黃土區(qū)基坑開挖引起下臥地鐵隧道變形分析及控制措施研究*

楊 焜,朱武衛(wèi),劉 義,席 宇,王寶玉,楊 曉

(陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司,陜西 西安 710082)

0 引言

地鐵出行是城市通勤最重要的交通方式,近年來發(fā)展快速,地下縱橫交錯(cuò)的地鐵管線與城市地下空間開發(fā)的矛盾日益激烈。如何避免或預(yù)測(cè)地下工程對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵的影響,以及如何在施工過程中進(jìn)行既有地鐵的保護(hù)和變形控制,成為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展、推動(dòng)城市建設(shè)的重大研究課題。

基坑開挖將誘發(fā)近接地鐵隧道的變形,其受基坑與隧道的相對(duì)位置、基坑的開挖面積與深度、土體屬性等的影響,并可采取技術(shù)措施加以控制。國(guó)內(nèi)學(xué)者及工程技術(shù)人員業(yè)已進(jìn)行了一系列的研究工作,吳加武[1]基于DCFEM法提出了基坑開挖對(duì)緊鄰地鐵隧道影響的預(yù)測(cè)方法,并通過Midas GTS NX對(duì)緊鄰深基坑的地鐵隧道進(jìn)行了開挖影響分析,研究了基坑與隧道的相互作用機(jī)理。鄧旭[2]通過有限元模擬對(duì)比分析了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式下既有地鐵隧道的變形特性,并按深度對(duì)隧道的變形影響區(qū)進(jìn)行了劃分。魏綱等[3]基于Mindlin位移解和疊加原理提出了基坑開挖時(shí)鄰近隧道的位移計(jì)算公式,通過算例分析了隧道位置、基坑開挖尺寸及加固控制措施改變對(duì)既有地鐵隧道位移的影響。張書豐等[4]依據(jù)施工監(jiān)測(cè)資料研究了長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑施工時(shí)鄰近隧道變形的主要影響因素,并通過修正慣用法進(jìn)行了定量分析,提出了隧道的應(yīng)急保護(hù)措施。

通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行基坑開挖過程中鄰近隧道變形的特征和敏感性分析,評(píng)估外部作業(yè)或隧道變形控制措施的可行性,已成為地下工程近接地鐵隧道安全性評(píng)估的重要手段,是規(guī)范中推薦使用的方法之一。本文以西安火車站北廣場(chǎng)基坑工程為例,研究了黃土區(qū)基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道的變形影響,分析了采用基坑分區(qū)開挖、隧道周邊土體加固等措施時(shí)隧道的變形控制效果。

1 工程概況

西安火車站北廣場(chǎng)綜合改造項(xiàng)目位于西安市新城區(qū)。其基坑工程的部分開挖區(qū)域位于既有地鐵4號(hào)線正上方,如圖1所示。圖中地下1層、地下2層基坑分別開挖至地下-8.000 m和-13.500 m,坑底與下臥既有地鐵隧道豎向距離分別為6.5 m和1 m。在此情況下,如何在施工過程中控制隧道變形,確保地鐵4號(hào)線的運(yùn)行安全是本項(xiàng)目施工作業(yè)的重難點(diǎn)。

圖1 基坑開挖范圍Fig.1 Excavation range of foundation excavation

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)項(xiàng)目的工程地質(zhì)勘察報(bào)告,場(chǎng)地地形基本平坦,整體呈西低東高之勢(shì),平均標(biāo)高403.500 m。地貌單元屬黃土梁洼,場(chǎng)地土自上而下分為雜填土、黃土、古土壤和粉質(zhì)黏土。按土性可劃分為7層,各層土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

3 有限元模型

3.1 模型尺寸

以基坑和隧道作為研究對(duì)象建立三維有限元模型,考慮到基坑開挖對(duì)土體的擾動(dòng)范圍,計(jì)算邊界自基坑邊往外延伸約5倍的基坑深度[5],整體模型尺寸為260 m×180 m×50 m,如圖2所示。

圖2 基坑數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model of foundation excavation

3.2 單元類型及材料參數(shù)

土體選用3D實(shí)體單元及修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型。在基坑開挖時(shí),土體處于卸荷狀態(tài),修正莫爾-庫倫本構(gòu)能夠較好地體現(xiàn)其加、卸荷時(shí)的剛度差異,避免出現(xiàn)使用莫爾-庫倫本構(gòu)時(shí)坑底回彈量過大的問題[6-7]。連排的支護(hù)樁根據(jù)剛度等效原則考慮成地下連續(xù)墻[8],與隧道盾構(gòu)管片均采用2D板單元,錨桿采用1D植入式桁架單元[9]。各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 Parameters of structural materials

3.3 荷載及邊界條件

模型所受荷載為土體、結(jié)構(gòu)自重及地面超載,其中超載按均布荷載20 kPa考慮。模型上方為自由面,底部為固定約束,四面約束法向位移[10]。

4 隧道變形分析

按照不分區(qū)開挖方案進(jìn)行施工階段數(shù)值模擬,在開挖前先施工地下1層基坑的支護(hù)樁,而后進(jìn)行基坑整體開挖,每次開挖深度為2 m,直至地下1層坑底;底下2層基坑施工同樣按先支護(hù)后開挖的方式進(jìn)行。據(jù)此設(shè)置模型的分析工況,并對(duì)施工完成后的基坑及隧道變形加以分析?；娱_挖完成后的豎向變形如圖3所示。

圖3 基坑豎向變形Fig.3 Vertical deformation of foundation excavation

基坑因開挖卸荷而產(chǎn)生坑底隆起,這是引起基坑下臥地鐵隧道變形的主要原因,圖中坑底的最大隆起點(diǎn)位于地下2層基坑“┐”形拐角處,達(dá)到23.24 mm。

基坑開挖過程中,下臥地鐵隧道主要發(fā)生隆起變形,水平向變形較小。選取隧道拱券頂部沿軸線方向的若干節(jié)點(diǎn),得到各節(jié)點(diǎn)的豎向變形在基坑開挖過程中的發(fā)展趨勢(shì)如圖4所示,其中橫坐標(biāo)表示與模型中隧道最南端的距離,橫坐標(biāo)的最小值、最大值表示的位置分別為隧道的南端和北端。

圖4 不同開挖工況下隧道豎向變形Fig.4 Vertical deformation of tunnel under different excavation conditions

由圖4可以看出,開挖范圍內(nèi)的下臥隧道在基坑開挖過程中產(chǎn)生不均勻的整體抬升,隧道的隆起變形在地下1層基坑開挖過程中增長(zhǎng)迅速,在地下2層基坑開挖過程中增長(zhǎng)放緩,其中隧道兩端的沉降變形是由地面超載引起的。

隧道最大隆起變形在施工過程中的增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖5所示。其中橫坐標(biāo)表示開挖工況,s1為初始狀態(tài),s2～s5為底下1層基坑分別開挖2,4,6,8 m時(shí),s6～s8為地下2層基坑分別開挖2,4,5.5 m時(shí)。

圖5 開挖過程中隧道最大豎向變形發(fā)展趨勢(shì)Fig.5 Development trend of maximum vertical deformation of tunnel during excavation

從圖5可以看到,左線隧道的最大隆起變形在整個(gè)施工過程中均大于右線隧道;隧道的變形在地下1層基坑開挖過程中發(fā)展較快,當(dāng)?shù)叵?層基坑開挖完成后,左、右線隧道的隆起已經(jīng)達(dá)到了其最終變形的85.3%,79.8%。

基坑開挖完成后,隧道的豎向最終變形如圖6所示。

圖6 隧道豎向變形Fig.6 Vertical deformation of tunnel

圖中左、右線隧道的最大隆起部位位于基坑南部,分別為11.09 mm和10.29 mm,已經(jīng)超出了城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制的預(yù)警值。

5 隧道變形控制措施研究

文中下臥既有地鐵隧道在基坑開挖過程中發(fā)生了較大的隆起變形。對(duì)于隧道的變形控制,常有兩種方式:①減小基坑變形,可通過加強(qiáng)基坑支護(hù)或開挖方案優(yōu)化等來實(shí)現(xiàn);②提升隧道周邊土體的整體性和抗變形能力,可通過注漿或攪拌樁加固、設(shè)置抗拔樁來實(shí)現(xiàn)。本文將分別研究基坑開挖方案優(yōu)化及隧道周邊土體加固對(duì)隧道變形的控制效果。

5.1 開挖方案優(yōu)化分析

基坑的變形具有顯著的時(shí)空效應(yīng),通過對(duì)基坑進(jìn)行分區(qū)開挖以控制單次開挖卸荷的范圍和路徑,可以更好地發(fā)揮基坑的時(shí)空效應(yīng),減小土體擾動(dòng),在敏感環(huán)境中尤其適用[11-12]。

5.1.1分區(qū)開挖方案

根據(jù)基坑的平面形狀和施工技術(shù)要求,擬定了分區(qū)跳倉(cāng)開挖方案,分區(qū)施工如圖7所示。圖中地下1層基坑共有9個(gè)分區(qū),開挖深度為8 m,施工時(shí)開挖順序如下: ① ③開挖→ ②開挖→ ④ ⑥開挖→ ⑤開挖→⑦ ⑨開挖→ ⑧開挖,施工過程中需對(duì)開挖分區(qū)相鄰的未開挖分區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。圖中黑色粗線圍成的區(qū)域?yàn)榈叵?層基坑,開挖深度為5.5 m,由于開挖面積較小,待地下1層基坑開挖到底后直接進(jìn)行不分區(qū)開挖。

圖7 分區(qū)開挖施工Fig.7 Construction of zoned excavation

按分區(qū)施工圖進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后,將基坑模型劃分成9個(gè)網(wǎng)格組,如圖8所示。

圖8 分區(qū)基坑模型Fig.8 Model of zoned foundation excavation

5.1.2隧道變形對(duì)比分析

按上述分區(qū)開挖方案調(diào)整施工步序,得到了分區(qū)開挖施工的隧道變形,其豎向最終變形如圖9所示。

圖9 隧道豎向變形Fig.9 Vertical deformation of tunnel

從隧道的豎向變形來看,分區(qū)開挖完成后左、右線隧道的最大隆起值為9.50 mm和8.86 mm,相比不分區(qū)開挖時(shí)分別降低了1.59 mm和1.43 mm,降幅為14.3%和13.9%。由此可見,分區(qū)開挖對(duì)隧道的變形控制是有利的,但其控制效果一般。究其原因,一方面是該基坑的開挖面積和深度并不大,而時(shí)空效應(yīng)則主要是在大面積深基坑中發(fā)揮著顯著作用;另一方面,要想充分發(fā)揮基坑的時(shí)空效應(yīng),需盡量縮短坑底土體的暴露時(shí)間,并及時(shí)澆筑底板和施作主體結(jié)構(gòu),本文中未考慮施作主體結(jié)構(gòu)。

相較不分區(qū)開挖,分區(qū)開挖除了使隧道變形減小之外,施工過程中隧道沿其軸向的豎向變形發(fā)展趨勢(shì)亦有所不同,如圖10所示。

圖10 不同開挖工況下隧道豎向變形Fig.10 Vertical deformation of tunnel under different excavation conditions

通過與圖4的對(duì)比可以看出,隧道的豎向變形呈現(xiàn)明顯的施工相關(guān)性。分區(qū)開挖時(shí),左線隧道的隆起變形在開挖第①③分區(qū)、第④⑥分區(qū)和地下2層基坑時(shí)發(fā)展迅速;右線隧道在開挖第①③分區(qū)、第⑤分區(qū)和地下2層基坑時(shí)發(fā)展較快。隧道的大部分隆起變形發(fā)生在第①～⑥分區(qū)開挖過程中,且集中在距離隧道南端60～80 m。相較不分區(qū)開挖,雖然兩者在最終開挖完成后沿軸線方向的豎向變形分布基本一致,但分區(qū)開挖在初期階段的變形就較為集中,隧道中部沿軸向的差異沉降較大。第⑦～⑨分區(qū)的開挖對(duì)隧道的最大隆起變形部位基本無影響,但一定程度上減小了隧道中部的差異沉降。

綜上所述,分區(qū)開挖可以減小隧道的隆起變形,但在開挖初期隧道沿軸向的隆起變形較不分區(qū)開挖時(shí)更加集中。根據(jù)不同卸荷路徑下的隧道變形規(guī)律,可對(duì)分區(qū)方案進(jìn)行調(diào)整,應(yīng)先開挖基坑南北兩側(cè)的第①～③分區(qū)和第⑦～⑨分區(qū),而將位于基坑中部的第④～⑥分區(qū)放至最后開挖。

5.2 隧道加固措施研究

通過注漿或水泥土攪拌樁的方式進(jìn)行地層加固,可使原本的松散土粒膠結(jié)在一起,增強(qiáng)土體的整體性,提高其物理力學(xué)性質(zhì)。還可在管線兩側(cè)打設(shè)抗拔樁從而依靠樁側(cè)摩阻力來抵抗開挖卸荷產(chǎn)生的豎向拉應(yīng)力,兩種方法均可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程中地下管線的變形控制[13-14]。

5.2.1隧道加固方案

在基坑不分區(qū)開挖的基礎(chǔ)上,擬對(duì)隧道周邊土體進(jìn)行攪拌樁加固處理。因基坑位于既有地鐵隧道正上方,故對(duì)隧道上方條形范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固是必要措施。將隧道橫截面上的底部?jī)啥俗鳛槠瘘c(diǎn),以與水平線成45°+φ/2的角度向上延伸至基坑底部,其間距即為隧道上方合理加固寬度,如圖11a所示,本文中隧道上方土體加固寬度b取為27 m。由于隧道頂部距離地下1層基坑坑底僅有6.5 m,在扣除隧道頂部的保護(hù)區(qū)域后其上方土體的最大加固深度取5 m,故在方案1、方案2中隧道上方土體加固深度h分別取2.5 m和5 m,以分析其不同加固深度時(shí)隧道的變形控制效果。加固土的材料屬性如表3所示。

表3 加固土力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of reinforced soil

鑒于隧道上方土體的加固深度受限,且局部加固土在地下2層基坑開挖時(shí)即被挖除,遂在隧道上方土體加固的前提下又提出了在隧道側(cè)方進(jìn)行土體加固和設(shè)置抗拔樁的強(qiáng)化控制措施。根據(jù)規(guī)范中明挖外部作業(yè)的工程影響區(qū)劃分[5],將抗拔樁長(zhǎng)度和側(cè)方土體加固范圍從坑底向下延伸至基坑開挖的一般影響區(qū)外,故側(cè)方土體加固深度取12 m,抗拔樁長(zhǎng)度取18 m。方案3為隧道上方及側(cè)方土體加固結(jié)合使用的門式加固方案,如圖11b所示;方案4為隧道上方土體加固及兩側(cè)設(shè)置抗拔樁結(jié)合使用的板凳式加固方案,如圖11c所示;方案5是前述3種加固措施疊加應(yīng)用的混合加固方案,如圖11d所示。加固時(shí)隧道周邊1 m范圍內(nèi)為保護(hù)區(qū)域,不進(jìn)行處理。

5.2.2加固效果對(duì)比

按前述加固方案進(jìn)行模型分析,各方案對(duì)隧道變形的控制效果如表4所示。

從表4可以看出,進(jìn)行隧道上方、側(cè)方土體加固和設(shè)置抗拔樁,都能達(dá)到抑制隧道變形的效果,其中按方案2～5進(jìn)行加固后均可使隧道最大隆起值小于規(guī)范中的預(yù)警值。

通過未加固方案與方案1、方案2的對(duì)比,在隧道上方進(jìn)行土體加固的變形控制效果與加固深度成正比,當(dāng)加固深度達(dá)到5 m時(shí),隧道的最大隆起變形降低約15%,與分區(qū)開挖效果相當(dāng)。由于局部加固土在地下2層基坑開挖過程中被挖除,這在一定程度上削弱了上方土體加固對(duì)隧道的變形控制效果。采用了兩種及以上加固措施的方案3、方案4和方案5相比未加固時(shí)可分別使隧道最大隆起變形降低約33%,43%和56%,加固效果顯著。

方案3相較方案2,隧道最大隆起變形減小了約18%,這說明對(duì)隧道進(jìn)行側(cè)方土體加固同樣可以抑制基坑開挖時(shí)下臥隧道的豎向變形。但在隧道側(cè)方加固深度達(dá)12 m的情況下,其變形控制效果僅與隧道上方加固5 m時(shí)相當(dāng)。故針對(duì)基坑下臥隧道的豎向變形控制,進(jìn)行隧道側(cè)方土體加固沒有上方土體加固有效,可在上方加固深度不足的情況下再考慮側(cè)方土體加固。

方案4相較方案2,隧道最大隆起變形減小了約28%,這說明在隧道兩側(cè)設(shè)置抗拔樁的加固效果明顯優(yōu)于隧道側(cè)方土體加固。

方案5相較方案2,隧道最大隆起變形減小了約41%,其隧道加固效果小于方案3、方案4分別相對(duì)于方案2的提升效果的疊加(46%),這說明多種加固措施的耦合使用雖然仍能進(jìn)一步抑制隧道的變形,但卻產(chǎn)生了效用損失。

5.3 施工效果評(píng)價(jià)

在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及工期要求的基礎(chǔ)上,西安火車站改擴(kuò)建項(xiàng)目位于地鐵4號(hào)線上方的基坑區(qū)域,采用優(yōu)化后的分區(qū)開挖方式進(jìn)行施工,并在開挖前對(duì)4號(hào)線隧道采取了板凳式加固方案,即采用水泥土攪拌樁對(duì)隧道上方土體進(jìn)行加固,并沿隧道長(zhǎng)度方向在其兩側(cè)打設(shè)隔離樁。在基坑開挖過程中對(duì)4號(hào)線左、右線隧道的頂部位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,左、右線隧道在施工過程中僅發(fā)生了輕微隆起,開挖到底時(shí)左、右線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大豎向變形分別為4.12 mm,2.57 mm,遠(yuǎn)小于城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制的預(yù)警值。這表明,采用分區(qū)開挖和板凳式隧道加固方案,對(duì)隧道變形具有良好的控制效果。

6 結(jié)語

1)下臥地鐵隧道因基坑開挖卸荷而產(chǎn)生變形響應(yīng),在基坑不分區(qū)開挖時(shí)左、右線隧道的最大隆起值分別為11.09 mm和10.29 mm,已超出城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)的預(yù)警值。

2)對(duì)本工程采取分區(qū)跳倉(cāng)開挖方案,可使隧道最大隆起變形相比不分區(qū)開挖時(shí)降低約14%?；诓煌逗陕窂较滤淼赖淖冃我?guī)律,對(duì)原分區(qū)開挖方案進(jìn)行了調(diào)整,將位于基坑平面位置中部的分區(qū)調(diào)整至最后階段開挖。

3)對(duì)比5種隧道加固方案,結(jié)果表明:進(jìn)行隧道上方土體加固對(duì)隧道的變形控制效果較好,且與加固深度成正比。在隧道上方土體加固的前提下,結(jié)合側(cè)方土體加固的門式加固方案、結(jié)合抗拔樁設(shè)置的板凳式加固方案及綜合運(yùn)用3種措施的混合加固方案,均可顯著抑制下臥隧道豎向變形且加固效果依次提高。在隧道上方土體加固的基礎(chǔ)上增加其他加固措施時(shí),設(shè)置抗拔樁優(yōu)于進(jìn)行側(cè)方土體加固,建議優(yōu)先選擇單一加固措施,混合加固方案可在單一加固措施無法滿足變形控制要求時(shí)選用。

4)在實(shí)際施工時(shí)采用了分區(qū)開挖和板凳式隧道加固方案,其隧道變形控制效果良好,確保了施工過程中的地鐵運(yùn)行安全。