黃土區(qū)基坑施工誘發(fā)地鐵隧道位移及加固措施分析*

席 宇 ，朱武衛(wèi)，姚永輝，劉 義，楊 焜，李 哲，王寶玉，楊 曉

(1.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710082； 2.陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032；3.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，隨著城市發(fā)展，新舊建筑更新交替，城市密集區(qū)的地上空間開發(fā)日漸受限，為便于人員出行，改善生活環(huán)境，與地鐵接駁的下沉式廣場、車站等地下空間工程開發(fā)日益增多，近而也引發(fā)了近年來城市密集區(qū)地下空間工程建設(shè)的熱點問題——基坑施工與近接地鐵的安全運營相互牽制。為確保基坑施工順利推進(jìn)，首要考慮的是基坑施工能否滿足近接地鐵安全運營的要求。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[1]：外部作業(yè)影響預(yù)評估應(yīng)在外部作業(yè)實施前，采用理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬等方法，預(yù)測外部作業(yè)對城市軌道交通結(jié)構(gòu)的不利影響，并應(yīng)結(jié)合城市軌道交通結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估確定的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值，評估外部作業(yè)方案的可行性。因此，開展城市密集區(qū)基坑施工動態(tài)過程對近接運營地鐵的隧道位移預(yù)測十分必要。

本文依托西安火車站北廣場改擴(kuò)建項目深大基坑工程，開展黃土區(qū)基坑開挖卸荷及降水耦合作用下近接運營地鐵4號線的隧道位移研究，并對隧道擬采取的加固措施控制效果進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 基坑概況

西安火車站北廣場改擴(kuò)建項目位于新城區(qū)自強(qiáng)東路以南、隴海線及北站房以北、西閘口以東、太華南路以西，整個廣場主體結(jié)構(gòu)位于地下，基坑開挖范圍東西長達(dá)1 000m，南北寬約140m，利用北廣場地下設(shè)施建設(shè)公交、出租等客運一體化的綜合交通樞紐，同時實現(xiàn)與地鐵4號線、擬建7號線無縫接駁。

整個站改基坑以其北側(cè)丹鳳門中軸劃分為東區(qū)、西區(qū)兩部分，西區(qū)地下結(jié)構(gòu)設(shè)3層，最大埋置深度16.9m；東區(qū)基坑再分為基坑Ⅰ(西段)、基坑Ⅱ(東段)兩部分，基坑Ⅰ設(shè)地下結(jié)構(gòu)5層，最大埋置深度32.0m，地下4層、地下5層作為擬建地鐵7號線的站廳和站臺，地下2層、地下3層基坑側(cè)壁距地鐵4號線左線最短水平距離約7.0m；基坑Ⅱ地下結(jié)構(gòu)設(shè)1層，地下埋深8.0m，基坑底距左線隧道頂部最短垂直距離約6.1m。西安火車站北廣場基坑?xùn)|區(qū)剖面如圖1所示。

圖1 東區(qū)基坑1—1剖面

1.2 工程與水文地質(zhì)條件

本工程場地整體呈西低東高之勢，勘探點地面標(biāo)高介于400.720～406.070m，平均標(biāo)高401.990m。地貌單元屬黃土梁洼，場地土自上而下劃分如下。

1)雜填土 黃褐色，以黏性土為主，含磚瓦碎塊等建筑垃圾，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均。

2)黃土①(水上) 褐黃色，可塑為主，局部軟塑，局部具濕陷性。

3)黃土②(水位附近及水下) 褐黃色，可塑為主，局部軟塑。

4)古土壤 棕黃色，可塑為主，局部軟塑。

5)粉質(zhì)黏土① 褐黃、黃褐色，可塑為主；部分區(qū)域分布有透鏡體中砂：灰黃色，飽和，密實，級配不良。

6)粉質(zhì)黏土② 淺灰色，硬塑為主，部分區(qū)域分布有透鏡體中砂。

7)粉質(zhì)黏土③ 淺灰色，硬塑為主。

場地地下水屬孔隙潛水類型，穩(wěn)定水位埋深3.00～9.10m，相應(yīng)標(biāo)高395.020～398.990m，水位高。地潛水天然動態(tài)類型屬滲入-蒸發(fā)、徑流型，主要接受大氣降水入滲、灌溉水入滲、臨近護(hù)城河側(cè)向徑流及管道滲漏等方式補給，以蒸發(fā)及地下水側(cè)向徑流及人工開采為主要排泄方式，其水位年動態(tài)變化規(guī)律一般為：8～11月份水位較高，其他月份水位相對較低，水位年變幅一般為2～3m。

2 施工工序

本工程東區(qū)基坑遵循先深后淺的開挖順序，自上而下分段分層開挖，且水位以下土體實行先降水后開挖，即在閉合止水帷幕區(qū)域先通過區(qū)域降水將水位降至分層開挖面以下1.0～2.0m后再進(jìn)行土方開挖。

東區(qū)基坑主要施工工序如下：基坑Ⅰ地下1層～地下3層支護(hù)排樁、止水帷幕施作→地下1層～地下3層土方分層分段開挖(水位以下土體先降水后開挖，同時開展工作面基坑水平內(nèi)支撐施作)→基坑Ⅰ地下4層～地下5層支護(hù)排樁、止水帷幕施作→地下4層、地下5層土方分層降水分段開挖(同時開展工作面基坑水平內(nèi)撐施作)→基坑Ⅱ地下1層支護(hù)排樁、止水帷幕施作→地下1層土方分層分段開挖(水位以下土體先降水后開挖)。

3 數(shù)值分析

為了解基坑施工誘發(fā)的地鐵隧道位移，綜合考慮黃土區(qū)基坑開挖的影響區(qū)范圍[2-3]和有限元分析計算成本，選取本工程東區(qū)基坑1-1剖面(見圖1)，采用巖土工程有限元分析軟件Midas GTS NX建立二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行基坑施工數(shù)值分析。

3.1 模型建立

本文以隧道位移作為重點研究對象，結(jié)合DBJ61—98—2015《西安市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[3]第3.2節(jié)“工程影響分區(qū)及監(jiān)測范圍”中黃土區(qū)基坑施工的主要影響區(qū)范圍和本工程東、西區(qū)基坑分界區(qū)側(cè)壁的施工特點(即現(xiàn)場東、西區(qū)基坑分界區(qū)采用臺階法放坡保證基坑側(cè)壁穩(wěn)定性)，有限元模型建立如圖2所示。

圖2 基坑有限元模型

1)建模范圍 ①水平方向 取基坑?xùn)|、西區(qū)分界區(qū)作為模型x軸向左邊界，距東區(qū)基坑Ⅱ地下1層止水帷幕大于3H(H為基坑Ⅱ開挖深度8.0m)距離作為模型x軸向右邊界；②豎直方向 取地下5層坑底至模型底邊界大于2H(H為東區(qū)基坑Ⅰ開挖深度32.0m)距離作為模型y軸向底邊界；故整體模型尺寸取697m×100m。

2)單元選取 支護(hù)排樁采用通過抗彎剛度等效原則[4]換算的等效厚度2D板單元模擬、隧道襯砌采用1D梁單元模擬，對撐采用1D桁架單元模擬，角撐采用點彈簧模擬，土層采用平面應(yīng)變單元模擬，止水帷幕采用軟件提供的界面單元模擬，其剛度通過相鄰單元參數(shù)借助屬性助手自動計算。

3)邊界條件 上表面邊界為自由邊界，左、右端邊界均進(jìn)行x軸水平向位移約束，底邊界同時進(jìn)行x軸水平向位移和y軸豎向位移約束。

3.2 本構(gòu)及參數(shù)

文獻(xiàn)[5-6]指出開挖卸荷條件下的土體本構(gòu)模型應(yīng)能合理考慮土體變形特性的應(yīng)力加卸載路徑相關(guān)性，文獻(xiàn)[7]提到修正的莫爾-庫倫本構(gòu)模型可對黃土區(qū)基坑坑底隆起過大進(jìn)行明顯修正，故本工程土層采用修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型，支護(hù)樁、隧道襯砌、內(nèi)撐均采用線彈性本構(gòu)模型。土體參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

表1 土體材料參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.3 施工階段設(shè)置

依據(jù)前述第2節(jié)基坑施工工序，調(diào)用軟件“應(yīng)力-滲流-邊坡”分析功能考慮基坑降水及開挖卸荷的耦合作用，采用軟件“鈍化網(wǎng)格組”功能實現(xiàn)土體開挖卸荷，“激活網(wǎng)格組”功能實現(xiàn)隧道襯砌施作、止水帷幕施作、支護(hù)樁及內(nèi)支撐施作；同時設(shè)定初始節(jié)點水頭邊界條件，進(jìn)行初始滲流場分析，并采用軟件“鈍化激活節(jié)點水頭”功能實現(xiàn)降水過程，共設(shè)置52個分析步。

本工程主要施工階段如表3所示。

表3 施工階段

3.4 計算模型假定

結(jié)合地勘和設(shè)計資料，對分析模型進(jìn)行適當(dāng)簡化處理。

1)計算區(qū)域土層分布均簡化為平整層，其厚度根據(jù)現(xiàn)場土層分布平均厚度確定。

2)除考慮土層、結(jié)構(gòu)自重外，地面超載考慮20kPa。

3)分析階段未詳細(xì)考慮流速、流量等降水因素，均通過設(shè)置水頭標(biāo)高于分層分區(qū)開挖面下1m位置予以粗略考慮施工階段的降水過程。

4)隧道襯砌剛度折減75%以考慮實際工程管片的拼接影響[8]。

3.5 隧道位移分析

本文選取的隧道監(jiān)測點如圖3所示，T1，B1，L1，R1和T2，B2，L2，R2分別示意左、右線隧道的頂部、底部、左部、右部。

圖3 隧道監(jiān)測點示意

匯總計算結(jié)果，隧道的豎向位移(即y向位移，其中負(fù)值表示隧道沉降，正值表示隧道隆起，下同)、水平位移(即x向位移，其中負(fù)值表示向開挖區(qū)基坑位移，下同)隨基坑施工階段(CS1～CS12)的發(fā)展，如圖4所示。

圖4 隧道位移發(fā)展曲線

從圖4a可知，隨著隧道側(cè)方基坑Ⅰ施工，左、右線隧道豎向位移不斷減小，地下5層開挖完畢后，左、右線隧道豎向位移分別達(dá)到最小值-8.7mm(R1點)、-5.8mm(L2點)；隨著隧道上方基坑Ⅱ施工，左、右線隧道出現(xiàn)反向位移并不斷增大，地下1層開挖完畢后，左、右線隧道豎向位移分別達(dá)到最大值9.8mm(T1點)、2.5mm(L2點)。綜上，隧道側(cè)方、上方基坑形成后，左、右線隧道最終均呈現(xiàn)向開挖區(qū)基坑Ⅱ的位移狀態(tài)。

隧道豎向位移隨著基坑施工均表現(xiàn)為先沉降后隆起的發(fā)展規(guī)律，主要是隧道側(cè)方基坑Ⅰ降水及開挖卸荷引起大跨度開挖面土體發(fā)生回彈，同時誘發(fā)臨坑隧道區(qū)域土體位移場沉降。尤其在深部地下5層降水開挖階段，隧道豎向位移沉降達(dá)到最大；隨后隧道上方基坑Ⅱ降水開挖卸荷引起大跨度開挖面及下臥隧道區(qū)域土體位移場呈現(xiàn)明顯的回彈響應(yīng)，隧道呈現(xiàn)反向位移并不斷增大；隧道上方基坑Ⅱ開挖完畢，隧道豎向位移隆起達(dá)到最大。右線隧道較左線隧道隆起值小主要是由于左線隧道上方土體開挖深度為8.0m，而右線土體僅開挖3.5m。

從圖4b可知，隨著隧道側(cè)方基坑Ⅰ施工，左、右線隧道水平位移呈增大趨勢；地下5層開挖完畢后，左、右線隧道水平位移最大值分別達(dá)到-13.1mm(B1點)和-11.0mm(T2點)，且左線隧道各測點水平位移整體大于右線隧道；隨著隧道上方基坑Ⅱ施工，左線隧道水平位移略有減小，右線隧道水平位移繼續(xù)增大，地下1層開挖完畢后，左、右線隧道水平位移最大值分別達(dá)到-12.4mm(R1點)、-12.6mm(L2點)，二者較為接近。綜上，隧道側(cè)方、上方基坑形成后，左、右線隧道最終均呈現(xiàn)向開挖區(qū)基坑Ⅰ的位移狀態(tài)。

隧道水平位移隨著基坑施工呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的發(fā)展規(guī)律，主要是側(cè)方基坑Ⅰ降水開挖卸荷致使地下1層～地下5層支護(hù)樁背土側(cè)與迎土側(cè)土壓力失去平衡，在土體側(cè)壓力作用下支護(hù)樁迎土側(cè)隧道區(qū)域土體位移場向開挖區(qū)基坑Ⅰ位移；尤其在深部地下5層降水開挖階段，左線隧道水平位移達(dá)到最大；隧道上方基坑Ⅱ降水開挖卸荷引起大跨度開挖面下臥隧道區(qū)域土體位移場發(fā)生回彈，此時，由于隧道上方土體卸荷，隧道區(qū)土體側(cè)壓力減小，故左線隧道水平位移反向略有減小，而受基坑Ⅱ開挖卸荷及未開挖區(qū)土體的共同作用，右線隧道土體側(cè)壓力失去平衡，故隨著基坑Ⅱ開挖，右線隧道水平位移繼續(xù)增大，上方基坑Ⅱ開挖完畢，右線隧道水平位移達(dá)到最大。

綜上，受豎向位移與水平位移的疊加效應(yīng)，左、右線隧道最終呈現(xiàn)向側(cè)、上方開挖區(qū)的整體斜向位移。

4 加固措施分析

由3.5節(jié)分析結(jié)果可知，基坑施工引起的左、右線隧道位移均未超過規(guī)范控制值；而除右線隧道豎向位移最大值僅2.5mm外，左線隧道豎向位移最大值達(dá)9.8mm，接近預(yù)警值；左、右線隧道水平位移也均已超過預(yù)警值。因此，擬考慮采取相應(yīng)的加固措施進(jìn)一步控制基坑施工誘發(fā)的隧道位移響應(yīng)。

圖5 加固措施示意

本工程擬采取“隔離排樁+止水帷幕+土體加固”混合加固措施[9]，具體方案如圖5所示，即在距左線隧道左側(cè)(L1點)水平向3m位置設(shè)置隔離排樁φ1 000@1 300(樁底標(biāo)高369.500m)和止水帷幕(帷幕底標(biāo)高367.000m)，同時在隔離排樁與基坑Ⅰ支護(hù)樁間區(qū)域(簡稱樁樁間，下同)土體采用三軸水泥攪拌樁φ850@1 800加固(該區(qū)域395.500m標(biāo)高以上土體加固區(qū)水泥摻量為8%，395.500m標(biāo)高以下土體加固區(qū)水泥摻量為20%，樁底標(biāo)高380.000m)，并在左線、右線隧道上方約12m跨度3m高度范圍內(nèi)土體采用三軸水泥攪拌樁φ850@1 800加固(土體加固區(qū)水泥摻量為8%，樁底標(biāo)高392.500m)。

在建立模型時，土體加固區(qū)采用軟件提供的改變單元屬性功能實現(xiàn)，加固后的土體采用彈性本構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)場水泥土攪拌樁取樣測試結(jié)果和文獻(xiàn)[10]的水泥土攪拌樁力學(xué)性能相關(guān)研究，水泥摻量為8%的加固區(qū)土體彈性模量取100MPa，水泥摻量20%的加固區(qū)土體彈性模量取300MPa，隔離樁排樁采用通過抗彎剛度等效原則[4]換算的等效厚度2D板單元模擬，止水帷幕采用軟件提供的界面單元模擬。

模型工況設(shè)置中，隔離排樁、止水帷幕以及樁間土體加固在側(cè)方基坑Ⅰ施工前實施，而隧道頂部土體加固在側(cè)方基坑Ⅰ施工完畢、上方基坑Ⅱ施工前實施。

經(jīng)分析計算與匯總，加固后，左、右線隧道各測點位移隨基坑施工的發(fā)展規(guī)律未發(fā)生明顯變化，究其原因主要是土體卸荷路徑(即開挖順序)未發(fā)生改變。在此，選取對比了左、右線隧道響應(yīng)最大的測點T1，R1，L2的位移隨基坑施工階段(CS1～CS12)的發(fā)展，如圖6所示。

圖6 隧道測點位移對比

從圖6a可以看出，加固后，在側(cè)方基坑Ⅰ施工階段(即CS1～CS10)，左線隧道測點T1較右線隧道測點L2的位移沉降效應(yīng)更為顯著，這主要是左線隧道受隔離排樁+止水+樁間加固土體的共同作用，且在地下5層開挖完畢，隧道測點T1，L2的沉降效應(yīng)累積最大，分別達(dá)到-8.9mm和-6.2mm，較未加固狀態(tài)下的隧道測點T1，L2豎向位移沉降值分別增大18%和8%；而上方基坑Ⅱ施工階段(即CS11～CS12)，隧道呈反向位移，在地下1層開挖完畢，隧道測點T1，L2隆起位移累積分別為7.3mm(T1點)和1.5mm(L2點)，較未加固狀態(tài)下的隧道測點T1，L2豎向位移分別降低26%和40%，這主要是基于加固后側(cè)方基坑Ⅰ施工引起的隧道累積沉降與隧道頂部加固土體的共同作用。綜上，“隔離排樁+止水帷幕+土體加固”措施有效地減弱了隧道豎向位移響應(yīng)。

從圖7b可以看出，加固后，在側(cè)方基坑Ⅰ施工階段(即CS1～CS10)，左線隧道測點R1水平位移較未加固狀態(tài)下有所減小，右線隧道測點L2水平位移較未加固狀態(tài)下略有增加；在地下5層開挖完畢，隧道測點R1水平位移為-11.4mm，較未加固狀態(tài)測點R1水平位移減小6%，隧道測點L2水平位移為-11.2mm，較未加固狀態(tài)測點L2水平位移增幅小于3%；隨著上方基坑Ⅱ施工，左線隧道測點R1水平位移繼續(xù)增加，在地下1層開挖完畢，測點R1水平位移增加至-11.7mm，較地下5層開挖完畢位移增幅<3%，但較未加固狀態(tài)測點R1水平位移減小6%，右線隧道測點L2水平位移繼續(xù)增加，測點L2水平位移增加至-13.2mm，較地下5層開挖完畢位移增幅18%，但較未加固狀態(tài)測點L2水平位移增幅<5%。由此可見，加固后，左線隧道測點水平位移有所減小，但減小幅度不顯著，這主要是受隔離樁的制約以及頂部加固土體的綜合作用所致，而右線隧道測點水平位移在上方基坑Ⅱ施工階段增幅較大，這主要是受隧道頂部加固土體的加劇作用所致，且右線隧道未設(shè)置隔離樁。綜上，“隔離排樁+止水帷幕+土體加固”措施減弱了左線隧道測點水平位移的發(fā)展，但該措施對于右線隧道水平位移的發(fā)展略顯不利。

由上述分析可知，擬采取的加固措施有效地減弱了基坑施工誘發(fā)左、右線隧道的豎向位移，制約了左線隧道水平位移的進(jìn)一步擴(kuò)大，但對右線隧道水平位移的發(fā)展略顯不利。鑒于本工程所選斷面的隧道位移發(fā)展趨勢及斷面右線隧道上方基坑開挖深度較淺的特殊性，三維基坑施工中，運營地鐵隧道一定長度區(qū)間均受上方8.0m深基坑施工誘發(fā)的隆起效應(yīng)顯著，因此，隧道頂部一定范圍的土體加固措施雖對隧道水平位移發(fā)展略顯不利，但其對控制隧道豎向位移效果顯著，故對本工程而言，該方案綜合控制效果利大于弊。

5 結(jié)語

1)本工程基坑施工完成，左、右線隧道豎向隆起，水平向均向側(cè)方基坑位移，二者效應(yīng)疊加，最終隧道呈現(xiàn)向側(cè)、上方開挖區(qū)的整體斜向位移。

2)基于本工程基坑先深后淺的開挖順序，同時考慮降水和土體卸荷的綜合作用，左、右線隧道豎向位移發(fā)展表現(xiàn)為先沉降后隆起的趨勢，水平位移發(fā)展表現(xiàn)為先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢；側(cè)方基坑施工完畢，左、右線隧道豎向位移表現(xiàn)為沉降狀態(tài)并達(dá)到最大，水平位移累積達(dá)到極大值；上方基坑施工完畢，隧道豎向位移由沉降轉(zhuǎn)為隆起狀態(tài)并達(dá)到最大，左線隧道水平位移較極大值略有減小，右線隧道水平位移累積達(dá)到最大。

3)本工程提出的“隔離排樁+止水帷幕+土體加固”混合措施施作后，左、右線隧道位移(豎向、水平向)隨著基坑施工的發(fā)展趨勢未發(fā)生改變，究其原因主要是基坑降水及土體卸荷路徑未發(fā)生改變；該加固措施有效地減弱了基坑施工誘發(fā)左、右線隧道的豎向位移，隔離樁制約了左線隧道水平位移的進(jìn)一步擴(kuò)大，但頂部土體加固對右線隧道水平位移的發(fā)展略顯不利。

4)鑒于本工程所選斷面的隧道位移發(fā)展趨勢及斷面右線隧道上方基坑開挖深度較淺的特殊性，三維基坑施工中，運營地鐵隧道一定長度區(qū)間均受上方8m深基坑施工誘發(fā)的隆起效應(yīng)顯著，因此，隧道頂部一定范圍的土體加固措施雖對隧道水平位移發(fā)展略顯不利，但其對控制隧道豎向位移效果顯著，故該方案可用于本工程三維基坑大降水、大開挖施工誘發(fā)的隧道位移控制。