鄰近地鐵隧道的深基坑開挖中實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)分析及數(shù)值模擬

胡德軍 王 帥 王 卿

1. 浙江耀廈控股集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310000；2. 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 浙江 杭州 310058

1 研究背景

近幾十年來，中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，隨著城市化進(jìn)程的不斷加深，人們對(duì)用地的需求也越來越緊迫。在土地資源不可再生的殘酷現(xiàn)狀下，向高空和地下發(fā)展便成了目前最合理的選擇，如地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)以及作為公共交通設(shè)置的地鐵等各種地下民用和工業(yè)設(shè)施[1]。

頻繁的深基坑開挖工程也帶來了諸如相鄰建筑物開裂、管道破裂等嚴(yán)重問題，這些問題出現(xiàn)的根本原因在于基坑開挖破壞了土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，周圍地層隨之產(chǎn)生擾動(dòng)，產(chǎn)生了水平位移和豎向沉降，從而對(duì)周邊產(chǎn)生影響。盾構(gòu)法因其環(huán)境相對(duì)安全等優(yōu)點(diǎn)在地下工程尤其是城市地鐵隧道建設(shè)中廣為應(yīng)用[2]。但同時(shí)地鐵盾構(gòu)隧道公共設(shè)施的特質(zhì)及其安全等級(jí)使隧道對(duì)變形的控制非常嚴(yán)格，例如杭州地區(qū)根據(jù)GJJ/T 202—2013《城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求及杭州地鐵集團(tuán)相關(guān)規(guī)定，某工程地鐵隧道垂直位移累計(jì)值≤4 mm、水平位移累計(jì)值≤4 mm、水平收斂累計(jì)值≤4 mm。因此，深基坑開挖對(duì)相鄰地鐵隧道的影響一直是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)[3-4]，尤其是針對(duì)杭州西湖周邊軟黏土地塊，在控制標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)嚴(yán)格的條件下的變形控制研究更有其必要性。

不少學(xué)者在理論研究[5-6]、離心實(shí)驗(yàn)[7]、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析[8-9]、數(shù)值模擬[10-13]等方面進(jìn)行了大量的研究并改進(jìn)施工組織方法[14]。

在理論研究方面，周澤林[15]基于開挖卸荷下隧道與周圍土體的相互作用的整體耦合方法推導(dǎo)了砂質(zhì)土體條件下基坑開挖引起的下臥隧道豎向變形彈性解，并推導(dǎo)了黏質(zhì)土體條件下開挖引起的隧道變形黏-彈性解。

伍尚勇等[16]利用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型，分別對(duì)深基坑進(jìn)行逆作法和順作法的全過程動(dòng)態(tài)模擬，研究不同施工工藝對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

趙笑男[17]利用ANAYS有限元軟件建立基坑開挖模型，定量分析基坑及隧道各位置的位移量，研究了地鐵隧道不同埋深、周圍土質(zhì)等影響因素對(duì)隧道位移的影響規(guī)律，并得出隧道變形隨地鐵埋深的增大而逐漸變小等結(jié)論。

葛兆源等[18]在作業(yè)于地鐵隧道正上方的上海廣場(chǎng)項(xiàng)目中，采用“先淺后深”開挖施工順序以及基坑加固等方式控制隧道位移。

陳仁朋等[19]提出采用分步開挖、隔斷墻及地基加固等變形控制措施，以數(shù)值模擬分析驗(yàn)證技術(shù)措施的合理性。

基于以上，本文根據(jù)杭政儲(chǔ)出15號(hào)地塊項(xiàng)目西湖電影院的深基坑開挖工程，深入分析實(shí)測(cè)鄰近地鐵1號(hào)線隧道位移數(shù)據(jù)，同時(shí)利用數(shù)值模擬研究深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道位移的影響規(guī)律。

2 工程概況

2.1 基坑周邊環(huán)境

杭政儲(chǔ)出（2015）15號(hào)地塊項(xiàng)目位于浙江省杭州市上城區(qū)，平海路南側(cè)，延安路與東坡路之間。項(xiàng)目地上4層，高18 m，局部21 m，鋼框架結(jié)構(gòu)，地下3層，框架結(jié)構(gòu)。

本基坑?xùn)|側(cè)緊鄰延安路，道路下設(shè)置大量市政管線。該側(cè)與湖濱二期項(xiàng)目延安路1層地下過街通道已建成附近范圍已作三軸水泥攪拌樁加固處理。東側(cè)延安路下布有地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道，圍護(hù)體系與盾構(gòu)片外邊界最小距離7.65 m，盾構(gòu)隧道埋深約12 m。

隧道外直徑約6.2 m，頂標(biāo)高約為地表下9.2 m，與基坑水平距離最近為7.6 m，隧道主體部分位于④-1淤泥、④-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及⑤粉質(zhì)黏土中，這些土層壓縮性高，對(duì)變形敏感（圖1）。

圖1 項(xiàng)目與地鐵剖面關(guān)系

2.2 基坑開挖布置

本工程地下室開挖深度約15.4 m，基坑開挖面積約為3 400 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚800 mm“兩墻合一”的地下連續(xù)墻，在基坑內(nèi)⑧軸及軸側(cè)設(shè)置厚800 mm的縱橫地下連續(xù)墻，將基坑分為3部分。

項(xiàng)目采用逆作法施工，現(xiàn)階段基坑圍護(hù)體系及工程樁已全部施工完畢，上部主體結(jié)構(gòu)已結(jié)頂，項(xiàng)目主要施工內(nèi)容為暗挖土方、結(jié)構(gòu)板施工及養(yǎng)護(hù)、坑內(nèi)地下連續(xù)墻隔墻的鑿除等。臨時(shí)隔墻將基坑劃分為1期、2期進(jìn)行分塊開挖，首先開挖1、2期地下1層，隨后進(jìn)行遠(yuǎn)離隧道的2期開挖，再進(jìn)行1期開挖（圖2）。施工過程建立地下1～3層樓板作為支撐，地下連續(xù)墻與臨時(shí)隔墻均采用C35混凝土，地鐵隧道盾構(gòu)片采用C50混凝土。

圖2 項(xiàng)目與東側(cè)地鐵及人行通道平面關(guān)系

2.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)外業(yè)勘探和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，結(jié)合場(chǎng)地土成因類型，在地表向下52 m勘探深度范圍內(nèi)巖土層可分為9個(gè)工程地質(zhì)層，細(xì)分為14個(gè)工程地質(zhì)亞層，自上而下依次為：①1雜填土、①2素填土、③黏質(zhì)粉土、④1淤泥、④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑨礫砂、⑩a全風(fēng)化安山玢巖、⑩b強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)概況

地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括盾構(gòu)隧道道床沉降、盾構(gòu)隧道水平位移、盾構(gòu)隧道豎向位移、盾構(gòu)隧道水平收斂和盾構(gòu)隧道軌間高差。整個(gè)系統(tǒng)采用無人值守的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量機(jī)器人徠卡TM30測(cè)角精度0.5''，測(cè)距精度約0.6 mm。監(jiān)測(cè)隧道布點(diǎn)沿隧道長度由北向南每12 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置22個(gè)點(diǎn)，其中7～17節(jié)點(diǎn)由于正對(duì)基坑，其節(jié)點(diǎn)間距設(shè)為6 m（圖3）。

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖3 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

將隧道水平位移及沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按時(shí)空分布制作成三維曲線圖，x軸為按時(shí)間分布的各節(jié)點(diǎn)262期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，y軸為按隧道長度分布的各時(shí)間段1～22節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，z軸為相應(yīng)監(jiān)測(cè)值，水平位移正值為向基坑方向變形，沉降正值為隧道隆起。下行線為靠近基坑一側(cè)地鐵隧道。

由下行線累計(jì)水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖4）可看出：

1）總體而言，隧道的水平位移變化情況符合預(yù)估，基本為正值且基本處于7～17節(jié)點(diǎn)范圍的基坑開挖區(qū)域。

2）自2期地下3層開挖開始，7～13節(jié)點(diǎn)范圍出現(xiàn)明顯的水平正向位移，且在隨后的1期開挖過程中出現(xiàn)峰值。可以明確該位置人行通道的加固措施對(duì)抑制形變有積極作用。隨后由于基坑1期的開挖，其更靠近隧道使水平位移量大幅上升。

圖4 下行線累計(jì)水平位移與累計(jì)沉降

值得注意的是，隨著基坑開挖進(jìn)程的深入，各節(jié)點(diǎn)沉降標(biāo)準(zhǔn)差越來越大。

上行線累計(jì)水平位移規(guī)律（圖5）與下行線類似，隨隧道開挖進(jìn)程推進(jìn)，隧道整體向基坑靠近，且由于上行線更為遠(yuǎn)離基坑，因此變形峰值小于下行線。值得注意的是，7～13節(jié)點(diǎn)即人行通道位置在2期地下2層開挖伊始出現(xiàn)了明顯的負(fù)值，即遠(yuǎn)離基坑的現(xiàn)象。與下行線一致的是，上行線13節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯的隧道隆起，除此之外，隧道其余區(qū)域經(jīng)歷了由隆起至沉降最后趨于穩(wěn)定的過程，上行線累計(jì)沉降值不明顯，基本趨向于零。

隧道端部由于遠(yuǎn)離基坑未進(jìn)行足夠的加固措施，因此下行線的日水平位移變化波動(dòng)更為劇烈（圖6～圖8）。上行線日均水平位移與下行線類似，均在隧道兩端出現(xiàn)較大的波動(dòng)，整體而言，隧道的日均水平位移值變化不規(guī)律且數(shù)值大小接近零。上行線日沉降值表現(xiàn)出較多的不規(guī)則性。

圖5 上行線累計(jì)水平位移與累計(jì)沉降

圖6 下行線水平位移最值日變化

圖7 下行線隆起最值日變化

圖8 下行線沉降最值日變化

3.3 總結(jié)

1）隧道水平位移更符合預(yù)期且規(guī)律明顯，位移峰值出現(xiàn)在靠近基坑的下行線上。值得注意的是，由于人行通道三軸攪拌樁的加固措施，隧道下行線7～13節(jié)點(diǎn)位置隧道位移開挖初期接近0 mm，而上行線該位置隧道反而向基坑靠近。

2）隧道沉降標(biāo)準(zhǔn)差則隨開挖推進(jìn)不斷增大，即隧道的隆起與沉降愈加顯著?？紤]到本工程為控制位移進(jìn)行了滿堂加固且在地下連續(xù)墻周圍也進(jìn)行水泥攪拌樁加固，實(shí)際工況壓力作用下隧道會(huì)出現(xiàn)隆起。

3）隧道水平位移最值隨開挖進(jìn)程逐步攀升，2期地下3層鋼筋綁扎時(shí)出現(xiàn)4 mm警戒值，隨后位移最值大幅下降至2期地下3層混凝土澆筑完成時(shí)的位移。

4）地下1層開挖完成時(shí)隧道隆起及沉降最值較大，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)離隧道的2期開挖時(shí)，隧道隆起及沉降最值均穩(wěn)步下降，且在之后進(jìn)行1期地下2層開挖時(shí)二者又迅速回升。綜合以上結(jié)論，表明分區(qū)分塊開挖能有效控制隧道沉降與隆起最值的增長，但對(duì)水平位移的影響不顯著。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型尺寸及參數(shù)選取

采用Plaxis3D有限元軟件進(jìn)行地基開挖隧道變形分析。設(shè)置模型東西方向長度185 m，南北方向長度150 m，深度40 m，滿足基坑開挖影響的寬度范圍為3～5倍開挖深度（45～75 m），影響的深度范圍為2～4倍開挖深度（30～60 m）的要求，基坑開挖對(duì)墻后土體位移影響范圍為2～3倍的開挖深度。支撐樓板、地下連續(xù)墻及臨時(shí)隔墻采用板單元、HS有限元模型模擬。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，由于西湖附近為典型的軟黏土環(huán)境，因此采用HSS有限元模型進(jìn)行分析，以更好地考慮小應(yīng)變狀態(tài)的影響（圖9、表1）。

圖9 基坑網(wǎng)格劃分

表1 模型參數(shù)設(shè)置

4.2 分析步設(shè)置

參照項(xiàng)目施工進(jìn)度計(jì)劃，分別設(shè)置分析步如下：

1）建立原始地層模型，地下連續(xù)墻及臨時(shí)隔墻生成，地鐵隧道及基坑開挖網(wǎng)格劃分，生成計(jì)算模型，施加位移約束邊界條件，在初始應(yīng)力條件下進(jìn)行迭代計(jì)算使初始應(yīng)力平衡[20]。

2）1期地下1層開挖、樓板混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)。

3）2期地下1層開挖、樓板混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)。

4）2期地下2層開挖、樓板混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)。

5）2期地下3層開挖、樓板混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)。

6）1期地下2層開挖、樓板混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)。

7）1期地下3層開挖、樓板混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)。

4.3 模擬結(jié)果

開挖后期，隧道水平位移實(shí)測(cè)值與模擬值有較高的擬合度（圖10～圖13）?？紤]到人行通道及附近加固措施對(duì)水平位移的控制作用超過預(yù)期，開挖前期模擬值的擬合度不夠，且上行線7～13節(jié)點(diǎn)由于反常地向基坑靠近，模擬值與實(shí)測(cè)值的偏差更大。

圖10 下行線水平位移對(duì)比

圖11 上行線水平位移對(duì)比

圖12 下行線沉降對(duì)比

圖13 上行線沉降對(duì)比

豎直位移模擬方面，由于實(shí)測(cè)值在隧道隆起方面表現(xiàn)突出，而數(shù)值模擬僅能表現(xiàn)出沉降結(jié)果，因此有必要對(duì)實(shí)測(cè)條件進(jìn)行更細(xì)致的采集以及對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行更深入的參數(shù)化分析。

5 結(jié)語

1）Plaxis3D有限元軟件對(duì)水平位移的分析較接近實(shí)測(cè)值，與開挖完成的隧道位移圖像較為擬合，表明HSS模型適合西湖軟黏土土層環(huán)境且相應(yīng)參數(shù)選擇具有借鑒意義。

2）隧道模擬只存在向下沉降，而實(shí)測(cè)值隆起更為顯著且沉降規(guī)律不明顯，因此隧道沉降更易受其他因素的影響，如進(jìn)行水泥灌注時(shí)對(duì)圍側(cè)土層的施壓等施工因素的研究是日后提升模擬精度的著力方向，數(shù)值計(jì)算需要綜合考慮隧道沿線土層、施工情況進(jìn)行沉降模擬。

3）滿堂加固的施工方法能有效減小基坑及隧道位移，且對(duì)于位移日均波動(dòng)也有明顯的控制作用。采用臨時(shí)隔墻以及分區(qū)分塊開挖能有效控制隧道豎向位移值，但對(duì)水平位移的控制效果不顯著。