上蓋物業(yè)軟土基坑開挖中城市軌道交通隧道變形的控制與優(yōu)化

徐永剛 狄宏規(guī) 劉 歡 金宏杰 于佳永 邢 宇

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司， 315101， 寧波； 2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海； 3.寧波軌道交通綠城東部置業(yè)有限公司， 315101， 寧波∥第一作者， 高級(jí)工程師)

目前，在城市軌道交通隧道上加蓋物業(yè)已逐漸成為城市集約化用地的新模式。上蓋物業(yè)基坑的開挖會(huì)對(duì)臨近的城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響[1]，存在安全隱患。因此，合理地預(yù)估和減輕上蓋物業(yè)基坑施工對(duì)下方城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的影響尤為重要[2-3]。針對(duì)基坑開挖引起鄰近隧道變形的問題，文獻(xiàn)[4-5]主要從基坑開挖引起鄰近隧道變形的計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)3個(gè)方面展開分析，而鮮見對(duì)上蓋物業(yè)基坑開挖過程中下方隧道變形控制與優(yōu)化措施的研究。

在寧波市矮潘地塊項(xiàng)目的上蓋物業(yè)基坑工程中，由于軟土基坑開挖面積大、坑底距運(yùn)營的城市軌道交通隧道較近，如何將城市軌道交通隧道變形控制在允許范圍內(nèi)，是該工程施工的重中之重。本文依托該工程，通過設(shè)計(jì)不同的基坑分步施工(以下簡稱“分坑施工”)方案并采用墊層壓重、隧道上方土體加固等輔助措施，并借助Plaxis 3D軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，提出了上蓋物業(yè)基坑施工時(shí)下方隧道變形控制的優(yōu)化方案，以期為類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

本工程位于寧波市鄞州區(qū)，城市軌道交通隧道由東南至西北方向穿越本工程地塊，將本地塊劃分為南側(cè)區(qū)塊、北側(cè)區(qū)塊及中間區(qū)塊3部分。其中，中間區(qū)塊上蓋物業(yè)基坑沿南北方向的寬度約為30 m，沿東西方向長度約為180 m，開挖面積約為5 400 m2，施工現(xiàn)場(chǎng)的平面布置如圖1所示。

圖1 施工平面布置圖Fig.1 Construction floor plan

中間區(qū)塊為上蓋地下室，地下室基坑周圈的開挖深度約為7 m。中間區(qū)塊城市軌道交通隧道頂部的平均埋深約為15.5～21.5 m，與基坑底間的距離約為8.5～14.5 m，其中：隧道東側(cè)段盾構(gòu)管片埋深較深，隧道西側(cè)段盾構(gòu)管片埋深較淺。盾構(gòu)管片的外徑為6.2 m，左、右兩線隧道間的凈距為10.0 m。圖2給出了城市軌道交通隧道與上蓋物業(yè)基坑間的豎向剖面圖。表1給出了上蓋物業(yè)基坑開挖深度內(nèi)主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)。

圖2 城市軌道交通隧道與上蓋物業(yè)基坑的豎向剖面圖

表1 上蓋物業(yè)基坑的土體物理力學(xué)參數(shù)表

綜上可知，中間區(qū)塊上蓋物業(yè)基坑的開挖面積較大；基坑所處的土層分布不均勻，且土體力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差；在城市軌道交通隧道上方較近距離內(nèi)開挖地下室，上方卸載對(duì)隧道影響較大。因此，隧道變形控制在允許范圍之內(nèi)，是本工程的重中之重。為了保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)，將隧道變形控制在合理的范圍內(nèi)，須采取必要的分坑施工措施。本文通過Plaxis 3D軟件模擬分坑施工過程，并對(duì)分坑施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為預(yù)估因該上蓋物業(yè)基坑開挖引起的城市軌道交通隧道變形提供較為可靠的依據(jù)。

2 分坑施工的有限元模擬

針對(duì)中間區(qū)塊上蓋物業(yè)基坑，依次實(shí)現(xiàn)隧道、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、土體開挖的階段性施工模擬，本文使用Plaxis 3D軟件進(jìn)行建模，如圖3所示。模型沿x軸、y軸、z軸3個(gè)方向上的尺寸分別為270 m、210 m、100 m，其中：y軸為北向，基坑為東南至西北走向。為減小上方土體卸載對(duì)城市軌道交通隧道的影響，采取分坑開挖的施工方式，由兩側(cè)開挖到中間，各分基坑之間采用三軸攪拌樁擋墻分隔。

圖3 分坑施工有限元模型

2.1 分坑數(shù)量優(yōu)化分析

2.1.1 分坑施工工況

為減小基坑暴露時(shí)間，以進(jìn)一步降低上方土體開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，需結(jié)合工程實(shí)際情況探尋較優(yōu)的基坑劃分?jǐn)?shù)量。本基坑土體總開挖面積約為5 400 m2，開挖土體的總重度約為564 840 kN?？紤]到分基坑開挖面積對(duì)施工效率的影響，本文提出兩種分坑施工工況：工況一將基坑劃成9個(gè)獨(dú)立分基坑，并分別命名為A1-a、A2-a、A3-a、A4-a、A5、A4-b、A3-b、A2-b、A1-b；工況二將基坑劃成3個(gè)獨(dú)立分基坑，并分別命名為B1-a、B2、B1-b。穿過本工程地塊的城市軌道交通隧道下行線里程為X900～X1040，上行線里程為S880～S1030。兩種工況下的基坑分區(qū)布置如圖4所示。

2.1.2 分坑土體開挖流程

應(yīng)用Plaxis 3D軟件模擬工況一下分坑土體開挖的流程(工況二可參考工況一，不再累述)，具體如下：

1) A1區(qū)開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進(jìn)行臨時(shí)壓重。設(shè)置的壓重應(yīng)力為開挖土體總應(yīng)力的20%(后續(xù)各步驟的壓重應(yīng)力值均與之一致)，以減輕土體開挖對(duì)城市軌道交通隧道的影響。

2) A2區(qū)開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進(jìn)行臨時(shí)壓重。A1區(qū)卸載壓重應(yīng)力，進(jìn)行底板施工。

3) A3區(qū)開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進(jìn)行臨時(shí)壓重。A2區(qū)卸載壓重應(yīng)力，進(jìn)行底板施工。

a) 工況一

b) 工況二圖4 基坑分區(qū)圖Fig.4 Foundation pit zoning plan

4) A4區(qū)開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進(jìn)行臨時(shí)壓重。A3區(qū)卸載壓重應(yīng)力，進(jìn)行底板施工。

5) A5區(qū)開挖至基坑底，進(jìn)行墊層及底板施工。A4區(qū)卸載壓重應(yīng)力，進(jìn)行底板施工。

2.1.3 分坑施工模擬計(jì)算

在上述施工過程中，土體對(duì)墊層的壓重應(yīng)力以面荷載的形式施加，故Plaxis 3D軟件模擬的壓重應(yīng)力為20.92 kN/m2。由于下行線和上行線的模擬結(jié)果存在高度的一致性，故本文僅選取城市軌道交通隧道下行線里程為X905、X925、X940、X955、X975、X990、X1005、X1020、X1035作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，比較兩種工況下城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)變形的差異。

圖5為不同分坑數(shù)量對(duì)隧道上浮量的影響關(guān)系曲線圖，可以看出：兩種工況下隧道上浮量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于城市軌道交通隧道在X1020和S1005位置處的埋深較大(約為20 m)，而在X905和S890位置處的埋深較小(僅為16 m)，在相同的基坑開挖深度下，埋深較大的城市軌道交通隧道受到上方土體壓重也大，故隧道上浮量較小。從圖5還可以看出，工況一下的隧道上浮量比工況二下的隧道上浮量小，且在盾構(gòu)隧道埋深較小處更為明顯，二者的差值約為1 mm。

圖5 兩種工況下隧道上浮量變化曲線Fig.5 Variation curves of tunnel heave amount under two working conditions

2.2 臨時(shí)壓重應(yīng)力優(yōu)化分析

綜上所述，在不影響施工效率的前提下，宜選擇較多的分坑數(shù)量，以減少對(duì)下臥隧道的影響，本文后續(xù)的數(shù)值模擬將基于工況一進(jìn)行分析。進(jìn)一步分析施加在墊層上的臨時(shí)壓重措施對(duì)隧道變形的影響，圖6為不同的壓重應(yīng)力對(duì)隧道上浮量的影響關(guān)系曲線。由圖6可知，當(dāng)壓重應(yīng)力從無增大到開挖土體總重應(yīng)力的10%時(shí)，隧道上浮量明顯減小，其在X925位置處的數(shù)值由7.6 mm減至7.1 mm；當(dāng)壓重應(yīng)力增大至開挖土體總重應(yīng)力的20%時(shí)，隧道上浮量不再明顯減小。由此可知，在本工程中采取臨時(shí)壓重措施來減輕上方土體開挖對(duì)隧道的影響，壓重應(yīng)力取開挖土體總重應(yīng)力的20%時(shí)效果較好、經(jīng)濟(jì)性較高，此時(shí)隧道上浮量的最大值為6.9 mm。若壓重應(yīng)力繼續(xù)增大，減小隧道上浮的效果甚微。

圖6 不同壓重應(yīng)力對(duì)隧道上浮量的影響

2.3 隧道上方土體加固優(yōu)化分析

由于中間區(qū)塊上蓋物業(yè)基坑所處的土層分布不均勻，且土體力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差，為進(jìn)一步減小上方土體開挖卸載對(duì)城市軌道交通隧道的影響，考慮對(duì)隧道上方的土體采用三軸攪拌樁進(jìn)行土體加固。土體的重度由加固前的18.5 kN/m3增加到加固后的19.5 kN/m3。在采用Plaxis 3D軟件進(jìn)行模擬的過程中，選取開挖土體總重應(yīng)力的5%和20%作為壓重應(yīng)力，分別對(duì)加固前和加固后隧道上浮量進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：當(dāng)壓重應(yīng)力為開挖土體總重應(yīng)力的5%時(shí)，隧道上浮量的減小值最大可達(dá)0.7 mm;當(dāng)壓重應(yīng)力為開挖土體總重應(yīng)力的20%時(shí)，隧道上浮量的減小值最大可達(dá)1.0 mm。由此可知，城市軌道交通隧道上方的土體加固措施能有效地減輕土體開挖對(duì)隧道的影響。

a) 5%壓重應(yīng)力下

b) 20%壓重應(yīng)力下圖7 加固土體的重度對(duì)隧道上浮量的影響

基于Plaxis 3D軟件的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)基坑施工和輔助措施的效果進(jìn)行分析后，將優(yōu)化措施運(yùn)用到本次實(shí)際上蓋物業(yè)工程中：將中間區(qū)塊上蓋物業(yè)基坑劃分為9個(gè)獨(dú)立的分坑，采用由兩側(cè)到中間的土體開挖方式；將墊層上方開挖土體總重的20%設(shè)置各分坑的臨時(shí)壓重值；對(duì)隧道上方土體采用三軸攪拌樁加固，其樁長為5～6 m，土體置換率約為75%，基坑底以上水泥參量為10%，基坑底以下水泥參量為20%。

3 分坑施工優(yōu)化后的實(shí)際工程效果分析

在上蓋物業(yè)基坑土體開挖前，預(yù)埋隧道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距5 m。取下行線中X915～X1030共24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)分坑施工優(yōu)化后的實(shí)際工程效果，并與Plaxis 3D軟件得到的數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 分坑施工優(yōu)化后工程實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值的對(duì)比

圖8中，在X1010～X1030監(jiān)測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值間存在一定的差異，這是由于附近的南、北兩側(cè)區(qū)塊基坑也在開挖，使該區(qū)域的中間區(qū)塊基坑兩側(cè)土體發(fā)生卸載，進(jìn)而導(dǎo)致城市軌道交通隧道上浮量減??；其他測(cè)點(diǎn)位置附近的南北兩側(cè)區(qū)塊基坑尚未施工，故隧道上浮量的變化規(guī)律和幅值呈現(xiàn)較好的一致性。從圖8可以看出，隧道上浮量有效控制在8 mm以內(nèi)，滿足不超過10 mm的隧道沉降要求，進(jìn)而驗(yàn)證了優(yōu)化后的分坑施工措施的合理性和有效性。

4 結(jié)語

為合理預(yù)估和減輕上蓋物業(yè)基坑開挖對(duì)下方城市軌道交通隧道變形的影響，本文通過Plaxis 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)寧波市矮潘地塊項(xiàng)目上蓋物業(yè)基坑施工和輔助措施進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到主要結(jié)論如下：

1) 基坑下臥城市軌道交通隧道上浮量主要受隧道埋深的影響。在相同的基坑開挖深度下，隧道的埋深越大，其上浮量越小。

2) 采用分坑開挖方式，以及由兩側(cè)向中間的分坑開挖施工措施，可有效減小因上蓋物業(yè)基坑開挖引起的城市軌道交通隧道變形。在不影響施工效率的前提下，帶狀上蓋物業(yè)基坑宜選擇較多的分坑數(shù)量，以減少基坑開挖對(duì)城市軌道交通隧道的影響。

3) 在本項(xiàng)目中，上蓋物業(yè)基坑劃分為獨(dú)立的9個(gè)分坑，將施加在基坑坑底墊層上的壓重應(yīng)力設(shè)置為上方開挖土體總重應(yīng)力的20%，并采用三軸攪拌樁對(duì)隧道上方土體進(jìn)行土體加固，經(jīng)驗(yàn)證，工程實(shí)施效果較好。