典型地層中基坑對(duì)旁側(cè)地鐵隧道影響的實(shí)測分析

金 怡, 顧曉衛(wèi), 葉 翔, 陸少琦, 胡 琦, 黃星迪, 鄧以亮

(1 浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，杭州 311231；2 杭州杭港地鐵有限公司，杭州 310018；3 浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院，杭州 312369；4 浙江浙峰工程咨詢有限公司，杭州 310019；5 東通巖土科技股份有限公司，杭州 310019)

0 引言

隨著城市地下交通的發(fā)展,臨近地鐵隧道的基坑工程也日益增多?；娱_挖會(huì)破壞土層原有的應(yīng)力狀態(tài),不可避免地對(duì)臨近地鐵隧道造成影響。如何將其引起的隧道變形嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi),是此類基坑工程的重難點(diǎn)。

針對(duì)基坑開挖對(duì)旁側(cè)地鐵隧道的影響,國內(nèi)外進(jìn)行了諸多研究。劉波等[1]匯總了隧道變形的預(yù)測方法。鄭剛等[2]通過大量有限元模型并結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同變形模式下的隧道變形影響區(qū)進(jìn)行了劃分。魏綱等[3]分析了旁側(cè)盾構(gòu)隧道圍壓變化機(jī)制并提出了附加圍壓的計(jì)算公式。卞榮等[4]通過位移控制有限元法分析了基坑與隧道不同的相對(duì)位置和基坑等級(jí)對(duì)隧道的影響,給出了基坑安全距離建議值。張嬌等[5]通過三維有限元法分析了基坑分區(qū)施工對(duì)臨近隧道變形的影響。

本文依托于杭州典型地層中的實(shí)際工程案例,分析了基坑及旁側(cè)地鐵隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù),可為相似工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

項(xiàng)目位于杭州市上城區(qū),設(shè)兩層整體地下室?；映书L寬約110m×100m的方形,挖深9.90m。杭州地鐵一號(hào)線位于基坑南側(cè)20.8m,隧道直徑6.2m,頂埋深8m。隧道走向與基坑邊線近似平行?；优c地鐵隧道的平面相對(duì)位置關(guān)系見圖1,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道的剖面相對(duì)位置見圖2。基坑開挖范圍內(nèi)主要土層及主要土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。場地內(nèi)地下水位埋深在0.90～1.30m。

表1 土體參數(shù)取值

圖1 基坑與隧道平面關(guān)系圖

圖2 剖面圖/m

2 基坑圍護(hù)方案

2.1 基坑特點(diǎn)分析

根據(jù)該項(xiàng)目場地環(huán)境、土質(zhì)條件等多種因素,基坑具有以下特點(diǎn):

(1)基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜,四周緊鄰市政道路,距離道路邊線最近處約5m。運(yùn)營中的地鐵一號(hào)線盾構(gòu)隧道距離基坑南側(cè)約20.8m,依據(jù)浙江省規(guī)范《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)[6]位于基坑開挖影響區(qū)內(nèi)。隧道中心距圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離、隧道中心埋深與基坑深度的比值分別為2.4、1.1,參考鄭剛等[2]對(duì)隧道變形影響區(qū)的研究,隧道位于基坑的微弱影響區(qū)。

(2)基坑開挖面積較大,基坑落地面積約11600m2,南側(cè)沿地鐵區(qū)間盾構(gòu)最大長度約為112m。

(3)基坑坑底以上土層以粉土為主,土體滲透性好,基坑對(duì)止水帷幕質(zhì)量要求高。而基坑坑底以下存在深厚的軟弱土層,土體呈流塑狀,靈敏度高,對(duì)基坑穩(wěn)定性影響大。隧道位于②2黏質(zhì)粉土層,隧道底即為軟弱的淤泥質(zhì)土層,對(duì)控制隧道變形非常不利。

2.2 基坑圍護(hù)方案

基坑南側(cè)鄰近已建的地鐵隧道,對(duì)基坑的變形要求高,為了有效控制該區(qū)段基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響,根據(jù)“時(shí)空效應(yīng)”原理,采用分區(qū)分塊施工方法,將基坑劃分為鄰近地鐵側(cè)的南區(qū)以及遠(yuǎn)離地鐵側(cè)的北區(qū),南區(qū)再劃分為南一區(qū)和南二區(qū)。先施工鄰近地鐵側(cè)的南區(qū),再施工遠(yuǎn)離地鐵側(cè)的北區(qū),基坑分區(qū)示意圖如圖1所示。南區(qū)圍護(hù)樁為鉆孔灌注樁,內(nèi)支撐為兩道鋼筋混凝土支撐,同時(shí)結(jié)合TRD墻與高壓旋噴樁作為止水帷幕;北區(qū)采用內(nèi)插型鋼的TRD墻(渠式切割水泥土連續(xù)墻)+一道型鋼支撐的圍護(hù)方案,同時(shí)基坑?xùn)|西兩側(cè)于TRD墻外側(cè)增設(shè)高壓旋噴樁增強(qiáng)止水效果?；幽蠀^(qū)支護(hù)剖面見圖2?；邮┕じ鞴r見表2。

表2 施工工況

3 基坑實(shí)測數(shù)據(jù)分析

基坑圍護(hù)樁外側(cè)深層土體水平位移如圖3所示,正值代表朝向坑內(nèi)。南一區(qū)和南二區(qū)的深層土體水平位移變形模式均為“復(fù)合型”[7]。截至支撐拆除完畢,最大水平位移為11mm,與開挖深度的比值為 0.1%,表明基坑近隧道側(cè)變形控制良好。

圖3 深層土體水平位移曲線

圖3可見,在TRD墻與圍護(hù)樁施工完成后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體側(cè)移均不超過1mm,說明TRD施工工藝擾動(dòng)較小,且可在一定程度上減少圍護(hù)樁施工擾動(dòng)帶來的影響?；娱_挖到底后,最大土體側(cè)移位于深度3m附近,隨后曲線呈現(xiàn)整體向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)的外凹狀。作為設(shè)置兩道支撐的基坑,其深層土體側(cè)移曲線并沒有表現(xiàn)出典型的“鼓肚形”或“階梯鼓肚形”[8]?？赡艿脑蚴腔诱w變形較小,采用的大直徑圍護(hù)樁剛度較大,而采用的鋼筋混凝土支撐是被動(dòng)型支撐,因此圍護(hù)樁充當(dāng)了主要的受力結(jié)構(gòu),即側(cè)壁起到了主要的卸載作用,第二層支撐發(fā)揮的作用相對(duì)較小?？紤]鋼筋的折減效應(yīng),混凝土自身的收縮和徐變也是影響支撐軸力值的主要因素[9]。因此,對(duì)于變形控制要求嚴(yán)格的基坑,除了確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度外,可以考慮采用主動(dòng)控制型支撐進(jìn)一步控制位移。通過軸力補(bǔ)償伺服系統(tǒng)對(duì)支撐軸力進(jìn)行調(diào)整,可實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形精細(xì)化控制,減少支撐材料自身收縮與徐變帶來的影響,使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形趨于目標(biāo)狀態(tài)[10]。

4 隧道變形監(jiān)測結(jié)果

4.1 地鐵隧道豎向位移

地鐵隧道豎向位移隨工況的變化曲線如圖4所示,正值表示隆起。基坑開挖影響范圍內(nèi),隧道豎向位移以隆起為主,總體變化幅度較小。更靠近基坑的下行線隆起更為明顯,最大值為2.5mm。從基坑開挖直到開挖至第二道支撐底,隧道頂位于基坑開挖面下方,下行線的豎向位移曲線在南一區(qū)、南二區(qū)對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)近似呈正態(tài)分布[11],符合下臥隧道的豎向變形特點(diǎn)。在這個(gè)階段,下行線隆起最大值的位置范圍分別對(duì)應(yīng)基坑南一區(qū)、南二區(qū)中部附近,且在分隔樁處的隆起值明顯減小,位移曲線呈現(xiàn)“M”形。由此可見設(shè)置分隔樁進(jìn)行分區(qū)施工可有效減少隧道隆起。此階段對(duì)上行線影響較小,位移較圍護(hù)樁施工完畢無顯著變化。基坑開挖至坑底時(shí),開挖深度略深于隧道埋深,下行線豎向位移出現(xiàn)顯著增長。由圖5可見,此階段的下行線隆起增長量約占全過程的30%,說明在基坑挖深接近或大于隧道埋深時(shí),對(duì)隧道豎向位移的影響更大。分隔樁處豎向位移并未如前述階段表現(xiàn)出明顯減小,但豎向位移最大值出現(xiàn)在南一區(qū)中部位置,在一定程度上反映分隔樁的影響。上行線最大豎向位移為1.5mm,也出現(xiàn)在南一區(qū)中部位置。隧道兩端(即基坑開挖對(duì)應(yīng)范圍外)出現(xiàn)較為明顯的沉降,可能原因是此范圍受到土體卸荷的直接影響較小,而隧道底部為深厚的流塑狀土層,靈敏度高,受到擾動(dòng)后土體強(qiáng)度下降,隧道在運(yùn)營荷載及自重影響下產(chǎn)生沉降。

圖4 地鐵隧道豎向位移曲線

圖5 地鐵隧道豎向位移最大值隨工況變化曲線

4.2 地鐵隧道水平位移

地鐵隧道水平位移隨工況的變化曲線如圖6所示,正值表示遠(yuǎn)離基坑。從圖6中可以看出,圍護(hù)樁施工完畢后,下行線隧道整體向靠近基坑方向移動(dòng),幅值為-1.7mm;上行線受到下行線隧道剛度影響,位移略小于下行線。由于隧道位于基坑的微弱影響區(qū)[2],水平位移總體變動(dòng)幅度較小,幅值為-2.2mm,開挖前的水平位移量占了總量的77%。為更好地分析基坑開挖過程對(duì)隧道的影響,將開挖階段的水平位移減去圍護(hù)樁施工完成時(shí)的水平位移,即取開挖后的變化數(shù)值進(jìn)行分析。從圖7曲線可知,在開挖階段,下行線隧道逐漸向基坑方向靠近,底板澆筑完成后,小幅度減少了隧道朝向坑內(nèi)的位移。由于空間效應(yīng),水平位移幅值位于南一區(qū)、南二區(qū)基坑中部位置,同樣可見分隔樁處的水平位移相對(duì)較小。

圖6 地鐵隧道水平位移曲線

圖7 開挖過程中地鐵隧道水平位移曲線

4.3 地鐵隧道水平收斂

地鐵隧道水平收斂隨工況的變化曲線如圖8所示,正值表示橫向直徑變大。圍護(hù)樁施工完成后,下行線隧道出現(xiàn)了明顯的橫向直徑擴(kuò)大,這也與4.2節(jié)所述下行線隧道在圍護(hù)樁施工完成后產(chǎn)生了較大的朝向基坑的水平位移相符。隨著基坑開挖,水平收斂不斷增長,這是由于基坑卸荷作用導(dǎo)致隧道圍壓改變,而基坑開挖側(cè)圍壓減小量多于另一側(cè)[3]。下行線的水平收斂數(shù)值大于上行線,最大值為2.6mm。其中圍護(hù)樁施工完成階段收斂量占整體的52%,可見圍護(hù)樁施工擾動(dòng)是該基坑工程引起隧道橫梁收斂的主要原因。從圖9可見,上、下行線開挖第二道支撐底至坑底階段的收斂量增長較快,分別占整體的27%與23%。基坑開挖0～1.6m、1.6～6.3m引起的水平收斂值均小于基坑開挖6.3～9.9m的收斂值,說明基坑挖深大于隧道埋深時(shí),更易引起隧道水平收斂變化。

圖8 地鐵隧道水平收斂曲線

圖9 地鐵隧道水平收斂最大值隨工況變化曲線

5 結(jié)論

本文對(duì)杭州典型地層中某臨近地鐵隧道基坑項(xiàng)目的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,該基坑采用分坑順作法,地鐵側(cè)采用大直徑灌注樁及兩道鋼筋混凝土支撐,并采用TRD工法樁止水同時(shí)減少圍護(hù)樁施工擾動(dòng),滿足了隧道變形控制的嚴(yán)格要求,并得到以下結(jié)論:

(1)隧道位于基坑的微弱影響區(qū)時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工擾動(dòng)是引起的隧道變形的主要原因之一,因此位于地鐵隧道保護(hù)區(qū)內(nèi)的基坑工程,宜優(yōu)先選用微擾動(dòng)施工工藝;對(duì)于變形控制要求嚴(yán)格的基坑,除了確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度外,可以考慮采用主動(dòng)控制型支撐進(jìn)一步控制位移;設(shè)置分隔樁進(jìn)行分區(qū)施工可有效減少基坑的時(shí)空效應(yīng),有利于控制隧道變形。

(2)基坑卸荷引起的旁側(cè)隧道豎向變形以隆起為主,但當(dāng)隧道底部為深厚的軟弱土層,且基坑挖深大于隧道埋深時(shí),由于施工擾動(dòng)及旁側(cè)基坑卸荷產(chǎn)生影響,土體強(qiáng)度降低,隧道自重荷載及運(yùn)營荷載可能導(dǎo)致隧道局部產(chǎn)生沉降,設(shè)計(jì)時(shí)可予以適當(dāng)關(guān)注。

(3)當(dāng)隧道產(chǎn)生朝向基坑的水平位移時(shí),隧道橫向直徑傾向于變大?；娱_挖后,隧道豎向位移及水平收斂在基坑挖深大于隧道埋深的階段變化更為明顯。