基坑開挖對鄰近地下通道的變形影響及保護措施研究

楊萬鋒 金蕓蕓 閆雁軍

1. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050；2. 上海申元巖土工程有限公司 上海 200011

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，但城市地上可用的面積有限，因此地下空間的開發(fā)成為城市發(fā)展的重要選項。較多的基坑工程緊鄰地下通道，而基坑開挖不可避免地使相鄰地下通道周圍原應(yīng)力場發(fā)生改變，必然引起地應(yīng)力的重分布，由此會引起地下通道縱向不均勻沉降，從而對地下通道結(jié)構(gòu)安全和車輛的正常運行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，對基坑開挖施工中鄰近地下通道的受力變形進行研究具有重要的工程實際意義。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者就基坑施工引起相鄰隧道變形的問題，對控制隧道變形的施工措施開展了研究。

1996年，張鴻儒等[1]研究了深基坑開挖引起周圍地層位移對地下工程設(shè)施的影響。2000年，程斌等[2]基于上海軌道交通2號線基坑工程實例，研究了基坑與近鄰隧道的相互影響，指出地基基礎(chǔ)加固和結(jié)構(gòu)加固可有效控制隧道的變形。2012年，張陳蓉等[3]基于位移控制理論，對板式支護體系由于基坑開挖而引起的周邊自由土體位移場的分布規(guī)律進行了探討。2015年，郭典塔等[4]研究了基坑與車站間隔距離、基坑開挖深度等參數(shù)變化情況下，地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律及振動響應(yīng)特性。2016年，印長俊等[5]利用土工有限元軟件模擬了基坑開挖對地下通道的影響。

上述研究主要探討了基坑開挖對地上建筑物、隧道和地下管網(wǎng)的影響，對地下通道等深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)影響及采取的保護措施研究較少。

本文以上海董家渡金融城工程項目中的中山南路地下通道周邊基坑施工控制為例，運用有限元軟件Plaxis，建立基坑開挖的數(shù)值模型，研究鄰近地下通道基坑開挖對地下通道的影響。同時，考慮到Plaxis有限元計算結(jié)果僅考慮基坑卸載對通道變形的影響，采取了設(shè)置加厚地下連續(xù)墻、止水帷幕、回灌井及基坑分層分塊開挖、設(shè)置型鋼換撐等保護措施，為確保地下通道的正常使用作出了貢獻。

2 工程概況

擬開挖基坑?xùn)|西長135 m，南北寬80 m，該基坑采用明挖法，基坑開挖深度普遍為18.5 m，采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，采用4道鋼筋混凝土支撐的支護體系。第1道棧橋支撐中心標(biāo)高為2.6 m，第2道支撐中心標(biāo)高－2.2 m，第3道支撐中心標(biāo)高－7.2 m，第4道支撐中心標(biāo)高－11.2 m。支護體系的截面尺寸如表1所示。

表1 基坑支護數(shù)據(jù)

擬開挖基坑距中山南路地下通道最近處13.3 m。基坑支護結(jié)構(gòu)與中山南路通道結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，擬開挖基坑與中山南路通道位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 橫剖面

圖2 中山南路通道與開挖基坑位置關(guān)系

根據(jù)工程勘察報告，本工程場地55 m以內(nèi)分布的土層自上而下可劃分為⑤大層及若干亞層，其中①層為填土，①3層為黃浦江兩岸新近沉積層（俗稱“江灘土”），④層～⑤層為全新世Q4沉積層，⑦層為上更新世Q3沉積層。計算過程中采用的土的物理指標(biāo)見表2。

3 基坑開挖的數(shù)值計算與分析

3.1 原理及方法

為分析基坑開挖對地下通道的變形影響，采用連續(xù)介質(zhì)有限元法對基坑開挖進行分析，建模計算中圍護樁及支撐均采用線彈性模型，土體采用硬化模型（Hardeningsoil），圍護結(jié)構(gòu)和土體之間采用Goodman單元進行分析。硬化模型是基于Duncan-Chang雙曲線模型的改進模型，根據(jù)加卸載條件，可分別采用壓縮和回彈模量，且能同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，模型中的破壞準(zhǔn)則仍為Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

地下連續(xù)墻采用板單元離散，為提高土體精度，土體采用精度較高的三角形單元離散。利用Plaxis的界面模擬地下連續(xù)墻與土體之間的相互作用，相互作用的糙率，通過截面合適的界面強度折減因子Rinter的值來模擬，將地下連續(xù)墻的摩擦力和黏聚力與土體的強度相互聯(lián)系起來[6]。邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，約束左右水平約束和底邊界固定約束（圖3、圖4）。

圖3 計算模型

圖4 有限元模型

3.2 模擬基坑開挖計算

基坑在開挖前場地考慮初始應(yīng)力場，該初始應(yīng)力場考慮地下通道施工對土體自重的影響，故需要在土體自重應(yīng)力場的基礎(chǔ)上考慮地下通道的作用。根據(jù)基坑實際開挖過程，基坑施工步驟如下：地下連續(xù)墻施工和樁基及基坑加固施工；基坑開挖至2.1 m，施工第1道混凝土支撐，基坑開挖至－2.7 m；施工第2道混凝土支撐，基坑開挖至－7.7m；施工第3道混凝土支撐，基坑開挖至－11.7m；施工第4道混凝土支撐，基坑開挖至－14.5m；施工底板。初始應(yīng)力場作為基坑開挖模擬的初始條件（圖5）。

圖5 初始應(yīng)力場云圖

工況1：土體初始應(yīng)力狀態(tài)計算。

工況2：開挖到基坑底部（－14.5m）。

3.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)基坑施工情況，對基坑開挖進行了數(shù)值模擬（圖6～圖8）。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可知，基坑及地下通道在基坑開挖至基坑底的過程中均處于安全狀態(tài)，其中地下通道的豎向位移為1.7 mm，最大水平位移為2.8mm。

圖6 水平變形云圖

圖7 豎向變形云圖

圖8 地下通道變形

根據(jù)圖6可知，基坑在開挖過程中會引起基坑外土體產(chǎn)生側(cè)向位移，從而導(dǎo)致地下通道產(chǎn)生附加的位移。由圖7可知，基坑在開挖至坑底時，基坑底部土體整體會隆起，其中離地下通道越近，基坑隆起的位移越大。從圖8可知，鄰近地下通道的基坑開挖會引起地下通道的整體下沉以及向基坑內(nèi)側(cè)偏移的水平位移。在僅考慮基坑開挖卸載的情況下，地下通道水平位移比豎向位移大，但計算位移均在允許范圍內(nèi)。

4 控制及保護措施

考慮地下通道的位移是多重因素耦合引起的，比如基坑開挖、基坑內(nèi)水位下降及拆撐地下室結(jié)構(gòu)回筑等都會引起地下通道的位移。為確保地下通道的正常使用和安全，本工程在基坑開挖前及地下室回筑階段采取了5種措施：

1）為提高圍護結(jié)構(gòu)剛度，地下連續(xù)墻厚度增至1 000 mm，同時鄰?fù)ǖ纻?cè)地下連續(xù)墻采用十字鋼板接頭的形式，以增強地下連續(xù)墻止水性能。

2）基坑開挖過程中需抽承壓水，為控制降承壓水對通道產(chǎn)生影響，在地下連續(xù)墻墻底增加14 m的構(gòu)造配筋止水段。

3）為控制基坑開挖降水對地下通道的影響，在靠近地下通道側(cè)的擬開挖基坑地下連續(xù)墻外側(cè)設(shè)置回灌井。

4）基坑開挖過程中嚴(yán)格按照挖土支撐施工方案組織施工，采取分層、分塊開挖，開挖完成后保證基坑支撐及時形成。

5）為減小拆撐過程中的基坑變形，在近地下通道側(cè)設(shè)置首道撐換撐，有效控制基坑變形對地下通道的影響。

5 結(jié)語

本文以中山南路地下通道為依托，利用土工有限元軟件Plaxis分析了深基坑開挖對鄰近地下通道的位移變形影響。在僅考慮基坑土體卸載的情況下，計算結(jié)果表明，鄰近地下通道的基坑開挖會引起地下通道的整體下沉和向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移。計算表明，基坑開挖引起地下通道的位移均在允許范圍內(nèi)，整個基坑及地下通道處于安全狀態(tài)?？紤]地下通道的位移是多重因素耦合引起的，為確保地下通道的正常使用和安全，提出增加圍護結(jié)構(gòu)剛度、地下連續(xù)墻底端設(shè)置止水帷幕、設(shè)置回灌井、分層分塊開挖、設(shè)置型鋼換撐等5種控制變形及保護地下通道的措施。