砂土地層深基坑施工對(duì)側(cè)方地鐵隧道形變影響研究

朱茂國(guó)

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 引言

伴隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，城市地下空間的開發(fā)也迎來井噴時(shí)代，基坑工程作為主要的開發(fā)手段，其降水、開挖卸載會(huì)使得周邊巖土體移位，引發(fā)緊鄰的既有地鐵隧道位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)隨之變化，由于地鐵盾構(gòu)隧道變形敏感、變形控制值嚴(yán)苛，一旦超標(biāo)可能影響行車安全，甚至產(chǎn)生安全事故和社會(huì)負(fù)面影響，為確保地鐵隧道的安全性，研究基坑施工全程對(duì)既有隧道的三維變形影響至關(guān)重要。

深基坑開挖對(duì)地下隧道的影響研究是一個(gè)非常重要的課題，各科研、設(shè)計(jì)和施工人員開展了相關(guān)研究。趙剛[1]詳細(xì)分析了基坑不同施工階段對(duì)臨近地鐵隧道的變形規(guī)律；Zheng 等[2]采用二維有限元方法，得出基坑不同位置開挖引起下方3 個(gè)隧道位移場(chǎng)變化的區(qū)別與不同；蔣利明[3]采用理數(shù)值計(jì)算方法，得出基坑開挖引起周圍土體和地鐵隧道變形以豎向和水平位移為主。

本文結(jié)合沈陽(yáng)某深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)、 施工開挖工序與相關(guān)水文地質(zhì)，采用Midas GTS 三維有限元分析模型與現(xiàn)場(chǎng)地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合手段，研究砂土地層基坑開挖全過程對(duì)側(cè)方地鐵盾構(gòu)隧道的變形影響，可為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

該基坑工程位于沈陽(yáng)和平區(qū)，地下建筑面積25 698 m2，地下共4 層，基坑南北向長(zhǎng)96.5 m、東西向?qū)?9.72 m、開挖深度-19.65 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)約342 m，基坑北側(cè)坑壁與地鐵線路及商業(yè)街軸線平行，近鄰地鐵及商業(yè)街側(cè)坑壁采用雙排（局部單排）混凝土樁（直徑1 m、間距1.3 m、排距2.2 m）+ 預(yù)應(yīng)力錨索（局部鋼管內(nèi)支撐）的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示?；臃秶貙又饕獮殡s填土、中砂、圓礫、粗砂、礫砂、中砂、花崗片麻巖，地下水類型為潛水，主要賦存在圓礫層中，水位埋深6.30～6.50 m。

運(yùn)營(yíng)地鐵隧道為盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片外直徑6 m，厚0.3 m，受基坑施工直接影響里程約為DK12+802.0～DK12+882.0，影響長(zhǎng)度約80 m，以直線為主，其中隧道右線距基坑支護(hù)壁邊緣13.5 m，隧道頂覆土約12 m，左右線線間距約13 m，在DK12+687～DK12+850 長(zhǎng)162 m 地鐵盾構(gòu)隧道縱坡設(shè)計(jì)為25‰上坡，在DK12+850～DK12+925 長(zhǎng)75 m 地鐵盾構(gòu)隧道縱坡設(shè)計(jì)為2‰上坡。

3 三維有限元數(shù)值模擬分析

3.1 假定條件

1）施工模擬過程不考慮非正常情況（如地震等不可控因素）。

2）假定巖土體力學(xué)行為服從摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，土體各向同性且均勻分布。

3）假定既有地鐵結(jié)構(gòu)以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為線彈性材料，且地鐵結(jié)構(gòu)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

4）通過剛度等效的原則，將既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)等效為一種同剛度材料。

3.2 模型建立

運(yùn)用有限元軟件Midas GTS 建立整體三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。土體表面取為自由邊界，土體4 個(gè)側(cè)面采用側(cè)向約束，土體底面采用鉸接方式約束其X、Y、Z方向位移，模型尺寸依據(jù)基坑長(zhǎng)、寬、深最大值的3～5 倍距離進(jìn)行選取，具體尺寸為長(zhǎng)400 m、寬500 m、深100 m，共劃分單元43 200 個(gè)、節(jié)點(diǎn)46 535 個(gè)。

3.3 模型參數(shù)選取

為更準(zhǔn)確分析基坑開挖對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)三維變形影響，巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，按C50 混凝土計(jì)算并考慮30%剛度的折減?；訃o(hù)樁、冠梁采用梁?jiǎn)卧?，基坑圍檁力學(xué)參數(shù)參考兩道C25b 型鋼選取，采用梁?jiǎn)卧M?；优艠堕g距為1.3 m、內(nèi)徑1.0 m、長(zhǎng)29 m，鋼支撐為每開挖一層支撐一層，鋼支撐內(nèi)徑0.8 m，預(yù)應(yīng)力400～500 kN。各結(jié)構(gòu)、構(gòu)件材料力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 模型計(jì)算既有結(jié)構(gòu)物及基坑支護(hù)材料性能參數(shù)

計(jì)算過程的荷載主要考慮區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)自重、 土體豎向自重力、地面超載15 kPa、實(shí)際建筑荷載4 個(gè)方面。

3.4 基坑開挖步驟及數(shù)值模擬流程

根據(jù)施工順序，模型開挖分為5 階段進(jìn)行，包括初始地應(yīng)力平衡、隧道結(jié)構(gòu)建立、土體開挖、預(yù)應(yīng)力錨索施作及施加建筑荷載。由于基坑深度較大，基坑分5 層開挖，每層約4 m 厚，模擬過程見表3。

表3 模擬過程

3.5 三維數(shù)值分析

基坑開挖過程中，隧道的水平位移以及豎向位移變化曲線見圖2。

圖2 隧道水平、豎向變形曲線

由圖2 可知，其水平位移和豎向位移隨基坑開挖深度的增加而變大，水平位移和豎向位移均呈現(xiàn)兩端變形小、中間變形大的拋物線規(guī)律，且最大位移值均發(fā)生在隧道中間截面，其中水平最大位移約為4.5 mm，豎向最大位移約為2.76 mm；基坑在進(jìn)行到第2 層和第3 層開挖時(shí)，隧道水平位移增加幅度較大，其中水平增加幅度分別為1.5 mm 和1.1 mm，豎向增加幅度分別為0.45 mm 和0.7 mm； 而基坑在進(jìn)行到第4 層和第5 層開挖時(shí)水平及豎向位移增幅則出現(xiàn)明顯減小，其中水平增加幅度分別為0.6 mm 和0.7 mm，豎向增加幅度分別為0.27 mm 和0.24 mm； 隧道的水平、 豎向變形與基坑開挖范圍、深度存在顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系，基坑支護(hù)邊界對(duì)隧道變形起到強(qiáng)約束作用。

4 隧道監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

4.1 隧道監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

地鐵隧道采用測(cè)量機(jī)器人全自動(dòng)化實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍為基坑工程垂直投影對(duì)應(yīng)地鐵隧道范圍再向兩端各延伸20 m 區(qū)域，共計(jì)監(jiān)測(cè)范圍120 m，其中直接影響范圍內(nèi)每10 m（鋼管撐角部加密）布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共布設(shè)15 個(gè)斷面，見圖3。

圖3 隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置示意圖

4.2 監(jiān)測(cè)安全控制標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)頻率

根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[4]，參考國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)和理論數(shù)值分析，確定隧道水平位移監(jiān)測(cè)控制值為5.0 mm、速率1 mm/d，沉降監(jiān)測(cè)控制值為5.0 mm，速率1 mm/d。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)正常頻率為1 次/4 h，遇監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)警、基坑開挖變形過大、滲漏等非正常情況可后臺(tái)調(diào)整頻率為1 次/（1~2h），監(jiān)測(cè)信息即時(shí)處理、反饋。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

基坑工程于2014 年11 月初基坑開挖，北側(cè)開挖至-10 m深度位置冬期停工，直至2015 年3 月2 日復(fù)工，5 月12 日全部開挖完成。為直觀、 準(zhǔn)確反映隧道水平位移和豎向位移變形，選取階段性具有典型代表的時(shí)間節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成曲線分析，分別見圖4 和圖5。

圖4 隧道豎向位移監(jiān)測(cè)曲線圖

圖5 隧道水平位移監(jiān)測(cè)曲線圖

結(jié)合實(shí)際基坑開挖施工進(jìn)度可知，基坑北側(cè)開挖至-10 m深度均未對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生較大幅度的豎向和水平位移影響，冬期停工期間的隧道豎向和水平位移變形基本保持穩(wěn)定，在基坑復(fù)工后，隨著開挖進(jìn)一步加深，基坑底土體“回彈”的跡象逐漸顯現(xiàn)出來，在3 月中下旬至整個(gè)4 月份隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一個(gè)快速豎向隆起、快速水平位移變形的過程，呈現(xiàn)出明顯兩端小、中間大的拋物線變形趨勢(shì)。隧道變形直到開挖施工全部結(jié)束時(shí)達(dá)到變形峰值，其中豎向位移最大值出現(xiàn)在5 月12 日為2.98 mm，水平位移最大值亦出現(xiàn)在5 月12 日為3.5 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值與數(shù)值模擬值變形趨勢(shì)和大小基本吻合，均小于監(jiān)測(cè)變形控制標(biāo)準(zhǔn)累計(jì)值5 mm 的要求。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，從理論和實(shí)踐兩方面分析了基坑不同開挖階段對(duì)側(cè)臨既有地鐵盾構(gòu)隧道變形影響程度與變形規(guī)律，對(duì)后續(xù)工程有兩點(diǎn)可以借鑒。

1）根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，基坑開挖卸載易引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向和水平變形直至基坑全部開挖完成變形方趨于穩(wěn)定，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值與數(shù)值模擬值變形趨勢(shì)和大小基本吻合，均為隨著基坑開挖越深，水平和豎向變形量越大，呈現(xiàn)出明顯兩端變形小、中間變形大的拋物線規(guī)律，且隧道變形最大值位于基坑邊線中點(diǎn)處。

2）運(yùn)營(yíng)地鐵隧道對(duì)變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求較高，當(dāng)?shù)罔F周邊存在可能受開挖卸載、降抽排水等施工影響時(shí)，采取全自動(dòng)化實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)將十分必要； 可根據(jù)理論數(shù)值模擬分析結(jié)果合理優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和有側(cè)重地選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并對(duì)變形最大值處重點(diǎn)監(jiān)測(cè)關(guān)注和制訂有針對(duì)性的施工開挖方案、 施工應(yīng)急預(yù)案，以便節(jié)省非必要的經(jīng)濟(jì)支出。