大型基坑開挖對鄰近隧道的影響分析

饒勤波，過 錦，俞建霖

（1. 綠城樂居建設(shè)管理集團有限公司，浙江 杭州 310012；2. 浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心 / 浙江省城市地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

基坑開挖將引起坑外土體的附加位移，打破其應(yīng)力平衡，導致土體應(yīng)力重分布。在一些大型城市中，地鐵運營里程的快速增長不可避免地出現(xiàn)大量基坑工程鄰近地鐵隧道施工[1-3]，引起鄰近盾構(gòu)隧道的附加變形及內(nèi)力。嚴重時將引起隧道環(huán)縫張開，甚至滲水，影響地鐵隧道的正常運營和安全，如何控制基坑開挖引起的隧道附加位移是工程上常常需要面對的問題。對于超大型基坑的開挖，由于基坑開挖面積更大，對周邊環(huán)境的影響也更加顯著，因此需要更加重視對鄰近隧道的保護，控制基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形以減小對鄰近隧道的影響。

基坑開挖存在顯著的空間效應(yīng)[4-5]，俞建霖等[6-7]借助有限元軟件建立三維數(shù)值模型分析了基坑開挖的空間效應(yīng)，研究表明，基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形不僅與基坑開挖深度有關(guān)，基坑長度及寬度對基坑的變形也存在較大影響。由此可見，基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形與基坑開挖面積密切相關(guān)，從另一方面來說，控制基坑的面積可以有效控制圍護結(jié)構(gòu)的變形。眾多研究表明，將基坑劃分為多個小基坑，以及分層分塊開挖等方式能有效地控制基坑變形。吳才德等[8]基于三維數(shù)值軟件得出了隧道最大位移隨鄰近基坑開挖面積的增加呈非線性遞增并且分隔墻與隧道垂直的分坑措施能更好的控制隧道變形的結(jié)論。相應(yīng)規(guī)范[9]也根據(jù)隧道與基坑的相對距離及基坑開挖深度規(guī)定了基坑開挖面積的大小，以控制基坑開挖對鄰近隧道的影響。基于此，本文介紹了杭州某鄰近地鐵隧道大型基坑工程的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、分坑措施及土方分區(qū)開挖順序，并取得了不錯的控制效果，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

杭州某大型基坑工程開挖面積約82 000 m2，基坑周長約1 160 m，其中靠近地鐵隧道一側(cè)基坑長約270 m，除基坑南側(cè)一層地下室開挖深度為5.8 m外，其余地區(qū)開挖深度均為9.6 m。基坑北側(cè)為市政道路，下臥地鐵盾構(gòu)隧道，與基坑最小水平凈距約12.4 m；基坑東側(cè)及南側(cè)為待建道路，其中南側(cè)道路外為現(xiàn)狀空地；基坑西側(cè)為先建01地塊基坑，開挖深度與02地塊基坑相當，待02地塊基坑開挖時已完成土方開挖。鄰近盾構(gòu)隧道外徑為6.2 m，隧道頂埋深約為10.8～16.5 m，距基坑底豎向凈距約1.2～6.9 m。圖1為基坑及周邊環(huán)境示意圖。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意圖Fig. 1 Schematic diagram of surrounding environment of foundation pit

2 工程地質(zhì)條件

基坑地勢較為平緩，主要土層分布從上到下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土，各土層主要物理力學性質(zhì)指標見表1。場地內(nèi)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土較為深厚，最厚處達22.6 m，隧道所在位置典型地質(zhì)剖面圖見圖2。場地地下水位埋深較淺，約為1.10～1.80 m，對基坑開挖影響較大。

表1 各土層物理力學參數(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

3 圍護設(shè)計方案及施工優(yōu)化

3.1 工程類比分析

為確定本工程圍護體系的設(shè)計方案以控制鄰近隧道的附加變形，調(diào)研了杭州市及周邊地區(qū)一些類似的工程案例，見表2。隧道距離基坑小于1.0H（基坑開挖深度）的工程，針對地鐵的保護方案一般采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護體系，坑內(nèi)被動區(qū)加固；隧道距離基坑1～2H的工程，則主要采取鉆孔樁+內(nèi)支撐支護體系。對于開挖面積較大的一些基坑，靠近隧道側(cè)采用分坑的方式控制圍護結(jié)構(gòu)變形，并采用分區(qū)、分層開挖以進一步減小基坑開挖對隧道的影響。

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

3.2 圍護體系設(shè)計方案

通過以上類似工程案例分析，由于基坑開挖面積較大，且隧道距離基坑較近，將基坑劃分為3個小基坑，并對靠近隧道一側(cè)的基坑作分坑處理，以控制基坑開挖對鄰近隧道的影響，具體圍護設(shè)計方案如下：整體采用Ф850@600 mm三軸水泥攪拌樁套打作止水帷幕，基坑北側(cè)采用Ф1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁結(jié)合兩道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐，并用高壓旋噴樁作被動區(qū)加固；基坑東、西兩側(cè)及南側(cè)二層地下室部分采用Ф800@1 000/1 100 mm鉆孔灌注樁結(jié)合一道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐；基坑南側(cè)一層地下室部分采用Ф 800 mm雙排樁作支護，典型基坑剖面圖見圖3。

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

北側(cè)基坑各分坑控制開挖面積在1 800～2 033 m2之間，北側(cè)基坑各分坑分隔樁采用Ф800@1 200 mm通過硬分割的形式，增強基坑空間效應(yīng)；其余基坑間采取Ф800@1 100 mm進行分割，并增加三軸攪拌樁進行止水，基坑分坑示意見圖1。

鄰近01地塊基坑開挖深度約為9.6 m，主要采用SMW工法樁結(jié)合一道混凝土撐的支護體系，在靠近地鐵隧道一側(cè)采用Ф1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁，并在被動區(qū)進行坑底加固。

4 鄰近隧道附加變形分析

4.1 有限元模擬分析

采用三維數(shù)值模擬軟件Plaxis 3D對整個基坑開挖工況進行建模分析，模型尺寸為：540 m（平行于隧道方向）×420 m×40.6 m。圖4為基坑與鄰近隧道模型示意圖。土體采用硬化土模型（HS模型），HS模型在基坑開挖、盾構(gòu)隧道推進等工程的安全性預(yù)估分析中應(yīng)用較為廣泛[10]，主要包含以下土體參數(shù)：三軸排水剪切試驗割線模量E50，固結(jié)試驗的主加載切線模量Eoed，三軸固結(jié)排水卸載再加載試驗的參考模量Eur。基于既有文獻對HS參數(shù)的研究結(jié)果[11-12]，選用的土體基本參數(shù)見表3。圍護墻及隧道采用不透水的板單元模擬，其中圍護墻彈性模量為30 GPa，隧道彈性模量為34.5 GPa，由于隧道縱向上由螺栓連接組成，按系數(shù)0.8對隧道剛度進行折減[13]。選用梁單元模擬腰梁及支撐，彈性模量為30 GPa。結(jié)構(gòu)單元尺寸根據(jù)實際工程設(shè)計尺寸選取，混凝土泊松比均設(shè)為0.2。

圖4 基坑與鄰近隧道模型Fig. 4 Model of foundation pit and adjacent tunnels

表3 HS模型中土體基本參數(shù)Table 3 Parameters of soil in HS model

數(shù)值模擬分析步驟如下：

（1）初始地應(yīng)力平衡；

（2）地鐵隧道激活；

（3）基坑圍護墻施工（位移清零）；

（4）01地塊開挖并逐步施工完成；

（5）02地塊北側(cè)及南側(cè)基坑開挖到第一道支撐底；

（6）02地塊北側(cè)及南側(cè)基坑澆筑第一道支撐，北側(cè)基坑1、3、5分坑開挖到第二道支撐底；

（7）02地塊北側(cè)基坑1、3、5分坑澆筑第二道支撐并開挖到基坑底；

（8）02地塊北側(cè)基坑1、3、5分坑完成底板及樓板施工；

（9）02地塊北側(cè)基坑2、4分坑開挖到第二道支撐底；

（10）02地塊北側(cè)基坑2、4分坑澆筑第二道支撐并開挖到基坑底；

（11）02地塊北側(cè)基坑2、4分坑完成底板及樓板施工；

（12）南側(cè)基坑開挖到基坑底，完成底板及樓板施工；

（13）南側(cè)一層地下室開挖，完成樓板施工；

（14）完成中部基坑的施工。

表4為兩個地塊相繼開挖各工況下隧道附加變形最大值。

表4 Plaxis 3D計算結(jié)果Table 4 Calculation results of Plaxis 3D

由圖5～7可知，在02地塊開挖前，由于01地塊開挖引起的坑外土體位移較小，從而對隧道附加位移的影響也較小，隧道附加水平位移約為3.6 mm，豎向位移約為2.0 mm。隧道附加位移發(fā)生的位置與坑外土體附加位移場密切相關(guān)。

圖5 01地塊開挖到底周邊土體水平位移Fig. 5 Horizontal displacement of surrounding soil after excavation of block 01

由圖8～10可知，02地塊北側(cè)基坑開挖在其外側(cè)引起的土體附加位移場的分布有較為顯著的空間效應(yīng)，分坑開挖的措施有效地控制了坑外土體的附加位移，最大位移小于01地塊開挖引起的土體附加位移。隧道最大變形沒有較為顯著的變化，但在02地塊開挖范圍內(nèi)隧道變形有較為明顯的變化，變形范圍逐漸擴大。

圖6 01地塊開挖到底隧道水平變形Fig. 6 Horizontal deformation of the tunnel when excavated to the bottom of the block 01

圖7 01地塊開挖到底隧道豎向變形Fig. 7 Vertical deformation of the tunnel when excavated to the bottom of the block 01

圖8 02地塊北側(cè)開挖到底周邊土體水平位移Fig. 8 Horizontal displacement of surrounding soil after excavation on the north side of Lot 02

圖9 02地塊北側(cè)開挖到底隧道水平變形Fig. 9 Horizontal deformation of the tunnel when excavated to the bottom on the north side of block 02

圖10 02地塊北側(cè)開挖到底隧道豎向變形Fig. 10 Vertical deformation of the tunnel when excavated on the north side of block 02

由圖11～13可知，02地塊南側(cè)基坑開挖在東西兩側(cè)產(chǎn)生了較大的坑外土體位移，但對北側(cè)坑外土體位移影響相對較小。南側(cè)基坑東西兩側(cè)圍護長度小于北側(cè)基坑圍護的長度，由于北側(cè)基坑采取分坑施工的方式，將較長的基坑邊分割為幾個較短的基坑邊，使得北側(cè)基坑坑外土體水平位移控制效果要優(yōu)于南側(cè)基坑，基坑北側(cè)坑外土體水平位移最大值約為南側(cè)基坑水平位移最大值的1/3，這說明對基坑進行分坑施工能較好地控制基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。隧道最大水平變形及豎向變形均未發(fā)生明顯變化。

圖11 02地塊南側(cè)開挖到底周邊土體水平位移Fig. 11 Horizontal displacement of surrounding soil after excavation on the south side of block 02

圖12 02地塊南側(cè)開挖到底隧道水平變形Fig. 12 Horizontal deformation of the tunnel when excavated to the bottom on the south side of block 02

圖13 02地塊南側(cè)開挖到底隧道豎向變形Fig. 13 Vertical deformation of the tunnel when excavated to the bottom on the south side of block 02

由圖14～16可知，02地塊中部基坑開挖完成后02地塊開挖范圍內(nèi)隧道變形進一步增加，隧道最大豎向變形發(fā)生位置向02地塊北側(cè)中部位置轉(zhuǎn)移。中部基坑的開挖引起了02地塊范圍內(nèi)隧道附加變形較大的增長。

圖14 02地塊中部開挖到底周邊土體水平位移Fig. 14 Horizontal displacement of the surrounding soil after the middle of block 02 fully excavated

圖15 02地塊中部開挖到底隧道水平變形Fig. 15 Horizontal deformation of the tunnel when the middle of block 02 fully excavated

圖16 02地塊中部開挖到底隧道豎向變形Fig. 16 Vertical deformation of the tunnel when the middle of block 02 fully excavated

從基坑各開挖工況對鄰近隧道附加變形的影響中可以分析得出，即使基坑開挖面積較大，但是較遠處土體開挖對隧道的影響較小，可著重加強較近處圍護結(jié)構(gòu)的剛度以減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響；通過將長基坑分割為幾個較小的基坑以減小基坑邊長度的方式可以更好地控制圍護結(jié)構(gòu)的變形，減小基坑開挖的環(huán)境影響。

4.2 實測數(shù)據(jù)分析

為及時發(fā)現(xiàn)問題，有效控制隧道變形，在基坑開挖過程中對隧道附加位移進行了實時監(jiān)測，監(jiān)測點位布設(shè)見圖17。圖18～19為02地塊開挖期間基坑北側(cè)中部附近5個連續(xù)的監(jiān)測點位監(jiān)測到的隧道附加變形隨時間變化的曲線圖。

圖18 實測隧道水平位移曲線Fig. 18 Measured horizontal displacement of tunnel

圖19 實測隧道豎向位移曲線Fig. 19 Measured vertical displacement of tunnel

由圖18～19可見，北側(cè)分坑開挖完成后，隧道附加變形較小，數(shù)值計算結(jié)果也表明北側(cè)基坑施工完成后，隧道未發(fā)生顯著的變形，較好地控制了基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。南側(cè)基坑開挖完成后并未對隧道的水平變形產(chǎn)生較大的影響，在整個開挖過程中隧道變形較為穩(wěn)定，這與有限元分析結(jié)果一致，而豎向變形在南側(cè)基坑開挖初期沉降增大，隨后由沉降逐漸轉(zhuǎn)變成隆起，這可能是由于新建隧道因其內(nèi)部土體的開挖卸荷使得隧道逐漸產(chǎn)生隆起變形，但有限元分析中未考慮到這一點，使得兩者最終計算結(jié)果存在略微差異。中部基坑的開挖進一步增加了隧道的附加變形，數(shù)值計算結(jié)果同樣體現(xiàn)了這一點，由于中部基坑開挖引起的隧道水平變形增加最大值約0.4 mm，沉降增加最大值約為0.6 mm。隧道水平變形最大值為1.9 mm，沉降最大值為1.7 mm，與數(shù)值模擬計算的結(jié)果較為一致，驗證了數(shù)值分析模型的合理性。

5 結(jié) 論

介紹了杭州某鄰近地鐵隧道大型基坑的圍護設(shè)計方案，闡述了基坑分坑及分塊開挖的方式，主要有以下結(jié)論：

（1）基坑分坑開挖的方式較好地控制了基坑開挖對鄰近盾構(gòu)隧道的影響。

（2）建立有限元分析模型，結(jié)果表明，基坑開挖范圍的擴大會增加鄰近隧道附加變形的影響范圍，距離隧道較遠的基坑開挖對隧道附加變形的影響較小。

（3）鄰近隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，驗證了數(shù)值分析模型的合理性。

（4）隧道實測變形均控制在變形控制要求范圍內(nèi)，因此，此基坑圍護設(shè)計方案是合理可行的，可供類似基坑工程借鑒參考。