象，且由于水壓力作用，隧道結(jié)構(gòu)的軸力明顯增加，但對隧道結(jié)構(gòu)的彎矩影響則相對較小。

綜上表明，在基坑開挖、地下結(jié)構(gòu)施工過程中，引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)位移相對較小，對隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響亦相對較小，但當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)完成且地下水恢復后，隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的上浮，對隧道結(jié)構(gòu)的影響相對較大，且地下水位的回升亦使得隧道結(jié)構(gòu)軸力顯著增大。

3.2 方案二：僅施工隧道區(qū)域支護樁，坡底線距外排支護樁12m

該方案同方案一，僅先行開挖部分的放坡坡腳線距離內(nèi)排樁12m。具體工況分析結(jié)果如下：

(1)隧道建成后

在隧道施工完成后，隧道結(jié)構(gòu)的最大軸力為210.15kN/m，最大彎矩為35.37kN·m/m。此時，地下結(jié)構(gòu)支護樁最大位移4.71mm，由此產(chǎn)生的地下結(jié)構(gòu)連板最大彎矩2090kN·m。由此可見，當放坡開挖范圍較大、坡腳線距內(nèi)排樁距離較大時，地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移均略小于方案一的分析結(jié)果。

(2)土方開挖后

基坑開挖引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)最大位移7.80mm，此時隧道結(jié)構(gòu)最大軸力439.07kN/m，隧道結(jié)構(gòu)最大彎矩226.92kN·m/m。由此可見，基坑開挖亦引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的位移，并由此導致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力，但對比方案一，隧道結(jié)構(gòu)位移相對較小，其主要原因在于前期土方開挖范圍越廣，坑底隆起變形作用則越弱，鄰近土方開挖影響則越小。

(3)地下結(jié)構(gòu)完成后

待地下結(jié)構(gòu)完成后，隧道結(jié)構(gòu)最大位移6.57mm，最大軸力452.84kN/m，最大彎矩為234.37kN·m/m。同方案一結(jié)果類似，在地下結(jié)構(gòu)施工過程中，由于上部結(jié)構(gòu)自重影響，隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生向下位移，一定程度上緩解了隧道結(jié)構(gòu)隆起變形。

(4)地下水恢復后

待地下水位恢復后，隧道結(jié)構(gòu)最大位移16.47mm，最大軸力752.59kN/m，最大彎矩204.86kN·m/m。由此可見，地下水恢復后，隧道結(jié)構(gòu)亦發(fā)生了較為顯著的上浮現(xiàn)象，且由于水壓力作用，隧道結(jié)構(gòu)軸力明顯增加，但對隧道結(jié)構(gòu)彎矩則相對較小。

因此，在基坑開挖、地下結(jié)構(gòu)施工過程中，引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)位移相對較小，對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響亦相對較小，但相比方案一分析結(jié)果，方案二基坑開挖引起的變形相對更小，更有利于隧道結(jié)構(gòu)保護。當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)完成且地下水恢復后，隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的上浮，對隧道結(jié)構(gòu)影響相對較大，且地下水位回升亦使得隧道結(jié)構(gòu)軸力顯著增大。

3.3 方案三：僅施工隧道區(qū)域支護樁及鄰近第二排支護樁，坡底線距第二排支護樁4m

同時施工內(nèi)、外排樁，系指同時對圖22中虛線框范圍內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)(包括工程中及地下室連板)進行施工，且先行開挖部分坡腳線距離外排樁約4.0m。具體工況分析結(jié)果如下：

圖22 分析工況說明

(1)隧道建成后

隧道結(jié)構(gòu)最大軸力215.70kN/m，最大彎矩32.78kN·m/m。在隧道施工完成后，支護樁最大位移4.50mm，地下結(jié)構(gòu)連板最大彎矩2514kN·m。同方案一、二計算結(jié)果相比，由于內(nèi)、外排樁共同作用，地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移相對更小。

(2)土方開挖后

在基坑開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)最大位移5.07mm，略小于方案二結(jié)果，最大軸力380.32kN/m，最大彎矩190.44kN·m/m，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力亦略小于方案二結(jié)果。因此，相比方案一和方案二，方案三在一定程度上減小隧道結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力。

(3)地下結(jié)構(gòu)完成后

待地下結(jié)構(gòu)完成后，隧道結(jié)構(gòu)最大位移為4.55mm，此時隧道結(jié)構(gòu)的最大軸力為392.82kN/m，最大彎矩為197.60kN·m/m。地下結(jié)構(gòu)的自重亦對隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形起一定的緩解作用。

(4)地下水恢復后

待地下水位恢復后，隧道結(jié)構(gòu)最大位移為13.57mm，最大軸力701.52kN/m，最大彎矩172.67kN·m/m。由此可見，在地下水恢復后，隧道結(jié)構(gòu)亦發(fā)生了較為顯著的上浮現(xiàn)象，且由于水壓力作用，隧道結(jié)構(gòu)軸力亦明顯增加，但彎矩則相對較小。

綜上計算結(jié)果可知，無論是基坑開挖、地下結(jié)構(gòu)施工階段，還是地下水恢復階段，盡管外排樁施工對內(nèi)排樁的內(nèi)力產(chǎn)生較大影響，但對隧道結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力影響較小。因此，從保護地鐵隧道角度出發(fā)，外排樁可暫不考慮施工，留待后期同地下結(jié)構(gòu)一起施工。

4 結(jié)論

本文結(jié)合具體工程實例，通過對基坑下臥隧道結(jié)構(gòu)保護分析，提出基坑及地下結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的合理施工方案，具體結(jié)論如下。

(1)通過提前建造地鐵隧道兩側(cè)支護樁及蓋板等地下結(jié)構(gòu)，可較為有效減少對地鐵隧道的影響。

(2)基坑土方開挖卸荷作用，將導致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的隆起變形，且隆起變形量受放坡開挖坡腳線距離影響較大。

(3)地下結(jié)構(gòu)建造，將對隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形產(chǎn)生一定的反壓作用，可在一定程度上緩解隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形。

(4)地下水位恢復，將引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生較為顯著的上浮，故建議待地下結(jié)構(gòu)頂板覆土完成后方可停止降水。