軟土深基坑開(kāi)挖對(duì)下臥地鐵隧道影響的實(shí)測(cè)分析？剻？

吳龍梁，王 威，鐘 勇，任振洋，汪 洋，郭 棟

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) (深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 廣東 深圳 518055; 2.深圳市建筑工務(wù)署, 廣東 深圳 518031;3.鐵科院(深圳)研究設(shè)計(jì)院有限公司, 廣東 深圳 518035)

0 引 言

隨著城市軌道交通的大規(guī)模興建, 臨近既有地鐵車站及隧道的基坑工程也日益增多?；娱_(kāi)挖改變了土體原有的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng), 從而容易引起臨近地鐵隧道產(chǎn)生位移和變形[1-2]。為了保證隧道結(jié)構(gòu)安全與地鐵正常運(yùn)營(yíng), 對(duì)于基坑開(kāi)挖引起的地鐵隧道變形控制要求極其嚴(yán)格[2-3]。

現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)各種影響因素的綜合作用, 實(shí)時(shí)反饋隧道的穩(wěn)定與安全性。開(kāi)展隧道位移和變形的實(shí)測(cè)分析, 是研究基坑工程對(duì)隧道變形影響規(guī)律最有效的方法之一[4-13]。學(xué)者基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基坑開(kāi)挖影響下的鄰近地鐵隧道變形特性進(jìn)行了研究: 魏綱等[6]結(jié)合地下工程的樁基施工階段及基坑開(kāi)挖階段的隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了隧道位移收斂的變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)樁基施工對(duì)隧道沉降的影響較大, 基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的水平位移影響較大; 鄭剛等[7]對(duì)基坑開(kāi)挖工程的樁施工及開(kāi)挖階段進(jìn)行全程監(jiān)測(cè), 結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)分析了不同階段對(duì)下臥運(yùn)營(yíng)隧道的影響; 王立峰等[8]對(duì)鄰近基坑開(kāi)挖地鐵隧道的水平位移和沉降的時(shí)空分布作了深入分析, 發(fā)現(xiàn)施工中應(yīng)考慮基坑分塊開(kāi)挖造成的時(shí)空效應(yīng)影響; 丁智等[9]對(duì)基坑開(kāi)挖全階段施工過(guò)程中的深層土體側(cè)向位移與鄰近地鐵隧道變形之間的規(guī)律進(jìn)行了研究, 探討了基坑開(kāi)挖的施工危險(xiǎn)點(diǎn)與重點(diǎn)影響區(qū)域。既有基坑開(kāi)挖對(duì)隧道影響的研究較少涉及軟土工程領(lǐng)域, 關(guān)于軟土地層深基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道影響的實(shí)測(cè)分析尚不多見(jiàn)。由于軟土具有較大的壓縮性、 較低的抗剪強(qiáng)度, 以及較強(qiáng)的蠕變特性, 使得軟土地層基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的周邊土體變形更難控制[10,14-15]。若能正確評(píng)估軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響規(guī)律, 對(duì)于指導(dǎo)軟土地區(qū)基坑工程和地下工程的設(shè)計(jì)和施工都具有重大意義。

本文以某上跨已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的基坑工程為背景, 結(jié)合基坑開(kāi)挖全過(guò)程中地鐵隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)基坑工程不同施工節(jié)點(diǎn)下臥及側(cè)下方隧道位移和變形的特征進(jìn)行深入分析, 得到了軟土深基坑開(kāi)挖對(duì)下臥地鐵隧道的影響規(guī)律, 研究結(jié)果可為軟土地區(qū)類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)和指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為深圳市某景觀橋梁承臺(tái)基坑工程。基坑呈75.5 m×13.5 m的矩形, 開(kāi)挖面積約為1 019 m2, 開(kāi)挖深度約為5.3 m, 開(kāi)挖范圍分布有深厚軟土, 屬軟土深基坑工程。基坑底部下臥有處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的地鐵5號(hào)和11號(hào)線, 兩者隧道結(jié)構(gòu)一致, 但與開(kāi)挖基坑的空間位置存在差異。5號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)邊緣距離景觀橋樁基最小凈距為3.7 m, 承臺(tái)基坑底部距離地鐵結(jié)構(gòu)外邊緣距離最小為8.9 m。11號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)邊緣距離景觀橋樁基最小凈距為3.0 m, 承臺(tái)基坑底部距離地鐵結(jié)構(gòu)外邊緣距離最小為4.5 m?；优c隧道結(jié)構(gòu)的空間位置如圖1所示。本工程地層從上至下依次為填石、 淤泥、 礫質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖, 其中淤泥層厚度為2.1～6.5 m。巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。由于基坑緊鄰地鐵, 加之不良地質(zhì)條件, 本工程基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道變形控制的難度較大。

圖1 基坑與隧道的空間位置Fig.1 Spatial location of foundation pit and tunnel

表1 巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

基坑支護(hù)采用錨撐和對(duì)撐組合支護(hù)形式, 開(kāi)挖區(qū)域被分為若干豎井, 井身由超前支護(hù)和初期支護(hù)組成。其中, 超前支護(hù)為Φ83 mm×5 mm注漿鋼花管, 環(huán)向間距0.5 m; 初期支護(hù)為Φ22 mm鋼筋錨桿, 錨桿長(zhǎng)度為2 m, 水平和豎向間距分別為0.5和0.3 m; 鋼支撐采用Φ609 mm鋼管, 壁厚16 mm。

基坑開(kāi)挖前采取了井點(diǎn)降水措施, 同時(shí)對(duì)地鐵隧道影響區(qū)域進(jìn)行了袖閥管注漿加固處理。注漿加固采用的水泥漿的水灰比為0.8, 注漿孔間距為1.5 m, 注漿壓力為0.3 MPa。橋梁樁基礎(chǔ)施工完成后, 土方采用分層分段的方式放坡開(kāi)挖。先開(kāi)挖基坑A1、 B1區(qū), 隨后開(kāi)挖A2、 B2區(qū), 再依次開(kāi)挖C1和C2區(qū)?；娱_(kāi)挖完成后迅速澆筑抗浮底板, 并進(jìn)行橋梁承臺(tái)和墩臺(tái)施工, 最后拆除支撐并回填, 基坑施工工況如表2所示。本基坑工程歷時(shí)103天, 2019年5月23日開(kāi)始土方開(kāi)挖, 7月3日基坑挖至設(shè)計(jì)底板標(biāo)高, 7月28日抗浮底板澆筑完成, 9月5日回填完成。

表2 基坑施工工況

2 隧道監(jiān)測(cè)布置

為加強(qiáng)地鐵隧道的變形控制, 對(duì)基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的隧道進(jìn)行位移和變形監(jiān)測(cè), 隧道監(jiān)測(cè)斷面劃分及隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。隧道位移監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè)分別涉及地鐵隧道40和100環(huán), 每環(huán)間距1.5 m。位移監(jiān)測(cè)每4環(huán)設(shè)置一個(gè)斷面, 基坑下臥11號(hào)線左、 右線和5號(hào)線左線設(shè)置有11個(gè)斷面, 基坑側(cè)下方的5號(hào)線右線設(shè)置有8個(gè)斷面。各隧道斷面分別設(shè)置了2個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、 2個(gè)軌道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、 1個(gè)隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn), 并確定了3個(gè)隧道直徑收斂變形監(jiān)測(cè)方向, 如圖2b所示。隧道位移監(jiān)測(cè)采用全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 在4條隧道內(nèi)各安裝一臺(tái)徠卡TS50全站儀, 采用GeoMoS和StarNet軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量分析和數(shù)據(jù)處理。地鐵隧道的收斂變形監(jiān)測(cè)采用徠卡Scan Station P40掃描儀進(jìn)行面狀式三維激光掃描, 通過(guò)采集隧道的橫斷面數(shù)據(jù), 得到隧道內(nèi)部不同方向的最大凈空直徑, 并以此來(lái)分析隧道變形情況。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layouts of monitoring sections and points

3 地鐵隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 隧道位移的空間分布

匯總拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ1和左側(cè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)SP1-1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 分別得到隧道在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的累計(jì)沉降和水平位移變化規(guī)律, 如圖3、 4所示。累計(jì)沉降位移正值表示下沉, 負(fù)值為上抬; 水平位移正值表示向隧道右線方向, 負(fù)值表示向隧道左線方向?？傮w上, 隧道豎向位移既有下沉也有上抬, 基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)累計(jì)沉降的變化顯著; 隧道水平位移的發(fā)展方向基本固定, 各隧道的水平位移大體上向基坑中心方向發(fā)展, 最大水平位移主要出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖范圍之內(nèi)。分析原因可知, 基坑開(kāi)挖前的橋梁樁基礎(chǔ)施工對(duì)土層產(chǎn)生了一定的擾動(dòng), 由于地層中深厚軟土具有低強(qiáng)度和蠕變特性, 加之基樁和隧道距離較近, 對(duì)隧道產(chǎn)生了一定程度的影響。樁基礎(chǔ)施工時(shí)對(duì)土層產(chǎn)生了向下的附加荷載, 同時(shí)樁孔施工時(shí)水平方向的應(yīng)力釋放打破了原有力學(xué)平衡, 因而導(dǎo)致隧道產(chǎn)生了向下的沉降位移和朝向樁孔方向的水平位移。因受到樁基“由中心向兩側(cè)”施工工序的影響, 各隧道呈現(xiàn)出向基坑中心方向發(fā)生水平位移的規(guī)律。此外, 由于基坑與隧道存在近似錯(cuò)層正交的空間位置關(guān)系, 且基坑開(kāi)挖范圍產(chǎn)生的附加荷載最大, 從而導(dǎo)致隧道在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)較大的位移。

圖3 CJ1累計(jì)沉降量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Monitoring results of accumulated settlement at CJ1

圖4 SP1-1水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of horizontal displacement at SP1-1

位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示。5號(hào)線左線最大累計(jì)沉降位移量為5.3 mm, 為上抬位移, 發(fā)生在基坑底部正下方的第7斷面(119環(huán))處。5號(hào)線右線最大累計(jì)沉降位移量為2.1 mm, 為上抬位移, 發(fā)生在第5斷面(116環(huán))處。11號(hào)線左、 右線最大累計(jì)沉降位移量分別為8.5和9.1 mm, 均為上抬位移, 且均發(fā)生在位于基坑底部正下方的第5斷面(547和541環(huán))處?？傮w上, 11號(hào)線累計(jì)沉降位移量大于5號(hào)線, 表明隧道下臥深度越小其上抬位移越大。5號(hào)線左線的累計(jì)沉降位移量明顯大于其右線, 即基坑下方隧道的上抬位移大于基坑側(cè)隧道, 表明距離基坑底部的水平距離越近其上抬位移越大。上述規(guī)律與文獻(xiàn)[2, 10]的研究結(jié)果相近似, 從而再次驗(yàn)證了基坑和隧道結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系是影響累計(jì)沉降位移量的重要因素這一重要結(jié)論。5號(hào)線左、 右線最大水平位移量分別為2.4和1.5 mm, 分別發(fā)生在基坑開(kāi)挖范圍的第6斷面(115環(huán))處和第5斷面(116環(huán))處。11號(hào)線左、 右線最大水平位移量分別為1.3和1.4 mm, 均發(fā)生在位于基坑底部正下方的第7斷面(555和549環(huán))處。5號(hào)線右線的水平位移相對(duì)較大, 表明基坑側(cè)下方的隧道更易產(chǎn)生水平位移?？傮w上, 隧道的水平位移相對(duì)較小, 上抬位移相對(duì)較大。這主要是由基坑與隧道的空間位置關(guān)系決定的, 另外, 先施工的樁基礎(chǔ)對(duì)隧道水平位移也產(chǎn)生了一定的限制作用。

表3 隧道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 隧道位移的時(shí)程分析

圖5為隧道拱頂最大累計(jì)沉降位移和隧道側(cè)最大水平位移的時(shí)程曲線。隧道發(fā)生豎向位移和水平位移的最大變量分別為14.5和2.5 mm。工況1引起的隧道沉降位移和水平位移較小, 表明袖閥管注漿加固地鐵周邊土體施工對(duì)隧道變形基本無(wú)影響。工況2引起的隧道下沉位移和水平位移分別占其總位移變量的最大比例可達(dá)37.3%和85.7%, 表明橋梁樁基礎(chǔ)施工引起了明顯的隧道下沉位移和水平位移。工況3引起的隧道上抬位移占總豎向位移變量的最大比例為75.8%, 表明隧道上抬位移主要由基坑A1、 B1區(qū)開(kāi)挖所引起。隧道在工況4～12期間產(chǎn)生了小幅度的波動(dòng)變化, 但總體位移逐漸趨于穩(wěn)定, 表明分層分段開(kāi)挖基坑能夠較好地控制隧道變形。分析位移波動(dòng)的原因可知, 隧道的最終變形是多方面影響因素的綜合反映, 除基坑開(kāi)挖方式這一主要影響因素以外, 施工期間水位變化、 地鐵運(yùn)營(yíng)、 施工時(shí)間等因素也會(huì)對(duì)隧道變形產(chǎn)生一定的影響。

圖5 隧道監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線Fig.5 Time history curves of tunnel monitoring

3.3 隧道截面變形分析

軟土地區(qū)盾構(gòu)法施工的隧道受恒載、 活載、 動(dòng)載的影響, 其變形曲線通常為非標(biāo)準(zhǔn)的橢圓。為了進(jìn)一步分析隧道的橫向變形和管片的受力變形情況, 對(duì)地鐵道隧進(jìn)行三維激光掃描, 以凈空直徑最大寬度值為評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展隧道截面的變形分析。掃描數(shù)據(jù)采用三次均勻樣條插值法進(jìn)行處理, 通過(guò)數(shù)據(jù)拼接可得到隧道精確的擬合點(diǎn)云如圖6所示。通過(guò)逐環(huán)測(cè)量基坑回填完成后(工況12)的隧道凈空最大寬度, 得到每個(gè)斷面的變形情況圖7。

圖6 三維掃描點(diǎn)云圖(11號(hào)線左線)Fig.6 Point cloud of 3D scanning

圖7 隧道凈空直徑最大寬度Fig.7 Maximum width of tunnel clearance diameter

5號(hào)線左線隧道55～158環(huán)斷面在0°～180°、 45°～225°、 135°～315°三個(gè)方向上的凈空收斂直徑平均值分別為5 431.25、 5 388.41、 5 409.02 mm。其中, 掃描范圍內(nèi)的最大值為0°～180°方向上的5 456.13 mm, 位于第85環(huán)。11號(hào)線左線隧道484～585環(huán)在上述3個(gè)方向上的凈空收斂直徑平均值分別為5 459.95、 5 403.01、 5 396.62 mm, 掃描范圍內(nèi)的最大值為0°～180°方向上的5 470.12 mm, 位于第574環(huán)。11號(hào)線右線隧道464～605環(huán)在上述3個(gè)方向上的凈空收斂直徑平均值分別為5 458.82、5 392.11、 5 410.12 mm, 掃描范圍內(nèi)的最大值為0°～180°方向上的5 485.51 mm, 位于第541環(huán)。由此可見(jiàn), 隧道截面主要發(fā)生了0°～180°方向上的橫向變形, 其主要是由橋梁承臺(tái)和抗浮底板產(chǎn)生的豎向附加荷載所引起的。11號(hào)線的隧道凈空最大寬度總體上大于5號(hào)線, 表明隧道下臥深度越淺, 隧道截面變形越顯著。根據(jù)三維激光掃描結(jié)果, 11號(hào)線左、 右線在0°～180°這個(gè)方向上超過(guò)隧道限界5 470 mm共有31環(huán), 其中左線2環(huán), 右線29環(huán)。隧道凈空最大寬度超限界情況主要發(fā)生在基坑開(kāi)挖區(qū)域, 表明橋梁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道橫向變形影響較大, 需引起重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某橋梁承臺(tái)基坑工程施工的全過(guò)程進(jìn)行位移和變形監(jiān)測(cè), 研究分析了軟土區(qū)深基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道的影響規(guī)律, 主要結(jié)論如下:

(1)軟土地層的樁基礎(chǔ)施工和基坑開(kāi)挖將引起較大的土體擾動(dòng)和附加荷載, 由于軟土具有強(qiáng)蠕變性、 高壓縮性和低強(qiáng)度等特性, 將引起下臥隧道產(chǎn)生較明顯的位移和變形。

(2)基坑和隧道結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系是影響隧道位移和變形的重要因素。下臥隧道以豎向位移為主, 而側(cè)下方隧道同時(shí)產(chǎn)生豎向位移和水平位移; 最大豎向位移和水平位移均發(fā)生在基坑開(kāi)挖投影范圍內(nèi), 距離基坑底越近隧道上抬位移越大。下臥隧道變形以0°～180°方向橫向變形為主, 且埋深越淺變形越大。

(3)樁基施工引起隧道下沉, 基坑開(kāi)挖引起隧道上浮。隧道下沉和水平位移主要發(fā)生在樁基施工階段, 而上浮位移主要發(fā)生在基坑A1、 B1區(qū)開(kāi)挖階段。

(4)本基坑工程采取預(yù)先加固、 超前支護(hù)和分層分段開(kāi)挖的施工方法, 較好地控制了下臥隧道的位移和變形, 從而確保了地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。