軟土深基坑分區(qū)開挖順序?qū)χёo樁及城軌隧道影響的數(shù)值分析

徐國元，邱蘊佳，劉啟清

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641；2.廣珠城際軌道交通有限責任公司，廣東 廣州 510335)

0 引 言

隨著城市建設(shè)高速發(fā)展，合理開發(fā)大型地下空間顯得愈發(fā)重要?，F(xiàn)今大型地下空間在修建過程中受到城市周邊復雜環(huán)境和狹小空間的制約，不得不緊挨著周邊高層建筑或既有地鐵隧道等敏感結(jié)構(gòu)，從而采取一些科學且嚴格的變形控制措施，減小基坑開挖對相鄰敏感結(jié)構(gòu)的影響。軟土是一種工程性質(zhì)較差的特殊土，處于軟土地區(qū)的深基坑工程會對周邊環(huán)境與結(jié)構(gòu)造成影響，臨近基坑處隧道的不均勻沉降導致結(jié)構(gòu)彎矩增加，會引起隧道襯砌開裂，最后影響臨近隧道的正常運營，這些都需要引起巖土工作者的廣泛關(guān)注和高度重視。因此，進一步研究軟土深基坑開挖對鄰近既有隧道的影響，可為將來類似工程的設(shè)計與施工提供借鑒。

王衛(wèi)東等[1]針對軟土地區(qū)深基坑工程表現(xiàn)出的大、深、緊、近等特點，提出基坑變形應(yīng)該采用合理的變形控制設(shè)計方法控制，其中分區(qū)開挖是有效的變形控制方法之一?；臃謪^(qū)開挖施工通過減小基坑跨度降低對土體的擾動，有利于鄰近結(jié)構(gòu)物的保護；殷一弘[2]通過對深厚軟土地層緊鄰地鐵的深大基坑進行分區(qū)開挖、板式支護與多道支撐相結(jié)合的設(shè)計來減小基坑開挖對地鐵隧道的影響；沈雯等[3]通過分析實測數(shù)據(jù)，研究超深基坑采用分區(qū)開挖過程中基坑卸荷對鄰近地鐵車站與隧道的影響；徐聞達等[4]基于雙面彈性地基梁模型建立了隧道由鄰近基坑開挖引起的縱向變形的簡化計算公式并輔以實例驗證；黃沛等[5]通過數(shù)值計算，探究深大基坑采用分區(qū)開挖施工時臨近地下連續(xù)墻和墻后土體變形受分區(qū)寬度、分區(qū)開挖次序和分隔墻插入比的影響；張治國等[6]以實際工程為依托，采用有限元數(shù)值方法分析了基坑分區(qū)開挖施工對距離較近隧道的保護效果更好；Tan Y等[7]利用實測數(shù)據(jù)進行分析，從多方面討論采用分區(qū)開挖手段對臨近基坑的地鐵隧道產(chǎn)生的影響；付立彬等[8]采用控制基坑的開挖深度，分析支護結(jié)構(gòu)的變形可以通過改變基坑開挖臨界面尺寸得以有效減?。毁R建軍[9]通過現(xiàn)場監(jiān)測分析并利用數(shù)值模擬，探討了鄰近地鐵設(shè)施受到基坑開挖引起的變形影響并提出了相應(yīng)的控制措施。目前針對平行于臨近隧道的基坑分區(qū)開挖施工對其影響的研究還相對較少。

本文以珠海市某大型基坑工程為背景，分析了軟土地區(qū)平行于盾構(gòu)隧道的大型基坑分區(qū)開挖和開挖順序?qū)ψ陨碇ёo結(jié)構(gòu)以及鄰近隧道的影響，以期為此類大型基坑分區(qū)開挖的設(shè)計和施工提供一定的參考。

1 工程概況

本工程擬建項目場地較為平整，周邊道路均已完成，交通便利，周邊道路標高3.8～3.9 m。地塊東面靠近海灣，距海岸線約120 m?；颖眰?cè)地下室邊線距離紅線23.5～38 m；基坑東側(cè)地下室邊線距離紅線15 m；基坑南側(cè)地下室邊線距離紅線15 m；基坑西側(cè)地下室邊線距離紅線10 m。整個基坑呈梯形，其中梯形長邊與城軌隧道走向一致。

廣珠城軌機場延長線區(qū)間盾構(gòu)隧道平行于本項目地下室邊線，由西北角至東側(cè)下穿本項目，地下室邊線至右線隧道邊最小距離約15 m，盾構(gòu)隧道頂部埋深17 m。

項目場地屬海陸交互相沉積地貌單元，基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層有:填土(1-1)、淤泥(2-1)、粗砂(2-4)、淤泥質(zhì)黏土(2-3)、全風化花崗巖(3-1)、強風化花崗巖(3-2)、中風化花崗巖(3-3)。擬建場地地下水主要為第四系孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水。

2 基坑分區(qū)及支護方案

基坑采用φ1 400 mm，間距1 600 mm(或者φ1 600 mm，間距1 750 mm)的灌注樁加兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護形式。采用φ850 mm，間距600 mm三軸攪拌樁(套打一孔)止水帷幕，止水帷幕穿過淤泥層或砂層不小于1.0 m。北側(cè)臨近城軌隧道，止水三軸攪拌樁與支護樁間采用φ600 mm樁間旋噴?？拥撞捎忙?50 mm，間距600 mm攪拌樁加固?？又锌硬捎忙? 000 mm灌注樁+內(nèi)支撐的支護形式。隔離墻厚1.45 m，長32 m，穿過城軌隧道底6 m，緊挨著三軸攪拌樁?；臃譃锳,B,C 3區(qū)塊施工，如圖1所示。基坑總深9.2 m，共分三層開挖，第一層開挖1.5 m，第二層開挖4.5 m，第三層開挖3.2 m?；觾?nèi)設(shè)置2道支撐，第1道支撐位于標高2.3 m處，第2道支撐位于標高-2.2 m處，具體支護結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖1 基坑支護平面布置圖

圖2 基坑支護剖面示意圖

3 計算模型

本工程采用Midas GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型進行分析。數(shù)值模型包括了土體、支護結(jié)構(gòu)、水平支撐體系、鄰近廣珠城軌機場延長線區(qū)間盾構(gòu)隧道。計算模型如圖3所示，模型三維尺寸365 m×410 m×60 m。整個模型共702 283個單元，366 814個節(jié)點。

圖3 計算模型

3.1 計算假設(shè)

(1)計算采用總應(yīng)力法分析。由地質(zhì)勘察可知上部黏土的透水性較差，同時基坑開挖是一種相對短期的工程，因而在計算過程中暫不考慮固結(jié)和地下水滲流對其影響。

(2)施工過程中僅考慮空間效應(yīng)，不考慮時間效應(yīng)。

(3)接觸設(shè)置界面單元，土體與基坑支護結(jié)構(gòu)節(jié)點位移耦合，因此，忽略土體與基坑支護結(jié)構(gòu)之間的相對位移。

3.2 邊界條件及計算參數(shù)

(1)各土層層狀分布均質(zhì)和各向同性，結(jié)構(gòu)體變形和受力均處于彈性范圍內(nèi)。巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型；結(jié)構(gòu)體采用線彈性模型。

(2)計算模型側(cè)向和底部分別施加水平約束、豎向約束，頂面不加約束。

建模過程采用的主要力學參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告計算確定，如表1所示?；佑绊懛秶鷥?nèi)共有6層土體，由上至下包括素填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粗砂、強風化花崗巖和中風化花崗巖，層厚分別為3.5，21，4.2，2，29.3 m?；又ёo結(jié)構(gòu)中，冠梁、腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼構(gòu)柱均采用梁單元模擬，攪拌樁隔離墻、灌注樁等效墻、城軌隧道管片均采用板單元模擬。灌注樁、混凝土冠梁、腰梁、支撐、鋼構(gòu)柱基礎(chǔ)采用C35混凝土，彈性模量為31.5 GPa;鋼構(gòu)柱采用Q345，彈性模量為200 GPa;隧道管片采用C50混凝土，彈性模量為34.5 GPa。鋼構(gòu)柱的泊松比均取0.3，其余結(jié)構(gòu)模型的泊松比均取0.2。

表1 土層主要力學參數(shù)

3.3 模擬工況

本工程地處軟土地區(qū)，地質(zhì)條件較差且基坑面積較大，基坑開挖卸荷引起周邊土體發(fā)生變位，最終導致相鄰土體中的隧道發(fā)生位移[10]，為盡量減小基坑開挖對城軌的影響，本基坑分為A，B，C 3區(qū)塊施工。本次模擬分析4種工況，分別為工況1——基坑不分區(qū)整體開挖；工況2——先開挖中部B區(qū)，待B區(qū)基坑施工完成回填后，再分層對稱開挖A，C區(qū)；工況3——先分層對稱開挖A，C區(qū)，待A，C區(qū)基坑施工完成后，再開挖中部B區(qū)，最完成后B區(qū)基坑施工回填；工況4——按順序A，B，C區(qū)依次開挖施工并完成回填，具體分區(qū)如圖4所示。

圖4 基坑分區(qū)圖

4 開挖順序?qū)ψ冃涡?yīng)影響分析

4.1 隧道變形分析

隧道變形模擬選取臨近基坑北端邊線200 m范圍內(nèi)的城軌隧道作為受不利影響的研究對象，在整體道床頂面鋼軌垂向投影線上每隔0.6 m提取一個變形值。4種工況下城軌隧道位移變形如圖5所示，由圖5可知，工況2隧道的變形最小，其位移云圖如圖6所示。從圖6可以看出，臨近基坑一側(cè)的隧道變形明顯大于距基坑較遠一側(cè)的隧道，工況2的隧道總體位移變形最小，最大位移3.48 mm；工況1的隧道總體位移變形最大，最大位移8.58 mm，這是因為在軟土基坑開挖中，利用“時空效應(yīng)法”控制基坑卸荷變形，將每個施工步的開挖土方空間尺寸合理化減小，同時在基坑擋墻進行支護前減少每個施工步開挖暴露的時間，從而消減土體流變變形[11]，說明分區(qū)開挖這一手段能夠有效控制隧道變形。此外分區(qū)內(nèi)設(shè)置了兩道內(nèi)支撐，同時坑底采用攪拌樁加固，使得土體整體強度得到提升，最大程度上控制了隧道變形。

同時工況2與工況3、4對比發(fā)現(xiàn)，工況3比工況2位移增加了3.18 mm，工況4比工況2位移增加了1.83 mm，由于卸載量變化，隧道變形整體隨著基坑開挖施工面不斷增加，各階段的卸載量決定其變形增加率;導致臨近隧道位移變形增量變大的原因是各個分區(qū)的開挖卸荷，且先開挖基坑面積小的B區(qū)域要比先開挖基坑面積較大的A，C區(qū)域時地鐵變形增量小;不同開挖順序?qū)е峦换铀淼赖淖冃翁匦砸膊槐M相同，工況2由于先開挖面積較小的B區(qū)域，在B區(qū)開挖過程中，未開挖的A區(qū)和C區(qū)依靠基坑內(nèi)未開挖土體的作用可以有效減小B區(qū)開挖引起的坑底隆起和基坑支護結(jié)構(gòu)變形對基坑周邊土體的影響，從而達到減小基坑開挖對鄰近盾構(gòu)隧道變形影響的目的，因此，隧道最終變形小于工況3與工況4的變形。

圖5 各工況下隧道總體變形位移

圖6 工況2隧道總體變形位移云圖

4.2 支護樁變形分析

支護樁變形模擬選取臨近城軌隧道一側(cè)的支護樁長邊作為受不利影響的研究對象，在支護樁墻變形最大處每隔0.6 m提取一個變形值。4種工況下臨近隧道一側(cè)的支護樁位移變形如圖7～8所示，由圖7可知，工況2的支護樁變形最小，豎向位移14.83 mm，橫向位移8.19 mm，其位移云圖見圖9～10；工況1的支護樁變形最大，豎向位移30.12 mm，橫向位移16.08 mm。相比工況1，工況2豎向位移減少了15.29 mm，橫向位移減少了7.89 mm；工況3豎向位移減少了4.68 mm，橫向位移減少了3.12 mm；工況4豎向位移減少了6.98 mm，橫向位移減少了4.06 mm。4種工況整體位移趨勢相近，但相比工況1，基坑邊長較大的工況1基坑支護樁變形明顯大于采用了分區(qū)開挖方式的工況2～4。這是因為基坑的時空效應(yīng)通過分區(qū)施工的方式得到充分利用，在空間上，工況2～4的基坑采用將基坑面積化大為小的分區(qū)方案;在時間上，工況2～4的基坑采用了基坑大化小的方式，同時添加了兩道內(nèi)支撐，有效減小了基坑開挖土體的暴露時間，因此一定程度上控制了支護樁變形。

圖7 各工況下支護結(jié)構(gòu)豎向變形位移

圖8 各工況下支護結(jié)構(gòu)橫向變形位移

圖9 工況2支護結(jié)構(gòu)豎向變形位移云圖

工況2與工況3、4對比，支護樁墻變形最大處位于相近位置。相比于工況2，工況3、4同樣采用相同的分區(qū)進行施工，工況3比工況2豎向位移增加了71.54%，橫向位移增加了58.24%；工況4比工況2豎向位移增加了56.04%，橫向位移增加了46.76%?？梢钥闯黾词狗謪^(qū)方式相同，三者結(jié)果都滿足《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(DBJ/T15-20-2016)中施工過程引起的一級基坑支護結(jié)構(gòu)位移控制值30 mm的規(guī)定，但施工順序?qū)ζ渲ёo結(jié)構(gòu)的影響不可忽視，應(yīng)該選取合理的施工順序達到減小支護變形的目的。

圖10 工況2支護結(jié)構(gòu)橫向變形位移云圖

5 結(jié) 論

(1)通過數(shù)值分析模擬，4種工況下,鄰近的廣珠城軌盾構(gòu)隧道管片最小位移為3.48 mm，支護樁墻最小豎向位移為14.83 mm，最小橫向位移為8.19 mm。均發(fā)生于工況2，即采用分區(qū)開挖方式，先開挖B區(qū)，再開挖A、C區(qū)時對隧道影響最小，為最佳施工工序。

(2)分區(qū)相同的情況下，先開挖B區(qū)比先開挖A、C區(qū)的隧道管片最小位移小了3.18 mm，支護樁墻最小豎向位移小了10.61 mm，最小橫向位移小了4.77 mm；比按順序開挖A、B、C區(qū)的隧道管片最小位移小了1.83 mm，支護樁墻最小豎向位移小了8.31 mm，最小橫向位移小了3.83 mm；不同卸荷路徑對支護與鄰近隧道的影響也不相同。因此在實際工程施工中，合理選擇基坑開挖順序，可有效減少基坑開挖對隧道的影響。

(3)開挖面積較大時其開挖影響也較大，因此在施工過程中不僅要優(yōu)化施工順序，充分利用基坑變形的時空效應(yīng)選擇合理的開挖順序，通過減小基坑開挖引起的地層變形從而減小對周邊敏感結(jié)構(gòu)的影響,而且同時還應(yīng)做好各分區(qū)的支護措施，土方分層開挖時，開挖支撐下一層土方前要確保每道支撐完成并且結(jié)構(gòu)強度滿足要求。