單側(cè)基坑開挖對盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測研究

魏云峰

（浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310014）

地鐵沿線大規(guī)模的物業(yè)開發(fā),必然會產(chǎn)生大量的基坑,由于開挖卸載引起地鐵隧道周邊土體的位移場和應(yīng)力場發(fā)生變化,施工過程中極易誘發(fā)盾構(gòu)管片開裂、錯臺等病害,從而影響地鐵結(jié)構(gòu)的正常運營。

近年來,鄰近地鐵盾構(gòu)隧道開挖施工已經(jīng)屢見不鮮,結(jié)合這些基坑的施工過程,科研人員展開了大量有關(guān)基坑支護(hù)形式、開挖工法等方面的研究,取得了一定成果[1-5]。趙志強(qiáng)等[6]利用解析推導(dǎo)建立縱向彎矩和管片接頭環(huán)縫張開量之間的關(guān)系,從而實現(xiàn)在三維彈塑性數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合解析推導(dǎo)的全面評價。魏綱[7]收集了14 個國內(nèi)基坑工程實例,對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析,得出盾構(gòu)隧道的最大豎向位移均為隆起,隧道水平向位移實測值較小,收斂變形由“水平向拉伸、豎向壓縮”向“水平向壓縮、豎向拉伸”轉(zhuǎn)變。鄒偉彪等[8]采用數(shù)值模型對實際施工工況進(jìn)行模擬,動態(tài)地分析了施工過程中開挖卸荷對地鐵隧道的影響,分析表明基坑開挖對隧道不僅產(chǎn)生了縱向上的沉降,也使隧道結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生了一定的橫向變形。

文章針對福州地區(qū)軟土地層運營地鐵,以基坑開挖對側(cè)向地鐵線路為例,結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試手段,以分析與控制地鐵結(jié)構(gòu)受外部施工擾動為目的,研究基坑開挖卸載對盾構(gòu)隧道的影響效果,以期為類似工程提供相關(guān)指導(dǎo)和參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該基坑位于地鐵盾構(gòu)隧道一側(cè),設(shè)計長、寬、深4.7 m,基底平面方向最近距地鐵盾構(gòu)邊緣3.3 m,豎向方向距地鐵盾構(gòu)邊緣3.58 m。地面整平標(biāo)高為6.1 m,基坑底標(biāo)高0.9 m,盾構(gòu)隧道頂部標(biāo)高-2.68 m,則基坑開挖7.0 m,盾構(gòu)頂?shù)钠骄餐辽疃?1.7 m?；优c地鐵位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 地鐵與隧道位置關(guān)系圖

區(qū)間隧道內(nèi)徑5 500 mm,襯砌采用通用環(huán)進(jìn)行錯縫拼裝,壁厚350 mm,環(huán)寬1.2 m,C50 砼,環(huán)向管片間用2 個M30 螺栓連接,縱向襯砌環(huán)間用16 個M30 螺栓連接。整個環(huán)面及分塊面密貼,環(huán)與環(huán)、塊與塊以彎螺栓連接。

1.2 工程地質(zhì)條件

現(xiàn)狀場地主要為在建工地、河道及空地等,地勢總體較為平坦,局部地區(qū)略有起伏。場地屬沖、淤積平原地貌單元。場地地層自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥和粘土,土層性質(zhì)如下。

（1） 雜填土

雜色、深灰色,松散- 稍密,濕,均勻性較差。該層成分較雜,局部表層為水泥路面,約30 cm 左右,以下為填石、碎石為主,含少量砂、粘性土,局部粘性土含量較高,硬雜質(zhì)含量大于25%。

（2） 粉質(zhì)粘土

灰黃色、褐黃色,可塑,很濕,含少量粉土等,有光澤,捻面光滑,無搖振反應(yīng),干強(qiáng)度及韌性中等,局部含有鐵錳質(zhì)氧化物,粘性一般。

（3） 淤泥

局部表現(xiàn)為淤泥質(zhì)土。深灰色,流塑,飽和,含腐爛植物,有腥臭味,搖振反應(yīng)慢,有光澤,捻面光滑,干強(qiáng)度及韌性中等。

（4） 粘土

灰黃色、褐黃色,可塑為主,局部硬塑,很濕,含少量粉土等,有光澤,捻面光滑,無搖振反應(yīng),干強(qiáng)度及韌性中等,局部含有鐵錳質(zhì)氧化物,粘性一般。

地下水初見水位埋深約0.30 m～2.50 m,穩(wěn)定水位埋深約0.30 m～3.10 m。上層滯水主要賦存于（1）雜填土中,地下水量一般,補(bǔ)給主要為大氣降水及地表徑流入滲,排泄方式主要為蒸發(fā)和下滲。（2）粉質(zhì)粘土、（3）淤泥及（4）粘土的透水性差、水量小,可視為相對弱透水層。

2 基坑開挖方案與控制措施

2.1 基坑開挖方案

基坑支護(hù)采用深層攪拌樁加固+1:1 放坡,基坑支護(hù)圖見圖2。

水泥土攪拌樁達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,沿盾構(gòu)線縱向采用“分層、分區(qū)、分塊、分段、分時”的原則開挖,每塊的寬度不大于15 m。土體分上下兩層,每層分三塊,按離隧道從遠(yuǎn)到近順序挖除土方,并及時澆筑砼墊層,減少對基底擾動。每塊土體從開挖至墊層澆搗完畢用時控制在15 h 以內(nèi)。施工順序圖詳見圖3。

圖3 施工順序圖

2.2 地鐵盾構(gòu)隧道的安全標(biāo)準(zhǔn)

為確?；娱_挖施工對地鐵盾構(gòu)隧道不造成破壞,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）采用的地鐵隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),見表1。

表1 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

3 三維數(shù)值分析

3.1 計算模型

結(jié)合設(shè)計開挖方案,建立Midas 三維有限元數(shù)值模型,對基坑分層分塊開挖施工過程和基坑對既有地鐵區(qū)間隧道的影響進(jìn)行模擬計算?？紤]到工程需要和有限元離散誤差以及計算誤差,一般選取計算范圍沿各個方向均不小于3 倍開挖深度。依據(jù)實際工程以及邊界尺寸效應(yīng),計算模型尺寸的取值為：長120 m,寬110 m,深40 m 模型邊界條件為：底部約束豎向位移,四周約束法向位移,頂部自由,計算模型如圖4 所示。

圖4 計算模型

土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型,管片按線彈性材料計算,采用板單元模擬,地鐵隧道管片混凝土結(jié)構(gòu)中的環(huán)向螺栓降低了管片的整體剛度；因此管片結(jié)構(gòu)的彈性模量應(yīng)按混凝土材料彈性模量進(jìn)行適當(dāng)折減。根據(jù)日本土木工程協(xié)會在采用慣用修正法計算管片內(nèi)力時對管片整體剛度的折減,建議管片結(jié)構(gòu)彈性模量相對混凝土彈性模量折減0.8,即E=34.5 Gpa×0.8=27.6 Gpa,泊松比取0.2。土體采用修正摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型,土體參數(shù)取值以地勘報告為準(zhǔn)并且參考《地基處理手冊》[9],具體參數(shù)取值見表2,其中Es1-s2代表壓縮模量,ν 代表泊松比,γ 代表重度,φ代表內(nèi)摩擦角,c 代表粘聚力。

表2 土層計算參數(shù)表

3.2 模擬的基本思路

模型建立完畢后,首先進(jìn)行初始地應(yīng)力場模擬,然后進(jìn)行區(qū)間隧道的開挖模擬,得到目前的應(yīng)力場,接著進(jìn)行攪拌樁的施工,最后進(jìn)行基坑土體的分層分段開挖。

3.3 計算結(jié)果及分析

3.3.1 隧道總體位移

圖5 為基坑開挖至底時隧道的總位移云圖,圖7為基坑開挖過程中隧道3 環(huán)的總位移矢量圖。

圖5 基坑開挖至底時盾構(gòu)隧道的總位移云圖

圖7 土體豎向位移云圖

從圖5 和圖6 中可以看出,隨著側(cè)方基坑的開挖,周邊地層出現(xiàn)一定程度的卸載變形,導(dǎo)致隧道整體隨地層產(chǎn)生斜向上指向基坑方向的位移,最大位移量達(dá)4.04 mm,最大位移點位于接近基坑側(cè)的盾構(gòu)隧道側(cè)壁處。

圖6 基坑施工中盾構(gòu)隧道中間環(huán)變形總位移矢量圖

3.3.2 隧道豎向變形

由圖7 可見,盾構(gòu)隧道周邊土體豎向位移約為1.8 mm ～7.9 mm,基坑開挖引起的地層擾動范圍一定程度上包裹了距其較近的隧道體。

基坑開挖至坑底后的土體豎向位移如圖8 所示。

圖8 隧道底部豎向位移

由圖8 可見,基坑開挖過程對盾構(gòu)隧道周邊土層產(chǎn)生擾動影響,引起隧道底部沿軸線的豎向隆起變形,其中,隆起值最大值出現(xiàn)在隧道中部斷面處,為3.04 mm。因此,隧道現(xiàn)場監(jiān)測時,除了在基坑影響范圍內(nèi)設(shè)置一定的監(jiān)測斷面,在隧道中部應(yīng)縮小監(jiān)測點間距進(jìn)行重點監(jiān)測。

3.3.3 隧道水平變形

基坑開挖至底時隧道不同部位的水平位移如圖9所示。

圖9 斷面不同位置水平位移沿隧道縱向變化圖

由圖9 可見,隧道的水平位移頂部最大、底部次之、拱腰最小,隧道頂部的水平位移與拱腰的拱腰的水平位移差值約為0.75 mm,可以看出,基坑的開挖不僅會引起隧道往基坑方向平動,也會引起隧道自身的斷面扭曲變形。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

為了對地鐵1 號線進(jìn)行實時監(jiān)測,施工過程中對區(qū)間隧道進(jìn)行了自動化實時監(jiān)測。按縱向每3～10 環(huán)布置1 個斷面,左右線各布置9 個斷面,每個斷面布置5 個測點,監(jiān)測頻率為8 h 一次,測點布置示意圖如圖10 所示。

圖10 斷面測點布置圖

自2017 年5 月測定初始值并進(jìn)行正常的自動化監(jiān)測以來,截至基坑開挖至基底,隧道頂部沉降、水平收斂,水平位移累計圖如圖11～圖13 所示,并且與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,通過對比發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合,且都小于表1 的控制指標(biāo)。

圖11 是頂部沉降實測值與監(jiān)測值對比圖,從圖中可以看出,計算值累計最大值在906 環(huán)為3.27 mm,而實測值累計頂部沉降最大值出現(xiàn)在910 環(huán)為3.15 mm,兩者略有差異,但兩者變形趨勢相近,差值最大為890 環(huán),相差1.65 mm。

圖11 頂部沉降實測值與監(jiān)測值對比圖

圖12 是水平收斂實測值與監(jiān)測值對比圖,從圖中可以看出,兩者變形趨勢相近,均表現(xiàn)為直徑先變大后變小,在中部受基坑開挖影響劇烈位置處數(shù)值變化較為明顯。

圖12 水平收斂實測值與監(jiān)測值對比圖

圖13 是水平位移實測值與監(jiān)測值對比圖,從圖中可以看出,計算值和實測值累計最大值均出現(xiàn)在902 環(huán),計算值累計最大值為1.91 mm,實測值累計最大值為1.88 mm,兩者略有差異,但兩者變形趨勢相近,差值最大為914 環(huán),相差0.43 mm。

圖13 水平位移實測值與監(jiān)測值對比圖

5 結(jié)論

本文通過Midas GTS 模擬了側(cè)上方基坑開挖對軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的影響,并且通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,得出以下結(jié)論：

（1） 單側(cè)基坑開挖對盾構(gòu)隧道整體位移及隧道結(jié)構(gòu)變形都有一定程度的影響。由于基坑開挖卸載擾動周圍土體,使隧道整體朝向卸載一側(cè)位移,同時靠近進(jìn)坑一側(cè)隧道被擾動土體環(huán)繞,結(jié)構(gòu)斷面出現(xiàn)了一定程度的扭曲變形。

（2） 由數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知,基坑開挖使周邊地層擾動保持在一定范圍內(nèi),隧道變形量均未達(dá)到預(yù)警值,說明采用攪拌樁加固結(jié)合分層分段開挖方法可以滿足地鐵盾構(gòu)隧道變形控制要求。

（3） 采用攪拌樁加固結(jié)合分層分段開挖的方法在側(cè)上方基坑開挖得到成功應(yīng)用,使正常運營的盾構(gòu)隧道變形控制符合要求,但是本文研究結(jié)論只是通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測得出,還有待于進(jìn)一步開展多工況理論分析及模型試驗驗證。