偏壓條件下地鐵工作井開挖安全及井-隧相互影響研究

張宇翔,焦玉勇*,荊 武,鐘 天,黃才彬

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

近年來，隨著城市建設(shè)加快，“城市病”問題日益突出，城市地下空間的開發(fā)與利用已成為發(fā)展的必然趨勢[1]。而在開發(fā)利用城市地下空間的過程中，不可避免地會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，尤其是當(dāng)不同的工程相繼施工時(shí)，會(huì)對周邊環(huán)境產(chǎn)生更加復(fù)雜的影響，甚至導(dǎo)致建筑物、管線等發(fā)生破壞。比如在修建城市軌道交通工程時(shí)，地鐵工作井(以下稱深基坑)開挖完成后，以其側(cè)壁作為工作面進(jìn)行隧道的開挖，將會(huì)導(dǎo)致深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境出現(xiàn)更進(jìn)一步的變形，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致深基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞。

針對深基坑開挖安全，已有學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,目前所采用的研究方法主要是對現(xiàn)場收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2-3]，如：黃山景等[4]研究發(fā)現(xiàn),在非對稱荷載作用下，圍護(hù)樁樁頂會(huì)產(chǎn)生整體的旋轉(zhuǎn)變形，樁身會(huì)產(chǎn)生水平與切向兩個(gè)方向的位移；Ou等[5]的研究表明,在受非對稱荷載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移會(huì)大于不受荷載一側(cè)，受荷載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩也會(huì)處于更深的位置。還有學(xué)者結(jié)合相關(guān)基坑工程實(shí)例進(jìn)行了理論推導(dǎo)，如張浩等[6]通過理論推導(dǎo)，得到了堆載作用下地基附加側(cè)應(yīng)力表達(dá)式，并得出樁前土體側(cè)移作用下樁身實(shí)際附加荷載，同時(shí)給出了結(jié)構(gòu)樁被動(dòng)受力的半解析解。另外，對于深基坑的非對稱設(shè)計(jì)也有相關(guān)的研究[7-8]，如：有學(xué)者提出使用分離荷載結(jié)構(gòu)模型，通過尋找支撐不動(dòng)點(diǎn)來對兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)；還有學(xué)者提出將偏壓側(cè)的支護(hù)內(nèi)力與支撐軸力作為初始條件施加到不受偏壓一側(cè)，同時(shí)施加靜止土壓力作為初始條件，通過力的平衡與位移協(xié)調(diào)計(jì)算，可得到墻后土壓力及支撐內(nèi)力。但由于這些方法對基坑工程進(jìn)行了過度簡化以及方法本身的限制，并未得到廣泛的應(yīng)用。以基坑工程為依托進(jìn)行數(shù)值模擬的方法得到了廣泛應(yīng)用,如:陳軍等[9]研究了多級支護(hù)條件下非對稱荷載基坑的變形特征，并分析了留臺(tái)寬度、高度以及加固深度等關(guān)鍵參數(shù)的影響；高億文等[10]、Xu等[11]、Guo等[12]分析了不同因素對非對稱荷載作用下深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及鄰近土體應(yīng)力分布的影響。

關(guān)于深基坑開挖井-隧之間的相互影響，目前的研究主要集中在深基坑開挖對隧道變形的影響，如：Zhang等[13]通過大量數(shù)值模擬得到了隧道位移與深基坑開挖寬度和深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、地層參數(shù)、深基坑與隧道位置之間的相互關(guān)系，并據(jù)此建立了簡化的預(yù)測方法，用于預(yù)測軟黏土中深基坑開挖引起的隧道位移；羅鑫等[14]針對基坑開挖對下臥隧道變形的影響進(jìn)行了理論分析，通過數(shù)值模擬方法對幾種加固措施下的加固效果進(jìn)行分析并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比；戴軒等[15]通過三維數(shù)值模擬分析了隧道開挖對在建深基坑變形的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隧道下穿基坑會(huì)使基坑已施工完成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐產(chǎn)生差異變形。

武漢市南北跨及揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和秦嶺褶皺系，第四系地層分布廣，地質(zhì)條件復(fù)雜，這種獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境使得武漢市地下空間開發(fā)面臨著地下水、斷裂構(gòu)造、巖溶塌陷、軟土地面沉降的挑戰(zhàn)，而深基坑開挖的復(fù)雜性使得基坑的開挖特性具有一定的地域性。目前有關(guān)武漢地區(qū)深基坑變形已有一定程度的研究[16-17]，但對于在偏壓條件下深基坑變形特性及井-隧相互影響的研究報(bào)道較少。因此，本文以武漢地鐵19號線5標(biāo)段4號井為例，依托工程地質(zhì)勘察資料建立三維數(shù)值模型對深基坑變形進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算與分析，并在地鐵施工過程中對深基坑周邊地表沉降、圍護(hù)樁深層水平位移、支撐軸力進(jìn)行了全程現(xiàn)場監(jiān)測，通過將數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，研究了偏壓條件下地鐵深基坑開挖安全及井-隧相互影響。

1 工程背景及地質(zhì)概況

本工程建設(shè)場地位于長江三級階地，根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，該場地地層密實(shí)性、透水性、厚度等不均一，地下水水位不連續(xù)，總體水量不大，水位埋深為0.3～4 m，主要地層為填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，各地層基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。場地巖溶在施工前均已探明并進(jìn)行了注漿填充。該場地北側(cè)為一山體，距深基坑約10 m，深基坑開挖完成之后，以深基坑的南側(cè)壁與北側(cè)壁進(jìn)行隧道的施工。

表1 某工程建設(shè)場地地層基本物理力學(xué)參數(shù)

深基坑設(shè)計(jì)長為30.8 m、寬為27.8 m，開挖深度為24.25 m，在施工過程中，由于地鐵工作井開挖產(chǎn)生的渣土運(yùn)輸不及時(shí)，導(dǎo)致大量的渣土堆積在深基坑南側(cè)，使地鐵工作井處于嚴(yán)重的偏壓作用下，更加增大了工程施工的風(fēng)險(xiǎn)。

2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)深基坑深度以及周邊工程地質(zhì)條件，深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的支護(hù)方案。鉆孔灌注樁直徑為1 200 mm，樁間距為1 500 mm，樁長為28 m；內(nèi)支撐采用一道混凝土支撐加三道鋼支撐，第一道內(nèi)支撐為混凝土支撐，支撐截面尺寸為800 mm×1 000 mm，第二、三、四道內(nèi)支撐為鋼支撐，采用直徑為800 mm、壁厚為16 mm的鋼管撐。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖，見圖2。

圖1 某工程建設(shè)場地周邊環(huán)境

圖2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

3 地鐵工作井開挖安全及井-隧相互影響的數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)場地地質(zhì)情況及設(shè)計(jì)資料，采用數(shù)值軟件FLAC3D對深基坑在開挖過程中的變形特征以及隧道開挖對深基坑變形的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。建立的數(shù)值模型兩側(cè)邊界取5倍的開挖深度，高度取2倍的開挖深度，最終模型長為116 m、寬為116 m、高為50 m，模型共劃分為377 860個(gè)單元、69 094個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖3。

圖3 數(shù)值模型

模型前后與左右邊界均設(shè)置為法向約束邊界，模型底部邊界設(shè)置為固定約束邊界。鉆孔灌注樁采用相應(yīng)厚度的地下連續(xù)墻即地連墻代替，地連墻可采用實(shí)體單元模擬，考慮為線彈性材料，其楊氏模量為20 GPa、泊松比為0.2、嵌固深度為4 m；內(nèi)支撐采用Beam結(jié)構(gòu)單元模擬，鋼支撐楊氏模量為200 GPa、泊松比為0.3，混凝土支撐楊氏模量為20 GPa、泊松比為0.2。模型共建立4層地層。為了模擬山體與渣土堆放對深基坑變形的影響，在模型北側(cè)上表面施加漸變荷載來模擬山體，模型南側(cè)施加70 kPa的均勻應(yīng)力模擬渣土堆。巖土體本構(gòu)采用莫爾-庫倫模型(Mohr-Coulomb)。由于在地鐵隧道開挖前，渣土堆已清運(yùn)完畢，深基坑僅受到山體偏壓作用的影響，故隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用殼(Shell)單元模擬。

3.2 施工工況設(shè)置

將模型計(jì)算至初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)并施加圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，按照現(xiàn)場情況，本次數(shù)值模擬共設(shè)置了9種施工工況，各工況對應(yīng)的開挖流程見表2。在深基坑及周邊環(huán)境設(shè)置地表沉降測線、圍護(hù)樁深層水平位移測點(diǎn)，對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行記錄，以便下文進(jìn)行分析，具體數(shù)值模擬測線和測點(diǎn)位置平面圖，具體見圖4。

表2 施工工況設(shè)置

圖4 數(shù)值模擬測線和測點(diǎn)位置平面圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 深基坑水平位移云圖分析

根據(jù)偏壓條件下深基坑開挖過程中深基坑周邊地表沉降、圍護(hù)樁深層水平位移的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，選取工況一、工況五、工況九3種工況，在南北(A-B)與東西(C-D)兩個(gè)方向上(見圖4)進(jìn)行切片，得到在3種工況下不同方向的深基坑水平位移云圖，見圖5。為了更加明顯地看出位移的變化情況，將位移放大400倍。

由圖5可見：在深基坑開挖過程中，深基坑南側(cè)和北側(cè)受偏壓的影響大，其地表沉降和圍護(hù)樁深層水平位移的變化規(guī)律與東側(cè)、西側(cè)不同，呈現(xiàn)出明顯的非對稱性；深基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)不受偏壓的影響，其地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移呈現(xiàn)出對稱性。圍護(hù)樁最大深層水平位移的位置隨深基坑開挖的進(jìn)行逐漸下移，圍護(hù)樁變形也逐漸變化為“凸肚型”。在隧道開挖后，由于受到山體偏壓的影響以及隧道為南北向開挖，深基坑南側(cè)、北側(cè)地表沉降和圍護(hù)樁深層水平位移發(fā)生了顯著變化，而深基坑?xùn)|側(cè)、西側(cè)受到來自隧道開挖的影響不明顯；隧道開挖施工初期深基坑對隧道的影響不大。

圖5 不同工況下不同方向的深基坑水平位移云圖

3.3.2 圍護(hù)樁深層水平位移分析

通過對深基坑南、北兩側(cè)圍護(hù)樁深層水平位移曲線(見圖6)進(jìn)行對比分析可知：

圖6 深基坑南、北兩側(cè)圍護(hù)樁深層水平位移曲線對比

(1) 在深基坑開挖階段，深基坑兩側(cè)圍護(hù)樁深層水平位移曲線為“前傾型”，兩側(cè)圍護(hù)樁的變形方向均為向深基坑內(nèi)；隨著開挖深度的增加，深基坑兩側(cè)的圍護(hù)樁最大深層水平位移的位置不斷下移，兩側(cè)圍護(hù)樁深層水平位移曲線逐漸發(fā)展為“凸肚型”；在深基坑開挖結(jié)束后，深基坑北側(cè)的圍護(hù)樁深層水平位移明顯大于南側(cè)，但水平位移值均在控制范圍內(nèi)，深基坑整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，偏壓的作用還會(huì)使圍護(hù)樁樁頂?shù)纳顚铀轿灰泼黠@增大，故在對偏壓作用下的深基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意控制深基坑圍護(hù)樁上部的位移量。

(2) 隧道的開挖會(huì)使深基坑兩側(cè)的圍護(hù)樁重新產(chǎn)生位移，但深基坑南、北兩側(cè)圍護(hù)樁的深層水平位移變化特征不同。深基坑南側(cè)圍護(hù)樁隨著隧道開挖的進(jìn)行，開挖深度15 m以上的圍護(hù)樁向深基坑外側(cè)移動(dòng)，開挖深度15 m以下的圍護(hù)樁向深基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，圍護(hù)樁上部最終變形量為0.33mm，圍護(hù)樁下部最終變形量為4.95 mm；深基坑北側(cè)圍護(hù)樁深層水平位移隨隧道的開挖不斷增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體朝深基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，圍護(hù)樁下部變形較上部大，最大位移深度基本不變，位于17.5 m處，最終變形值為12.15 mm。由于深基坑南、北兩側(cè)的地層模擬參數(shù)和施工順序一致，因此在偏壓條件下隧道的開挖會(huì)使深基坑繼續(xù)產(chǎn)生非對稱變形。

3.3.3 地表沉降分析

通過對深基坑南、北兩側(cè)地表沉降曲線(見圖7)進(jìn)行對比分析可知：

圖7 深基坑南、北兩側(cè)地表沉降曲線對比

(1) 在深基坑開挖階段，由于深基坑南側(cè)與北側(cè)所受到的偏壓大小不等，使得深基坑北側(cè)的地表沉降曲線呈現(xiàn)“三角型”，深基坑南側(cè)的地表沉降曲線呈現(xiàn)“凹槽型”，深基坑南側(cè)的最終地表沉降值大于北側(cè)；深基坑北側(cè)的地表沉降在靠近山體的地方達(dá)到最大值，深基坑南側(cè)的地表沉降則在渣土堆放位置達(dá)到最大值，深基坑兩側(cè)的地表沉降值均處于可控范圍內(nèi)。

(2) 在隧道開挖階段，隧道開挖使深基坑兩側(cè)地表沉降的變化趨勢一致，均隨著隧道開挖的推進(jìn)而逐漸增大，深基坑南側(cè)的地表最大沉降變化量大于北側(cè)；在隧道開挖至30 m之后，隧道開挖對深基坑地表沉降的影響可忽略不計(jì)。

(3) 深基坑南側(cè)的地表沉降最大值位于距深基坑12 m處，最終地表沉降最大值為18.6 mm；深基坑北側(cè)的地表沉降由于受山體偏壓的影響，最終地表沉降最大值為14.8 mm，位于距深基坑25 m處。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)

通過現(xiàn)場監(jiān)測對整個(gè)深基坑開挖施工過程中地鐵工作井的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了準(zhǔn)確、及時(shí)的測量，主要對深基坑周邊地表沉降、支撐軸力、圍護(hù)樁深層水平位移等進(jìn)行監(jiān)測。

在深基坑每條邊上各布設(shè)3個(gè)地表沉降監(jiān)測斷面，共布設(shè)12個(gè)監(jiān)測斷面、36個(gè)地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)編號為1-1～12-3；在深基坑每條邊布設(shè)2個(gè)圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)，共布設(shè)8個(gè)圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)，編號為ZQ1～ZQ8；在第一、第二、第四道支撐上均布設(shè)了軸力計(jì)，共布設(shè)5個(gè)內(nèi)支撐軸力計(jì)。具體深基坑變形監(jiān)測點(diǎn)位平面布設(shè)，見圖8。

圖8 深基坑變形監(jiān)測點(diǎn)位平面布設(shè)

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1 圍護(hù)樁深層水平位移實(shí)測分析

本文對位于深基坑南側(cè)的ZQ3與北側(cè)的ZQ8兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，由于在隧道開挖時(shí)，破壞了圍護(hù)樁中的測斜管，因此只對深基坑開挖階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其監(jiān)測曲線見圖9。

由圖9可見:深基坑北側(cè)圍護(hù)樁深層水平位移最大值為6.15 mm，南側(cè)深層水平位移最大值為12.05 mm，均處于可控制范圍內(nèi)，表明深基坑處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)場情況分析，深基坑兩側(cè)的工程地質(zhì)情況和施工順序基本相同，因此山體的影響使得深基坑南側(cè)圍護(hù)樁深層水平位移明顯大于北側(cè);深基坑兩側(cè)圍護(hù)樁上部深層水平位移均受到偏壓的影響，其較無偏壓作用的深基坑有明顯的增大。ZQ8監(jiān)測點(diǎn)處圍護(hù)樁頂部水平位移與最大水平位移相差不大，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)對頂部水平位移的約束效果不好。

圖9 深基坑周邊圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測曲線對比

綜上分析可見，深基坑周邊圍護(hù)樁深層水平位移的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)所反映的規(guī)律基本一致，因此在對受到偏壓作用下的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)深基坑兩側(cè)偏壓的不同，充分考慮偏壓對不同側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形特征的影響，以確保深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4.2.2 地表沉降實(shí)測分析

通過對比深基坑南、北兩側(cè)地表沉降隨時(shí)間的變化曲線(見圖10)可知：深基坑兩側(cè)地表沉降的變化趨勢大致相同，均為隨深基坑開挖深度的增加而不斷增大，在基底澆筑后逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于在深基坑開挖初期，地層巖性為具有高壓縮性的軟土，且深基坑周圍存在大型挖機(jī)、吊車等荷載，使地表沉降變化速率加快；隨著開挖深度的增加，下層地層巖性為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，地表沉降變化速率有所減緩，最終深基坑南側(cè)地表沉降值達(dá)到-11.96 mm，北側(cè)地表沉降值達(dá)-13.44 mm，深基坑整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 深基坑周邊地表沉降隨開挖時(shí)間的變化曲線對比

4.2.3 內(nèi)支撐軸力實(shí)測分析

在深基坑的開挖階段，對深基坑第一、第二、第四道內(nèi)支撐軸力進(jìn)行了監(jiān)測，得到深基坑內(nèi)支撐軸力隨開挖時(shí)間的變化曲線，見圖11。

由圖11可見：隨著開挖的進(jìn)行，第一道混凝土支撐所受到的軸力迅速增大，在第二道鋼支撐架設(shè)完成之后達(dá)到穩(wěn)定，并且第一道混凝土支撐所受到的軸力明顯地大于第二道和第四道鋼支撐，說明第一道混凝土支撐承擔(dān)了大部分來自開挖引起的土壓力以及來自荷載的額外壓力；由于鋼支撐中ZCL2-1和ZCL3-1軸力計(jì)存在于角撐之中，ZCL2-2和ZCL3-2軸力計(jì)存在于對撐中，通過分析數(shù)據(jù)可知對撐所受的軸力要大于角撐；另外，第二道和第四道鋼支撐實(shí)測軸力在深基坑開挖期間具有明顯的波動(dòng)性，軸力甚至下降為0，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果[18]可以認(rèn)為，偏壓條件下深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，降低了鋼支撐與深基坑圍護(hù)樁的接觸效果，使得鋼支撐的支撐效果也降低，對深基坑開挖安全不利。

圖11 深基坑內(nèi)支撐軸力隨開挖時(shí)間的變化曲線對比

5 結(jié) 論

本文以武漢地鐵19號線5標(biāo)段4號井為例，依托工程典型地質(zhì)剖面建立了三維數(shù)值模型，對偏壓條件下深基坑開挖的變形特征以及隧道開挖對深基坑變形的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并通過對偏壓條件下深基坑開挖過程中其周邊的地表沉降、圍護(hù)樁深層水平位移、內(nèi)支撐軸力變化特征進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測,將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得到主要結(jié)論如下：

(1) 偏壓條件下，深基坑周邊的圍護(hù)樁深層水平位移、地表沉降均呈現(xiàn)出非對稱變形的特征；鄰近偏壓側(cè)的圍護(hù)樁深層水平位移和地表沉降明顯大于遠(yuǎn)離偏壓側(cè)；深基坑圍護(hù)樁樁頂受到偏壓的影響較大，使深基坑樁頂水平位移明顯增大，最終使深基坑樁頂水平位移接近圍護(hù)樁深層水平位移最大值。

(2) 第一道混凝土支撐承受的軸力最大，軸力值也較為穩(wěn)定；而第二、三、四道鋼支撐承受的軸力波動(dòng)較大，支撐效果弱于混凝土支撐。

(3) 偏壓條件下，隧道施工將會(huì)使深基坑圍護(hù)樁深層水平位移和地表沉降重新發(fā)生變化，且變化具有非對稱性。

(4) 隧道施工主要對深基坑圍護(hù)樁下半部分位移以及隧道上方地表沉降的影響較大，但變形量均處于可控制范圍之內(nèi)，深基坑處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。在隧道施工30 m后深基坑圍護(hù)樁深層水平位移和地表沉降的變化可忽略不計(jì)。

(5) 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)所反映出的深基坑開挖變形規(guī)律基本一致，說明采用數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法對保障地鐵隧道施工安全簡單有效。