鄰近基坑卸荷情況下地鐵隧道變形規(guī)律及加固措施

王立新 施王帥胤 徐碩碩 范飛飛 唐琨杰

1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安710043；2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，西安710048；3.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064

隨著城市地鐵快速發(fā)展，基坑開挖對近接地下結(jié)構(gòu)的影響成為國內(nèi)外地下工程界研究的熱門課題。邵華等［1］對運(yùn)營中的地鐵隧道鄰近基坑進(jìn)行監(jiān)測，在考慮各種風(fēng)險因素的基礎(chǔ)上對隧道變形和病害進(jìn)行分析，給出隧道變形的關(guān)鍵控制措施。陳郁等［2-3］通過對基坑開挖過程中既有地鐵隧道的監(jiān)測，研究了既有地鐵隧道的隆起規(guī)律，并基于隧道縱向變形規(guī)律采取相應(yīng)的加固措施，降低基坑開挖對既有隧道的擾動。張立明等［4］通過對基坑開挖階段地鐵隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了深基坑采用分期開挖可以有效降低鄰近地鐵隧道變形的結(jié)論。紀(jì)茜堯等［5］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了埋入式隔離樁對地鐵隧道變形和周圍土壓力的影響，得出了埋入式的隔離樁基可以有效減小隧道的豎向和水平位移。Burford［6］以基坑工程對鄰近地鐵隧道的影響為背景，通過對地鐵隧道的長期監(jiān)測得出施工過程中既有地鐵隧道的變形很小并保持隆起的狀態(tài)。

現(xiàn)階段采取的保護(hù)措施多是被動措施，一定程度上能夠有效控制隧道結(jié)構(gòu)的變形，但經(jīng)濟(jì)效益小、風(fēng)險大，而合理的后期規(guī)劃能有效地避免施工后可能出現(xiàn)的安全問題。

本文以西安一地鐵隧道附近基坑工程為依托，采用有限元分析的方法對黃土地層基坑卸荷開挖工程進(jìn)行動態(tài)模擬，研究不同加固工況下既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移變形規(guī)律，明確現(xiàn)場施工時的監(jiān)測要點(diǎn)，并對控制措施的加固效果進(jìn)行評價，為該地區(qū)類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

根據(jù)規(guī)劃，擬在西安一地鐵區(qū)段附近進(jìn)行地鐵車站基坑開挖。該區(qū)段地鐵隧道埋深在8.8～17.6 m。擬開挖基坑尺寸為76 m（長）×29 m（寬）×11.5 m（深）。開挖基坑與既有地鐵隧道之間水平凈距在4.1～23.1 m，地鐵隧道內(nèi)徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m。

該研究區(qū)域地勢較平坦，地面高程為411.63～412.96 m。根據(jù)現(xiàn)場勘探調(diào)查和工程地質(zhì)資料，基坑工程區(qū)域縱斷面地層共有人工素填土、黃土狀土、古土壤、粉質(zhì)黏土、黏土層五層，級配不良，含水量飽和，均呈可塑狀態(tài)。其中人工素填土主要由建筑垃圾、黏性土和零星的生活垃圾構(gòu)成，成分雜亂，疏密不均，土體松軟，結(jié)構(gòu)較松散。

為明確隧道變形控制措施的效果，在該地鐵區(qū)段的隧道施工階段，于隧道上方設(shè)置環(huán)向超前管幕，縱向長100 m，直徑800 mm，環(huán)向間距850 mm。采用預(yù)應(yīng)力錨索提高隧道的穩(wěn)定性，抑制隧道隆起。每根預(yù)應(yīng)力錨索錨固段長8 m，自由段長4 m，總長12 m，孔徑150 mm；鋼絞線3φ15.2；鎖定力200 kN?？垢″^索與管片相連。擬開挖基坑與地鐵隧道的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 擬開挖基坑與地鐵隧道位置示意

2 有限元模型

2.1 模型建立

根據(jù)圣維南原理，基于MIDAS GTS有限元軟件，模型取150 m（長）×110 m（寬）×50 m（深）。模型土體采用3D實(shí)體單元模擬，管片和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡化為2D板單元模擬，基坑內(nèi)支撐均采用1D梁單元，環(huán)向管幕采用植入式梁單元，抗浮錨索采用植入式桁架進(jìn)行模擬。計算模型及加固結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 計算模型及加固結(jié)構(gòu)示意

整體模型施加自重與約束，環(huán)向管幕須在豎直方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動約束。模型土體采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，能反映黃土的內(nèi)在特性。根據(jù)工程地質(zhì)資料，各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)性能參數(shù)參考相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)［7］。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

2.2 基坑近接既有隧道施工過程模擬

數(shù)值模型計算過程不考慮隧道的開挖對地層及周圍環(huán)境的影響。根據(jù)基坑工程施工工序，并綜合考慮對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，計算時將施工階段分為兩個階段進(jìn)行模擬：第一階段建立地應(yīng)力場并構(gòu)建區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)；第二階段開挖基坑并及時支護(hù)。因此，在基坑施工前將第一階段的位移清零，初始應(yīng)力場僅僅考慮自重應(yīng)力。在基坑卸荷時將基坑卸荷區(qū)域分為4個小區(qū)域，每個區(qū)域尺寸為19 m×29 m，按照Ⅰ—Ⅲ—Ⅱ—Ⅳ的順序依次開挖基坑（參見圖2）。開挖前首先施作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行土體的開挖；開挖時豎向分層，每次開挖3 m；每步開挖完成后及時施作內(nèi)支撐，直至開挖至基坑底部，澆筑底板。

具體模擬步驟：①生成初始地應(yīng)力并將位移清零；②激活隧道管片和加固措施，將位移清零；③施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)；④基坑Ⅰ格構(gòu)柱施工；⑤基坑Ⅰ開挖至3 m，施作第一道圍檁和臨時支撐；⑥基坑Ⅰ開挖至6 m，施作第二道圍檁和臨時支撐；⑦基坑Ⅰ開挖至9 m，施作第三道圍檁和臨時支撐；⑧基坑Ⅰ開挖至基坑底部，施作底板；⑨基坑Ⅲ、II、IV開挖（重復(fù)步驟④—⑧）；⑩基坑開挖完成，分析計算結(jié)果。

為檢驗(yàn)主動加固措施的控制能力，建立四種加固措施工況：①未加固；②僅環(huán)向管幕加固；③僅抗浮錨索加固；④環(huán)向管幕和抗浮錨索綜合加固。需要說明的是，未加固是指僅采用常規(guī)的基坑支護(hù)措施，即采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐支護(hù)和分層跳槽開挖方法。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 既有隧道豎向位移

整個施工過程中，左線隧道最大豎向位移均發(fā)生在側(cè)墻和拱頂。右線隧道距基坑較遠(yuǎn)，在施工過程中右線隧道變形一直表現(xiàn)為隆起變形且變化平緩，在基坑Ⅲ開挖結(jié)束后，整體呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此選取左線隧道為研究對象。

左線隧道拱頂和側(cè)墻處的豎向位移變化曲線見圖3。

圖3 左線隧道豎向位移變化曲線

由圖3可知：左線隧道的側(cè)墻和拱頂豎向位移變化趨勢基本一致，在基坑Ⅰ開挖完成后，沉降最大值出現(xiàn)在鄰近基坑Ⅲ、Ⅳ中間的隧道拱頂處，隧道縱向呈現(xiàn)中間沉降兩邊隆起的現(xiàn)象，沉降最大值為3.86 mm；隨著基坑Ⅲ的開挖，隧道整體受到基坑Ⅲ開挖卸荷的影響而呈現(xiàn)上浮趨勢；由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工導(dǎo)致周圍土體和左線隧道發(fā)生沉降，但當(dāng)基坑Ⅲ開挖完成后，大范圍卸荷引起的隧道隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的隧道沉降相互抵消，導(dǎo)致左線隧道拱頂處沉降最大值接近0；當(dāng)基坑Ⅱ內(nèi)土體卸荷完成后，隧道繼續(xù)上抬，整體呈隆起狀態(tài)，最大值為8.58 mm；隨著基坑Ⅰ、Ⅲ先后完成開挖，最大的隆起變形區(qū)間出現(xiàn)在基坑Ⅰ、Ⅱ鄰側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)處；當(dāng)基坑Ⅳ開挖完成后，左線隧道變形呈正態(tài)分布，中間隆起較大，兩邊較小，隆起最大值為9.68 mm。

由于基坑卸荷過程中隧道最大變形位于左線隧道中心左側(cè)墻處，判斷此處為基坑開挖過程中隧道的最不利位置。該點(diǎn)在整個施工過程中的豎向位移見圖4?？芍?，整個施工過程中隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大豎向位移始終小于變形控制指標(biāo)最大值（10 mm）［8］，說明超前環(huán)向管幕、抗浮錨索等措施對提高既有隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性有顯著效果。

圖4 基坑施工中左線隧道左側(cè)墻豎向位移

需要注意的是，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降變形，在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中須加強(qiáng)監(jiān)測，避免因支護(hù)結(jié)構(gòu)施工而引起隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大沉降。在基坑Ⅰ開挖過程中，豎向位移變化較快，在第二層土體卸荷完成后，沉降值從7.11 mm突變至1.82 mm，隧道結(jié)構(gòu)位移變化速率過大易導(dǎo)致安全事故發(fā)生，須采取措施限制隧道結(jié)構(gòu)的位移變化速率并加強(qiáng)對隧道變形的實(shí)時監(jiān)測，確保地鐵運(yùn)營的安全穩(wěn)定。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移

基坑開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移分布見圖5?？芍夯英耖_挖完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為沉降變形，沉降最大值為12.55 mm；由于基坑Ⅰ內(nèi)土體卸荷的原因，基坑Ⅰ圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起，隆起最大值為3.67 mm；基坑Ⅲ開挖完成后，整體仍表現(xiàn)為沉降變形，沉降最大的位置從基坑Ⅲ、Ⅳ交界處移至基坑Ⅳ邊墻，沉降最大值為7.12 mm，隆起最大值為4.64 mm；基坑Ⅱ開挖完成后，整體結(jié)構(gòu)的隆起變形占70%以上，隆起最大值為9.61 mm，沉降最大值為6.18 mm；基坑Ⅳ開挖完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體都發(fā)生了隆起，隆起最大值出現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中心處，為10.35 mm。圖中所示百分?jǐn)?shù)為該區(qū)段位移在圖中所在的比例。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移變化云圖

基坑底部中點(diǎn)處的豎向位移變化曲線見圖6。可知：圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作后，基坑底部發(fā)生沉降變形，沉降最大值為9.62 mm；基坑Ⅰ開挖卸荷階段，基坑Ⅰ底部中點(diǎn)位移變化速率較快，位移增量為24.92 mm；基坑Ⅲ開挖卸荷階段，基坑Ⅲ底部中點(diǎn)隆起位移增加至15.49 mm，變化量為22.77 mm；基坑Ⅱ開挖卸荷階段，基坑Ⅱ底部中點(diǎn)位移增量為21.86 mm，底板Ⅱ隆起21.93 mm；基坑Ⅳ開挖卸荷階段，基坑Ⅳ底部中點(diǎn)變形增量為22.80 mm，底板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的最終隆起位移分別為22.42、23.74、24.18、21.25 mm。

圖6 基坑施工中其底部豎向位移變化

由于底板的豎向位移變化速率和位移均較大，可采用堆載回壓的方法，在底板澆筑完成并具有一定強(qiáng)度后及時堆載，抑制坑底土體的隆起變形。同時，在施工過程中須加強(qiáng)對基坑底部的監(jiān)測，防止結(jié)構(gòu)變形過大而影響結(jié)構(gòu)使用性能。

3.3 既有隧道抗浮錨索軸力

基坑開挖結(jié)束抗浮錨索最終的軸力分布見圖7?？芍?，抗浮錨索所受最大軸力為108.08 kN，滿足抗浮錨索的安全儲備，抗浮錨索在安全狀態(tài)下起到控制隧道結(jié)構(gòu)變形的作用。圖中所示百分?jǐn)?shù)為該區(qū)段軸力在圖中所在的比例。

圖7 既有隧道抗浮錨索軸力分布云圖

4 控制措施加固效果對比分析

對比四種工況下隧道的豎向和水平位移變化規(guī)律，研究不同加固措施對既有隧道變形的控制效果。

4.1 既有隧道豎向位移控制效果

基坑開挖完成后不同控制措施下既有隧道豎向位移變化曲線見圖8?？芍翰捎每垢″^索和環(huán)向管幕綜合加固措施后，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移最小，最大值為9.68 mm，小于變形控制指標(biāo)最大值（10 mm）［8］，加固效果明顯，滿足隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)；僅采用環(huán)向管幕控制措施、僅采用抗浮錨索控制措施、未采用加固措施時隧道豎向位移最大值分別為12.18、11.02、13.23 mm，比采用綜合加固措施分別增加了2.50、1.34、3.55 mm，僅采用環(huán)向管幕加固效果不明顯，僅采用抗浮錨索加固效果較好，這三種工況均有部分結(jié)構(gòu)豎向位移超過10 mm，不滿足安全控制要求。

圖8 既有隧道左線側(cè)墻隧道豎向位移變化曲線

4.2 既有隧道水平位移控制效果

沿隧道縱向在左右線隧道側(cè)墻選取四條測線，研究控制措施對隧道水平位移的影響?；娱_挖完成后不同控制措施下隧道水平位移最大值變化曲線見圖9?？芍孩傧嗤刂拼胧┫拢淼浪轿灰茝拇蟮叫∫来螢樽缶€左側(cè)墻、右線左側(cè)墻、右線右側(cè)墻、左線右側(cè)墻，最終水平位移在-2.22～1.55 mm。②各控制措施下，左線左右側(cè)墻位移差與右線左右側(cè)墻位移差相差不大，最大差值均小于3.80 mm，說明隧道左右線最終橫向收斂最大值小于3.80 mm。③各控制措施下，隧道水平位移和變化速率均較小，其中采用綜合控制措施后，水平位移最大值僅1.92 mm，遠(yuǎn)小于隧道結(jié)構(gòu)水平位移安全控制標(biāo)準(zhǔn)值10 mm，滿足安全儲備要求。④不同控制措施下隧道的水平位移最大值接近，僅采用抗浮錨索和僅采用環(huán)向管幕加固措施對于限制管片水平位移的作用效果并不明顯；控制措施對于左線的加固效果優(yōu)于右線。

圖9 不同加固措施隧道水平位移最大值變化曲線

5 結(jié)論

1）基坑全部卸荷完成后，相比于遠(yuǎn)基坑隧道，近基坑隧道出現(xiàn)較大位移變化；隧道豎向變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平變形，施工過程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測管片豎向變形；基坑開挖過程中，左線隧道沿縱向豎向位移經(jīng)歷了從中間沉降兩邊隆起到中間隆起大兩邊隆起小的過程。

2）基坑卸荷過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隆起最大值為10.35 mm，沉降最大值為12.55 mm。由于底板的豎向位移變化速率和位移均較大，須加強(qiáng)監(jiān)測并采用控制措施限制坑底土體的回彈變形。

3）僅采用環(huán)向管幕或僅采用抗浮錨索對于控制隧道水平變形沒有明顯的效果，對于控制隧道豎向變形有較好的效果。僅采用抗浮錨索的效果優(yōu)于僅采用環(huán)向管幕；采用綜合加固措施可以滿足隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)，作用效果顯著。