基坑施工對鄰近盾構(gòu)隧道的影響分析

許旭平，馮洪良

（1. 政通建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 311106；2. 杭州崢嶸建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引 言

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展推動(dòng)城市化進(jìn)程的同時(shí)，也帶來了一系列問題：城市人口不斷增加、交通日益擁堵、土地資源緊缺等。城市地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷發(fā)展及完善極大地緩解了這一問題，各大城市地鐵運(yùn)營里程不斷增長。僅在2020年，杭州新增地鐵運(yùn)營線路長度超160 km，增幅居全國首位，達(dá)到了130%。然而土地資源的緊缺，不可避免地出現(xiàn)大量基坑工程鄰近地鐵隧道施工[1-2]，例如基坑開挖及降水、地表堆載等，造成已運(yùn)營隧道的附加變形?；娱_挖卸載會(huì)引起隧道應(yīng)力重分布，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生附加變形，甚至引發(fā)隧道接縫張開、螺栓失效等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響地鐵隧道的安全運(yùn)營。因基坑開挖引起隧道較大變形甚至損壞的案例已有不少[3-4]，寧波地鐵1號線受鄰近基坑大面積開挖的影響，地鐵盾構(gòu)隧道發(fā)生了較大的位移，導(dǎo)致局部管片滲水。但是通過對圍護(hù)體系的優(yōu)化及對周邊土體的加固，能有效的控制隧道的附加變形，很多案例[5-7]取得了較好的變形控制。因此，有必要采用合適的圍護(hù)體系及開挖順序以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而減小鄰近隧道的附加變形，在基坑開挖前利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化圍護(hù)體系，將隧道附加變形控制在合理范圍之內(nèi)?；诖耍疚姆治隽四郴庸こ痰膰o(hù)設(shè)計(jì)方案以及此圍護(hù)設(shè)計(jì)方案對鄰近地鐵隧道的控制效果。

1 工程案例概況

杭州某基坑工程開挖面積約19 031 m2，開挖深度9.9 m，靠近地鐵隧道一側(cè)基坑長255 m?；?xùn)|面距離盾構(gòu)隧道最小水平凈距約 8.0 m，距離道路最近約30 m；基坑南面及西面均為待建空地；基坑北面17.1 m外有市政污水管線。鄰近盾構(gòu)隧道外徑為6.2 m，隧道頂埋深約16.8～17.8 m，距基坑底豎向凈距約6.9～7.9 m。圖1為基坑及周邊環(huán)境示意圖。

圖1 基坑及周邊環(huán)境示意圖Fig. 1 Layout of foundation pit and surrounding environment

2 土層分布及水文地質(zhì)

基坑開挖深度影響范圍內(nèi)各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。典型地質(zhì)剖面如圖2所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

圖2 典型地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Typical geological profile

由圖 2可見地基土層上部以粉質(zhì)黏土為主，15 m下有深厚淤泥質(zhì)土層分布，鄰近盾構(gòu)隧道位于軟弱土層中。

孔隙潛水的穩(wěn)定水位埋深為0.50～2.70 m，地下水和地表水系聯(lián)系密切，水位變化不大，一般年變化幅度為 1.0～2.0 m。第⑥-2層中砂賦存承壓水呈中-強(qiáng)透水性，承壓水受氣候影響不明顯，主要補(bǔ)給來源上覆含水層垂直滲入補(bǔ)給及上游側(cè)向徑流補(bǔ)給。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，該承壓水含水層滲透性一般，水量較小。

3 圍護(hù)設(shè)計(jì)方案及施工優(yōu)化

3.1 地鐵隧道變形控制要求

為保證鄰近地鐵隧道的運(yùn)營安全，相關(guān)規(guī)范對鄰近施工引起的隧道附加變形有著嚴(yán)格的控制要求。根據(jù)浙江省《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DB33/T 1139—2017）規(guī)定，本項(xiàng)目影響范圍內(nèi)軌道交通設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全狀況為“Ⅱ類”，保護(hù)等級為“A級”，盾構(gòu)隧道的水平、豎向和收斂位移控制值均為5 mm。

3.2 工程類比分析

類似工程案例圍護(hù)體系的類比分析可為優(yōu)化本工程圍護(hù)體系提供借鑒參考作用。表 2所示工程案例均位于杭州地區(qū)，可知：挖深在10 m左右的基坑，隧道水平位移、豎向位移及收斂均控制在5 mm以內(nèi)，地鐵設(shè)施距離基坑1倍挖深內(nèi)時(shí)，基坑一般采用地連墻結(jié)合內(nèi)支撐，或者輔以坑內(nèi)土體加固及分坑施工等措施以減小鄰近隧道的附加位移；當(dāng)?shù)罔F設(shè)施距離基坑1～2倍挖深時(shí)，針對地鐵隧道的保護(hù)方案一般是采用排樁/地連墻結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)體系，隧道水平位移及豎向位移均控制在10 mm內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對隧道附加變形的影響較大，應(yīng)控制好圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，減小隧道的附加變形。

表2 鄰近地鐵類似工程案例統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of similar projects in adjacent existing tunnels

3.3 圍護(hù)體系設(shè)計(jì)方案

結(jié)合杭州地區(qū)鄰近隧道基坑工程案例，考慮到坑底有深厚軟土，圍護(hù)體系設(shè)計(jì)方案如下：基坑整體采用兩道混凝土撐，以大角撐結(jié)合對撐的方式布置，為土方開挖施工提供了方便。圍護(hù)墻/樁外側(cè)均采用三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕，采用套接一孔方式以增強(qiáng)止水效果，考慮到基坑開挖范圍內(nèi)土層滲透性不大，坑外不采取降水措施。鄰近隧道一側(cè)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，圍護(hù)墻插入⑥-3粉質(zhì)黏土至少1 m，典型基坑剖面如圖3所示?；游鱾?cè)采用SMW工法，在單排Ф850@600三軸水泥攪拌樁中內(nèi)插H700×300×13×24型鋼，基坑南北兩側(cè)采用Ф800鉆孔灌注樁。

圖3 典型基坑剖面圖Fig. 3 Typical profile of foundation pit

基坑共劃分為9個(gè)小基坑，鄰近隧道邊的分坑1～8共8個(gè)小基坑的面積在938～1 732 m2之間，并采用Ф800@1 200鉆孔灌注隔開。對東側(cè)基坑坑底采用高壓旋噴樁滿堂加固以減小對鄰近盾構(gòu)隧道的影響。

3.4 施工方案優(yōu)化

基坑工程有著明顯的空間效應(yīng)[8]，不少研究及案例[9-10]均表明利用時(shí)空效應(yīng)開挖土體能較好地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，甚至能減小30%以上，從而減小對周邊環(huán)境的影響。

遵循“大基坑，小開挖”的原則，結(jié)合后澆帶情況對基坑進(jìn)行分坑施工?；臃挚臃桨溉鐖D4所示，先開挖分坑1/3/5/7內(nèi)土體，待地下室主體結(jié)構(gòu)完成并達(dá)到強(qiáng)度后，開挖分坑2/4/6/8內(nèi)土體，地下室主體完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后再開挖分坑9。

圖4 基坑分坑施工示意圖Fig. 4 Schematic diagram of sub-pit construction

4 鄰近隧道附加變形分析

4.1 有限元模擬分析

采用Plaxis 3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析，模型尺寸為：350 m（平行于隧道方向）×220 m×60 m?；蛹班徑淼滥Ｐ腿鐖D5所示。土體采用小應(yīng)變硬化土（HSS）本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型不僅考慮了土體的剪切硬化、壓縮硬化和小應(yīng)變剛度特性，還考慮了剪切模量的衰減行為。采用MC破壞準(zhǔn)則，適合于多種土體類型的破壞和變形行為的描述，也可用于對敏感環(huán)境下基坑開挖對周圍環(huán)境的影響分析。結(jié)構(gòu)單元中圍護(hù)墻、隧道、底板及樓板均采用板單元模擬，腰梁及支撐均采用梁單元模擬，結(jié)構(gòu)單元尺寸均按實(shí)際選取。除隧道彈性模量取34.5 GPa外，其余結(jié)構(gòu)單元彈性模量均為30 GPa，泊松比統(tǒng)一為0.15。HSS模型包含以下土體參數(shù)：三軸排水剪切試驗(yàn)割線模量 E50，固結(jié)試驗(yàn)的主加載切線模量 Eoed，三軸固結(jié)排水卸載再加載試驗(yàn)的參考模量Eur，G0ref為小應(yīng)變剛度試驗(yàn)的參考初始模量，γ0.7為割線剪切模量衰減到初始剪切模量 70%時(shí)所對應(yīng)的剪應(yīng)變，m為剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)。土體基本參數(shù)見表3，其取值依據(jù)參考文獻(xiàn)[11]。數(shù)值模擬分析步驟如下：

表3 土體基本參數(shù)Table 3 Parameters of soil in HSS

圖5 基坑與鄰近隧道模型Fig. 5 Model of foundation pit and adjacent tunnels

（1）初始地應(yīng)力平衡；

（2）既有地鐵隧道激活；

（3）基坑圍護(hù)墻施工（位移清零）；

（4）一期（分坑1/3/5/7）開挖表層土；

（5）一期第一道支撐架設(shè)、開挖一期到第二道支撐標(biāo)高；

（6）一期第二道支撐架設(shè)、開挖至基坑底；

（7）一期底板及換撐結(jié)構(gòu)施工；

（8）一期第二道支撐拆除；

（9）一期地下室樓板施工；

（10）一期第一道支撐拆除；

（11）二期（分坑2/4/6/8）及三期（分坑9）重復(fù)（4）～（10）的施工工序。

表4為各工況下隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道附加變形最大值。

表4 Plaxis 3D計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of FEM

由圖6～8可知，一期地下室主體結(jié)構(gòu)完成后，隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形為16.7 mm；隧道水平變形規(guī)律同圍護(hù)墻變形規(guī)律，在土體開挖處變形較大，最大變形為2.6 mm；隧道豎向變形主要表現(xiàn)為沉降，沉降最大值為2.0 mm；隧道收斂變形最大值為2.6 mm。距離基坑較近的隧道受到基坑開挖影響的程度更大，但兩條隧道附加變形的范圍大致相同，與隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形范圍較為一致。

圖6 一期圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖Fig. 6 Cloud diagram of retaining structure deformation at phase I

圖7 一期隧道水平變形云圖Fig. 7 Cloud diagram of horizontal deformation of tunnels at phase I

圖8 一期隧道豎向變形云圖Fig. 8 Cloud diagram of vertical deformation of tunnels at phase I

如圖9～11所示，二期地下室主體結(jié)構(gòu)完成后，隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形有所增大，但得益于一期主體結(jié)構(gòu)的完成，有效控制了二期土體開挖圍護(hù)墻變形的增長，圍護(hù)墻最大變形僅僅增加了7 mm。二期拆換撐后，相較于一期拆換撐后隧道附加位移有所增長，但二期開挖造成的隧道附加位移均控制在1 mm之內(nèi)。由于二期土體的開挖，基坑開挖對隧道附加變形的影響范圍也隨之?dāng)U大。

圖9 二期圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖Fig. 9 Cloud diagram of retaining structure deformation at phase Ⅱ

圖10 二期隧道水平變形云圖Fig. 10 Cloud diagram of horizontal deformation of tunnels at phase Ⅱ

圖11 二期隧道豎向變形云圖Fig. 11 Cloud diagram of vertical deformation of tunnels at phase Ⅱ

由圖12～14可知，當(dāng)坑內(nèi)土體全部開挖完后，隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形顯著小于基坑西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值僅為27.6 mm，另一側(cè)卻達(dá)到了41.2 mm，而且三期基坑開挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較二期僅增加了 4 mm，表明基坑?xùn)|側(cè)坑內(nèi)土體加固及分坑施工的措施有效控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而降低了對鄰近隧道的影響。且由于分坑9土體的開挖，基坑西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形逐漸向基坑中部發(fā)展。

圖12 三期圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖Fig. 12 Cloud diagram of horizontal deformation of retaining structure at phase Ⅲ

圖13 三期隧道水平變形云圖Fig. 13 Cloud diagram of horizontal deformation of tunnels at phase Ⅲ

圖14 三期隧道豎向變形云圖Fig. 14 Cloud diagram of vertical deformation of tunnels at phase Ⅲ

4.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

基坑開挖過程中，對隧道位移進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)見圖15。

圖15 隧道位移監(jiān)測點(diǎn)位圖Fig. 15 Layout of monitoring points of tunnels

隧道最大變形發(fā)生于基坑中部附近，圖16～18分別展示了鄰近下行線隧道X610環(huán)～X735環(huán)范圍內(nèi)的水平位移、豎向位移及水平收斂變形隨時(shí)間變化的曲線，此時(shí)基坑已基本完成開挖。由圖可知，隧道水平位移實(shí)測最大值為7.8 mm，最終變形約為6.5 mm，數(shù)值模擬結(jié)果為 4.8 mm，較實(shí)測數(shù)據(jù)偏??；隧道沉降實(shí)測最大值為2.7 mm，最終變形約為2.1 mm，數(shù)值模擬結(jié)果為3.8 mm，二者最大值僅相差1.1 mm；隧道水平收斂實(shí)測最大值為6.0 mm，最終變形也為6.0 mm，數(shù)值模擬結(jié)果為4.7 mm，結(jié)果較為一致。另外，由于短期內(nèi)的連續(xù)降水抬高了地下水位，使得隧道沉降有所減小，但隨后豎向變形逐漸恢復(fù)。通過實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對比可知：除水平位移數(shù)值模擬結(jié)果較實(shí)測數(shù)據(jù)偏小以外，隧道沉降及水平收斂都較為一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖16 實(shí)測隧道水平位移曲線Fig. 16 Monitoring data of horizontal displacement of adjacent tunnels

圖17 實(shí)測隧道豎向位移曲線Fig. 17 Monitoring data of vertical displacement of adjacent tunnels

圖18 實(shí)測隧道水平收斂曲線Fig. 18 Monitoring data of horizontal convergence of adjacent tunnels

另外，由盾構(gòu)隧道實(shí)測變形可見，隧道的水平位移略大于控制值，而沉降和水平收斂均小于控制值。由此說明本基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案和技術(shù)措施是合理可行的，可基本滿足盾構(gòu)隧道的變形控制要求。

5 結(jié) 論

以杭州某鄰近地鐵隧道的軟土基坑為研究對象，闡述了其圍護(hù)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合有限元模擬結(jié)果及實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論如下：

（1）分坑施工的方式可以較好地控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而減小基坑開挖對鄰近盾構(gòu)隧道的影響。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明：一期地下室主體結(jié)構(gòu)的完成，有效控制了二期和三期土體開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

（3）鄰近隧道變形實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，驗(yàn)證了數(shù)值分析模型的合理性。

（4）地鐵隧道實(shí)測水平位移、豎向位移及水平收斂位移最大值分別為7.8 mm，2.7 mm，6.0 mm，基本滿足了變形控制要求，可以認(rèn)為此基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案是合理可行的，可供類似基坑工程借鑒參考。