城市地下道路基坑開挖致下臥共線隧道上浮規(guī)律及控制*

姚曉勵(lì)，馬 杰，劉 飛，謝晟偉

(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082； 2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

為了緩解城市交通壓力，突破地面交通發(fā)展瓶頸，越來越多的城市開展的城市快速路網(wǎng)建設(shè)以地下道路形式出現(xiàn)。而這些新建城市的地下道路不可避免地經(jīng)常出現(xiàn)與既有地鐵運(yùn)營線路相重合或相交情況。地下道路網(wǎng)的建設(shè)往往采用明挖法施工，基坑開挖不可避免地引起鄰近地鐵隧道周邊土體卸載，地基土應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使得隧道產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力，輕則使隧道產(chǎn)生水平位移或上浮，重則導(dǎo)致隧道管片開裂破壞。對(duì)于已運(yùn)營隧道，厘米級(jí)變形會(huì)加劇隧道管片漏水，出現(xiàn)管片裂損崩角，影響接觸網(wǎng)導(dǎo)高，使得地鐵道床變形影響軌道標(biāo)高，從而易于引發(fā)各種地鐵運(yùn)營事故。因此，研究基坑開挖對(duì)下臥隧道的上浮規(guī)律影響至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問題的研究以有限元數(shù)值分析[1-4]和實(shí)測分析[5-6]、理論解析[7-8]及模型試驗(yàn)[9-10]為主。在數(shù)值分析方面，Dole?alov[1]使用數(shù)值模擬法分析了硬質(zhì)地層中下臥隧道對(duì)基坑開挖卸載響應(yīng)規(guī)律，其結(jié)果與實(shí)際相符。馮曉臘等[2]基于HS本構(gòu)模型，采用數(shù)值模擬法研究了武漢某深基坑開挖卸載對(duì)周邊土體及既有隧道的影響，所得結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合。Lo等[3]采用數(shù)值模擬法研究了多倫多粉質(zhì)黏土地層中基坑開挖對(duì)下臥隧道的影響；陳仁朋等[4]通過數(shù)值分析方法比較了基坑分塊開挖、被動(dòng)區(qū)土體加固及隔斷墻等幾種典型隧道保護(hù)措施的效果。在實(shí)測分析方面，魏綱等[5]采用實(shí)測分析法研究了14個(gè)采取加固控制措施的基坑工程案例，得到基坑開挖對(duì)下臥隧道上浮影響的一些影響規(guī)律；黃愛軍[6]根據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬得到加固土地層中隧道上浮變形與基坑放置時(shí)間、開挖寬度及相對(duì)位置的關(guān)系。在理論解析方面，張治國等[7]、陳郁等[8]基于Winkler模型，對(duì)基坑開挖卸載致下臥隧道變形規(guī)律進(jìn)行了兩階段法分析，較好地預(yù)測了隧道的上浮變形。在模型試驗(yàn)方面，Huang等[9]開展了一系列離心模型試驗(yàn)，探討了深基坑開挖卸載對(duì)下臥隧道位移的影響；魏少偉[10]通過離心機(jī)模型試驗(yàn)分析了開挖卸荷條件下臨近既有隧道橫截面附加內(nèi)力和變形的分布規(guī)律。然而，當(dāng)前針對(duì)基坑開挖引起隧道變形影響規(guī)律的研究雖然較多，但地下道路基坑開挖對(duì)其下臥長距離共線的地鐵運(yùn)營隧道的變形影響分析還鮮見報(bào)道。該長距離共線問題更為突出，由于分段開挖的影響會(huì)相互疊加，使得隧道上浮量增大。故該方向值得進(jìn)行進(jìn)一步探討。

本文進(jìn)行了基坑與下臥隧道長距離共線工程案例的實(shí)測分析，獲得了隧道在地下通道施工全過程的變形演變規(guī)律；探討了基坑開挖過程中下臥隧道抗浮措施的控制效果，可為今后同類工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本文依托某城市快速化改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目道路全長約4.8km，基坑與隧道共線長度為3.08km，最大開挖寬度52.7m，最大開挖深度約17.0m，基坑與隧道凈距最小6m。主體基坑采用明挖法施工，既有地鐵11號(hào)線左線隧道位于基坑斜下方，右線隧道位于圍護(hù)樁下方。其中，K2+847剖面如圖1所示。既有地鐵隧道為盾構(gòu)法施工隧道，頂部埋深16.5～23.5m。隧道襯砌環(huán)內(nèi)徑6.0m，外徑6.7m，環(huán)寬1.5m。據(jù)地鐵隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求，基坑開挖過程中隧道水平和豎向位移≤20mm，且上浮速率≤1mm/d，曲線段曲率半徑≥15 000m，變形縫差異沉降≤10mm。為保證隧道變形滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，開挖過程中對(duì)地鐵隧道水平位移及沉降開展實(shí)時(shí)監(jiān)測。地鐵隧道中每隔10m設(shè)1個(gè)監(jiān)測斷面，變形測點(diǎn)分別在隧道頂部、底部及腰部布置4個(gè)測點(diǎn)。第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐，水平間距為6m；第2，3道支撐采用鋼支撐，水平間距為3m。

圖1 K2+847剖面(單位：m)

1.2 地質(zhì)條件

場地土層自上而下為人工填土層、淤泥層、黏土層、礫質(zhì)黏性土層和全風(fēng)化粗?；◢弾r層。其中，淤泥土層為軟弱地層，具有高壓縮性和高滲透性特點(diǎn)，工程力學(xué)性能差。礫質(zhì)黏土為花崗巖殘積土。該土層具有顯著的結(jié)構(gòu)性、遇水軟化、崩解特性等。場地地層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示，其中Eur為回彈模量。地下水位埋深變化于1.6～3.9m，地鐵隧道主要位于礫質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖中。K2+847剖面的地質(zhì)具體剖面如圖1所示。

表1 主要土層物理參數(shù)

1.3 現(xiàn)有地鐵保護(hù)措施

基坑開挖時(shí)采用分段、分層、分幅和結(jié)構(gòu)緊跟的方式控制地鐵隧道上浮量。在場地條件允許情況下，增設(shè)分倉施工、留土反壓等措施，避免地鐵上浮量持續(xù)發(fā)展。通過地基加固、優(yōu)化卸載等措施，以達(dá)到減少開挖卸荷影響、保護(hù)隧道安全正常運(yùn)營的目的。

2 基坑開挖隧道上浮變形實(shí)測分析

2.1 地鐵隧道縱向上浮與基坑開挖關(guān)系

K2+847剖面左線隧道上浮變形隨時(shí)間變化曲線如圖2所示，其中可發(fā)現(xiàn)隧道上浮變形與基坑土方開挖深度有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系?；娱_挖過程中，下臥隧道變形以上浮變形為主，水平變形相對(duì)較小。由圖可見，變形曲線可見3個(gè)明顯上浮段，其中第1，2上浮段均為監(jiān)測斷面上方土體開挖所致，第3上浮段由春節(jié)復(fù)工后監(jiān)測斷面臨近土體開挖引起。上浮段之間的隧道變形穩(wěn)定段均未進(jìn)行其他開挖作業(yè)。隧道監(jiān)測斷面上方土體初次開挖，即發(fā)生隧道豎向變形陡增，雖然采取了一定的補(bǔ)救措施，但變形值已達(dá)到14mm。后續(xù)土體開挖過程中，雖然采用調(diào)整開挖分節(jié)長度、開挖完成立即進(jìn)行底板澆筑和壓重等施工方案，但開挖過程仍使得地應(yīng)力釋放，隧道發(fā)生一定上浮，最終變形值增大超出控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 K2+847剖面隧道上浮實(shí)測變形量

坑底最后一層土開挖后，隧道上浮速率與上浮量均發(fā)生顯著增加，該部分土體開挖階段發(fā)生的隧道變形量占總變形量比例最大>50%，反映出隧道變形與隧道頂卸載量有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。上方基坑開挖，下臥隧道變形呈現(xiàn)三階段形式，即上浮段、穩(wěn)定段、回落段?；娱_挖卸載致地基土回彈并致隧道發(fā)生上浮。隨著開挖深度增大，地基回彈變形顯著區(qū)域逐漸下移致隧道高度處，從而導(dǎo)致隧道上浮明顯增大。隨著底板澆筑完成，變形應(yīng)力逐漸釋放，隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形值趨于穩(wěn)定。施工持續(xù)進(jìn)行，上部主體結(jié)構(gòu)逐漸完成，隧道上方荷載增加，隧道變形曲線回落。

縱向隧道上浮變形與基坑施工工況對(duì)應(yīng)如圖3所示。由圖可知，基坑放坡段坡腳處隧道的上浮變形值最大(K2+784，K2+847)，分別為19.7，20.4mm。如G段所示，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)施工完畢并及時(shí)回填土方時(shí)，該處的最大上浮量發(fā)生明顯回落,變形接近0。可見結(jié)構(gòu)施工及拱頂土方回填對(duì)隧道上浮控制有明顯作用。

圖3 不同基坑施工工況下隧道上浮變形量

2.2 地鐵隧道上浮與地鐵隧道下臥土層的影響

本案例中開挖基坑與下臥隧道長距離共線，不同樁號(hào)下隧道的下臥土層主要有礫質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和全風(fēng)化花崗巖3種類型，其三軸加載-卸載-加載模量分別為25.5，135，45.0MPa。各樁號(hào)截面地鐵下臥土層剛度變化，對(duì)地鐵隧道約束及應(yīng)力釋放效果不同。整理監(jiān)測數(shù)據(jù)，隧道上浮變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。在相近情況下，礫質(zhì)黏性土作為隧道下臥土層時(shí)條件最差，隧道結(jié)構(gòu)上浮量大于其他2種情況。此外，相較于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，下臥土層為全風(fēng)化花崗巖時(shí)隧道結(jié)構(gòu)上浮量更大，差值約30%。可見地鐵隧道上浮現(xiàn)象受下臥土層性質(zhì)影響明顯，土體卸載模量越大則上浮量越小。

圖4 不同土層下隧道最大上浮變形

3 基于抗浮框架的隧道上浮控制措施

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，K2+780—K2+860段隧道上浮變形超限。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，采取“豎井開挖+抗浮板+抗拔樁”的隧道上浮控制措施對(duì)隧道變形的控制效果較好，且符合桂廟路快速化工程的隧道保護(hù)實(shí)際情況。該措施首先施作抗拔樁，然后通過豎井開挖至基坑底面下施作抗浮板，并將抗浮板與抗拔樁剛性連接。待抗浮板完成后，再進(jìn)行回填土方，具體施工流程如圖5所示?？垢“褰Y(jié)構(gòu)斷面和現(xiàn)場施工如圖6，7所示。本文采用PLAXIS3D軟件對(duì)該方案的隧道上浮控制效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

圖5 豎井跳挖法+抗浮框架施工工況流程

圖6 抗浮框架剖面示意

3.1 模型介紹

圖7 豎井跳挖法+抗浮框架現(xiàn)場施工

數(shù)值模擬中“豎井開挖+抗浮框架”方案中各結(jié)構(gòu)相對(duì)位置如圖8所示。模型中基坑尺寸按K2+847剖面設(shè)置，開挖寬度和開挖深度分別為45.5，16.3m?；涌拥拙嗨淼理敳?.1m，不考慮地下水影響。為降低邊界效應(yīng)對(duì)模擬的影響，Lim等[11]提出計(jì)算邊界應(yīng)取基坑4倍以上的開挖深度，故最終模型尺寸取400m × 150m × 64m，如圖9所示。模型的四周邊界施加水平方向位移約束，模型底部同時(shí)施加水平與豎直方向位移約束。

圖8 “豎井跳挖+抗浮框架”方案模擬平面布置與剖面(單位：m)

圖9 三維有限元模型(單位：m)

3.2 參數(shù)設(shè)置

表2 土體參數(shù)

模型結(jié)構(gòu)參數(shù)均采用線彈性模型。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置參考陳仁朋等[13]所用模型，采用不可滲透的板單元模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)；地鐵襯砌采用均質(zhì)板單元模擬；結(jié)構(gòu)底板采用不可滲透的板單元模擬；具體參數(shù)如表3所示，其中E1(橫向)與E2(縱向)是板所在平面的2個(gè)方向引入不同的彈性模量。采用梁單元模擬鋼筋混凝土支撐；采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬鋼支撐；具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，其中EA為截面抗壓剛度，s為水平間距。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道襯砌參數(shù)

表4 支撐參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果

如圖10所示，現(xiàn)場實(shí)測值與反演值基本吻合，可認(rèn)為該模型計(jì)算較準(zhǔn)確。對(duì)于K2+900前的無保護(hù)措施區(qū)域，隧道的最大上浮變形值為23.6mm，且上浮變形均>15mm。而對(duì)于K2+900后的“豎井跳挖+抗浮板框架”隧道保護(hù)區(qū)域，隧道最大上浮變形值為6.1mm，上浮變形均<10mm，對(duì)比無保護(hù)區(qū)域，上浮變形降低74.1%，滿足隧道保護(hù)要求?？梢姟柏Q井跳挖+抗浮框架”措施對(duì)控制基坑下臥隧道的上浮變形值效果較好。

圖10 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析了長距離基坑開挖對(duì)下臥隧道上浮變形的影響規(guī)律，并通過數(shù)值分析方法研究了“豎井跳挖+抗浮框架”方案的隧道上浮控制效果，主要結(jié)論如下。

1)上方基坑開挖，下臥隧道的變形呈現(xiàn)三階段形式，即上浮段、穩(wěn)定段、回落段。基坑開挖卸載，地基土回彈使隧道發(fā)生上浮。隨著底板澆筑完成，變形應(yīng)力逐漸釋放，隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形值趨于穩(wěn)定。施工持續(xù)進(jìn)行，上部主體結(jié)構(gòu)逐漸完成，隧道上方荷載增加，隧道變形曲線回落。

2)坑底最后一層土開挖后，隧道上浮速率與上浮量均發(fā)生顯著增加，該部分土體開挖階段發(fā)生的隧道變形量占總變形量比例最大>50%。

3)當(dāng)上部結(jié)構(gòu)施工完畢并及時(shí)回填土方時(shí)，該處的最大上浮量變形接近0，即結(jié)構(gòu)施工及拱頂土方回填對(duì)隧道上浮控制有明顯作用。

4)“豎井跳挖+抗浮板框架”隧道保護(hù)區(qū)域，隧道最大上浮變形值為6.1mm，上浮變形均<10mm，對(duì)比無保護(hù)區(qū)域，上浮變形降低74.1%，滿足隧道保護(hù)要求。可見“豎井跳挖+抗浮框架”措施對(duì)控制基坑下臥隧道的上浮變形值效果較好。