既有地下結(jié)構(gòu)位移超限分析

邢兆泳，潘 毫，韓玉珍，徐 萌，何紀(jì)忠，聶小凡

(1.北京城建軌道交通建設(shè)工程有限公司，北京 100088；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；3.北京外企人力資源服務(wù)有限公司第一分公司，北京 102308)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，基坑鄰近既有地下結(jié)構(gòu)的工程案例越來(lái)越多。基坑卸荷及施工擾動(dòng)影響會(huì)破壞土層原有的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致變形增長(zhǎng)，繼而傳遞至鄰近地下結(jié)構(gòu)[1]。國(guó)內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的研究也較多，BURFORD[2]最早分析了挖深12 m的基坑施工引起鄰近隧道的隆起位移及工后隆起；左殿軍等[3]根據(jù)招商銀行深圳市分行基坑開(kāi)挖工程，考慮隧道襯砌與土的相互作用，采用數(shù)值模擬研究了基坑開(kāi)挖施工對(duì)已建3號(hào)線盾構(gòu)隧道的影響，分析了區(qū)間隧道基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形，隧道頂部地表沉降，襯砌位移隨基坑開(kāi)挖深度的變化趨勢(shì)；張麒等[4]以天津市某地產(chǎn)項(xiàng)目6個(gè)深基坑群鄰近6號(hào)線地下車站及區(qū)間為工程背景，重點(diǎn)分析了施工過(guò)程中各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，明確了采取智能化手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，是控制基坑變形風(fēng)險(xiǎn)的有效手段；況龍川[5]、蔣洪勝等[6]對(duì)距區(qū)間隧道僅4 m的上海廣場(chǎng)深基坑工程項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖導(dǎo)致隧道發(fā)生明顯側(cè)移及豎向收斂變形，且位移量與基坑開(kāi)挖范圍相關(guān)；徐中華等[7]基于上海外灘596地塊超深基坑緊鄰9號(hào)線區(qū)間隧道工程，對(duì)基坑及鄰近隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究多種設(shè)計(jì)、施工措施下的隧道保護(hù)情況。

以上研究?jī)?nèi)容對(duì)工程實(shí)際施工過(guò)程與地下結(jié)構(gòu)變形之間關(guān)系的精細(xì)化分析較少，本文以某鄰近既有地下隧道的基坑工程為背景，從基坑開(kāi)挖全階段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)入手，并結(jié)合三維數(shù)值有限元模擬計(jì)算，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程與既有地下結(jié)構(gòu)變形之間的聯(lián)系規(guī)律開(kāi)展精細(xì)化研究，探究土體階段性變形、基坑開(kāi)挖效應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量對(duì)區(qū)間隧道變形的影響，指出實(shí)際施工重點(diǎn)關(guān)注的工況節(jié)點(diǎn)與區(qū)域，研究成果可為今后類似工程提供有效的設(shè)計(jì)與施工指導(dǎo)建議。

1 工程概況

本文研究基坑工程位于杭州市上城區(qū)近江區(qū)塊，項(xiàng)目基坑距離運(yùn)營(yíng)中的車站風(fēng)亭水平凈距約2 m，距離既有盾構(gòu)區(qū)間水平凈距約17.6 m。地塊與軌道交通關(guān)系平面圖參見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目總平面圖Fig.1 General layout

車站為地下二層島式車站，雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)。車站頂板覆土約5 m，底板埋深約18 m。車站及風(fēng)道圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁徑1 000 mm@750 mm咬合樁，樁長(zhǎng)分別為33 m、28 m，其中，端頭井圍護(hù)樁長(zhǎng)35 m。 E1出入口為單層箱型框架結(jié)構(gòu)，采用SMW工法樁支護(hù)。既有盾構(gòu)區(qū)間隧道內(nèi)徑5.5 m，襯砌采用直線環(huán)+轉(zhuǎn)彎環(huán)進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝，壁厚0.35 m，環(huán)寬1.2 m，采用C50混凝土。

地塊基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)以③3砂質(zhì)粉土層為主，既有車站底板位于③4黏質(zhì)粉土，盾構(gòu)區(qū)間主要位于③3砂質(zhì)粉土層。潛水埋深約1 m，承壓水位于⑨圓礫層，承壓水頭埋深約10 m。場(chǎng)地淺部粉土，富含地下水，在一定的動(dòng)水壓力作用下可能產(chǎn)生流沙和管涌現(xiàn)象。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 基坑分坑方案設(shè)計(jì)

本文研究項(xiàng)目主基坑深度約14.5 m，附屬連通通道基坑深度10～13 m。主基坑分為5個(gè)分坑，分別為1#分坑～5#分坑。附屬改造部分基坑分為3個(gè)分坑，分別為6#分坑～8#分坑。其中，6#分坑和7#分坑邊界部分借助既有軌道交通結(jié)構(gòu)，其余部分采用鉆孔灌注樁加MJS注漿加固。基坑分坑開(kāi)挖按順序：1#分坑→2#分坑→3#分坑→4#分坑→5#分坑→6#分坑→7#分坑→8#分坑，分坑方案布置圖參見(jiàn)圖2。

圖2 基坑分坑方案布置圖Fig.2 Pit division scheme of foundation pit

2.2 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基坑采用4種支護(hù)形式，對(duì)于1#分坑～5#分坑鄰近既有地下車站及區(qū)間一側(cè)采用剛度較強(qiáng)的1 000 mm地連墻，遠(yuǎn)離一側(cè)采用1 000 mm@1 300 mm鉆孔灌注樁。8#分坑鄰近既有出入口，采用鉆孔灌注樁+MJS注漿加固體系，6#分坑和7#分坑一側(cè)利用既有風(fēng)亭圍護(hù)設(shè)施，另一側(cè)為地連墻支護(hù)體系。具體的基坑支護(hù)形式分布參見(jiàn)圖3。

圖3 基坑支護(hù)類型分布圖Fig.3 Layout of support types of the foundation pit

1#分坑、3#分坑共有3道支撐，其中，第一道支撐為混凝土支撐，第二道支撐和第三道支撐為型鋼組合支撐；2#分坑、4#分坑、5#分坑共設(shè)置4道支撐，其中，第一道支撐為混凝土支撐，第二道支撐至第四道支撐為鋼管支撐。8#分坑設(shè)置共有2道支撐，均為混凝土支撐。選取4#分坑鄰近區(qū)間隧道一側(cè)的典型剖面，如圖4所示。

圖4 基坑典型斷面圖Fig.4 Typical section of foundation pit

3 現(xiàn)場(chǎng)施工及變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警概況

截至2022年1月25日，1#分坑和2#分坑均已拆除了全部支撐，正進(jìn)行地下室頂板模板搭建施工。既有盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移為+7.2 mm(原控制值5 mm)，E出入口最大沉降值為-6.8 mm(原控制值5 mm)，風(fēng)亭最大值為-4.2 mm(原報(bào)警值4 mm)。 在2021年11月2日—12月3日，基坑北側(cè)和西側(cè)發(fā)生滲漏水，現(xiàn)場(chǎng)采取水玻璃+水泥注漿處理，經(jīng)專家分析滲漏主要原因?yàn)槿S攪拌樁出現(xiàn)滲漏點(diǎn)。

3.2 既有線變形監(jiān)測(cè)分析

如圖5所示，圍護(hù)樁施工階段影響較小，區(qū)間結(jié)構(gòu)累積水平位移值在2 mm以內(nèi)。隨著基坑土方的開(kāi)挖，2021年9月21日—10月5日架設(shè)1#分坑第二道支撐期間，數(shù)值由2.7 mm增加到3.9 mm，短期增加了1.2 mm；2021年10月15日—10月23號(hào)架設(shè)1#分坑第三道支撐期間，數(shù)值由4.2 mm增加到5.0 mm，短期增加了0.8 mm；2021年11月12日—12月3日，基坑北側(cè)和西側(cè)發(fā)生滲漏水，在此時(shí)間段，上行線隧道由4.6 mm增加到6.1 mm，短期內(nèi)增加了1.5 mm。

圖5 既有區(qū)間水平位移Fig.5 Horizontal displacement of existing shield tunnel

如圖6所示，出入口的主要變形突變有兩個(gè)。第一個(gè)突變發(fā)生在2021年9月21日，即1#分坑完成第一道混凝土支撐，開(kāi)始進(jìn)行第二次開(kāi)挖的時(shí)刻。在此之前，出入口的沉降變形最大值在2 mm左右，隨著1#分坑開(kāi)挖土方量的加大，變形斜率明顯加大，一直到2021年10月15日，1#分坑開(kāi)始施作了第三道支撐，出入口的沉降變形加大趨勢(shì)得到了緩解，此時(shí)最大值為4 mm左右。分析其原因可知，在第一道支撐施工時(shí)，土體的卸載量較小，但從第一道支撐至第三道支撐間的豎向距離較大，土體卸載量加大，因此造成此階段的變形量增加較快。第二個(gè)突變發(fā)生在2021年11月2號(hào)，即1#分坑由第三道支撐位置開(kāi)挖到底的過(guò)程。此階段基坑?xùn)|側(cè)發(fā)生了滲漏水，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行堵漏施工工期長(zhǎng)達(dá)21 d，基坑長(zhǎng)時(shí)間處于擱置狀態(tài)下，發(fā)生較大蠕變。分析數(shù)據(jù)可以看出，滲漏水期間出入口的結(jié)構(gòu)變形斜率較大，造成的不利影響也更突出。

圖6 E出入口沉降情況Fig.6 Settlement of E entrance and exit

隨著堵漏工序完成，1#分坑開(kāi)挖到底及后續(xù)底板的及時(shí)施作，出入口的變形得到了一定程度的控制，雖然后續(xù)回筑過(guò)程中，隨著拆撐的工況，沉降變形有一定的起伏，但總體的變形速率相對(duì)穩(wěn)定，截至2022年1月25日，1#分坑已基本完成回筑過(guò)程，出入口結(jié)構(gòu)最大沉降值為7.1 mm。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析過(guò)程可以明確，該基坑對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路影響較預(yù)期略大，除基坑自身土方卸載等已考慮到的客觀因素外，還有以下幾方面不利影響：①基坑在11月份發(fā)生一次滲漏水情況，堵漏施工長(zhǎng)達(dá)21 d，導(dǎo)致基坑開(kāi)挖至底卻遲遲未能封閉底板，基底長(zhǎng)時(shí)間處于暴露狀態(tài)，對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)造成明顯不利影響；②現(xiàn)場(chǎng)平均封閉一層型鋼組合支撐至少需10 d，期間既有線變形發(fā)展較快，支撐架設(shè)時(shí)間偏長(zhǎng)及橫向支撐剛度偏弱也是造成既有線變形偏大的原因之一；③基坑回筑過(guò)程中，既有地下結(jié)構(gòu)的變形存在一定程度的波動(dòng)，分析判斷與拆撐工況有關(guān)。

3.3 主要的風(fēng)險(xiǎn)控制措施

考慮后續(xù)3#分坑～5#分坑的開(kāi)挖施工，會(huì)有更大體量的土方卸載開(kāi)挖，且5#分坑與上行線隧道的距離較近，存在對(duì)既有線造成更大水平位移的可能，因此建議在基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意以下幾項(xiàng)措施。

1) 為防止再次發(fā)生滲漏水情況，開(kāi)挖前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)止水帷幕、地連墻、排樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量檢驗(yàn)，對(duì)存在質(zhì)量問(wèn)題的區(qū)域及時(shí)采取加固、補(bǔ)樁等措施，確保止水效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。特別是對(duì)于地連墻與圍護(hù)樁相接位置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)缺陷處必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后方可開(kāi)挖。

2) 8#分坑目前采取兩道混凝土支撐的方案，考慮8#分坑緊鄰目前發(fā)生較大變形的E出入口，為進(jìn)一步控制基坑開(kāi)挖對(duì)既有出入口的不利影響，建議第二道支撐改用伺服鋼支撐體系。

3) 基坑各階段挖土施工必須遵循“分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的原則。每層厚度不宜大于1.5 m，每段開(kāi)挖寬度不宜超過(guò)20 m為最低要求，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)既有線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)一步減少每次的開(kāi)挖高度，不得隨意開(kāi)挖或超深開(kāi)挖，嚴(yán)格控制每次開(kāi)挖的土方卸載量。

4 有限元計(jì)算分析

為進(jìn)一步分析后續(xù)施工工況對(duì)既有線的影響程度，采用PLAXIS 3D有限元軟件對(duì)后續(xù)工況進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算。

4.1 計(jì)算模型與施工步序模擬及地層參數(shù)

綜合考慮基坑施工的影響范圍和影響對(duì)象，計(jì)算模型的平面尺寸為210 m(X方向，或東西向)×200 m(Y方向，或南北向)，計(jì)算模型中深度(Z方向，向上為正，負(fù)值代表沉降)取60 m，如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型Fig.7 Numerical model

地層采用HSS小應(yīng)變硬化土模型，地下車站、附屬結(jié)構(gòu)、區(qū)間盾構(gòu)隧道、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等均采用板單元模擬，內(nèi)支撐中混凝土支撐采用梁?jiǎn)卧弯摻M合支撐等效為板單元處理。模型采用標(biāo)準(zhǔn)截?cái)噙吔缂s束條件，水平方向僅約束其相應(yīng)的水平位移，底部采用固定約束，約束其豎向及水平向位移。

基坑開(kāi)挖施工步序見(jiàn)表1。 基坑地層參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 基坑開(kāi)挖施工步序Table 1 Construction steps of the excavation for the foundation pit

表2 地層參數(shù)Table 2 Formation parameters

續(xù)表2

4.2 模擬結(jié)果及分析

以8#分坑開(kāi)挖到底工況對(duì)應(yīng)的位移場(chǎng)為例，如圖8所示?？偨Y(jié)主要施工工況下，地表變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地下結(jié)構(gòu)設(shè)施變形結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)有限元分析計(jì)算，可以得到結(jié)論如下所述。

表3 有限元計(jì)算特征位移Table 3 Characteristic displacement of the finite element calculation

圖8 有限元計(jì)算位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of the finite element calculation

1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為22.20 mm，地表沉降最大值為-8.02 mm，滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 根據(jù)后續(xù)分坑開(kāi)挖的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，風(fēng)亭結(jié)構(gòu)在基坑后續(xù)分坑開(kāi)挖過(guò)程中的累積最大沉降值為2.86 mm；出入口的累積最大沉降值為4.37 mm，出入口差異沉降最大值為1.23 mm；盾構(gòu)區(qū)間隧道的累積最大位移值為0.95 mm，最大水平收斂值為0.74 mm。

3) 目前施工進(jìn)度狀態(tài)下，風(fēng)亭的最大累積沉降值為4.2 mm，出入口的最大累積沉降值為7.1 mm，出入口的差異沉降值為5.1 mm，區(qū)間隧道的最大累積變形值為7.0 mm，最大水平收斂值為3.6 mm。因此，預(yù)計(jì)后續(xù)工況下，車站風(fēng)亭出入口及區(qū)間隧道的累積位移值分別為7.06 mm、11.47 mm和7.95 mm，隧道的最大水平收斂值為4.25 mm，出入口的最大差異沉降為6.33 mm，滿足變形控制值要求。

5 結(jié) 論

1) 支撐架設(shè)時(shí)間及支撐剛度為控制基坑及周邊結(jié)構(gòu)變形的重要因素，對(duì)于類似工程施工過(guò)程中，考慮到既有運(yùn)營(yíng)線路的重要程度，適時(shí)選用伺服系統(tǒng)的支撐體系為保障工程安全性的重要措施。

2) 在地連墻與圍護(hù)樁接縫處的三軸攪拌樁止水帷幕出現(xiàn)滲漏水事故，致使基底長(zhǎng)時(shí)間處于暴露狀態(tài)，周邊土層流失，導(dǎo)致既有地下結(jié)構(gòu)在此期間出現(xiàn)較大變形增量。因此，對(duì)于此類風(fēng)險(xiǎn)較大的工程，特別是不同圍護(hù)形式的銜接位置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)缺陷處必須進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)后方可開(kāi)挖。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)，保障圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。