上蓋物業(yè)基坑開挖引起下方地鐵隧道變形實測分析

徐永剛 狄宏規(guī) 劉 歡 金宏杰 蘇光北 邢 宇 于佳永

(1.寧波市軌道交通集團有限公司， 315101， 寧波； 2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海； 3.寧波軌道交通綠城東部置業(yè)有限公司， 315101， 寧波∥第一作者， 高級工程師)

在城市可利用土地資源有限的前提下，地鐵線路上方加蓋物業(yè)被逐漸推廣。但是，在地鐵隧道上方開挖基坑，會引起坑底土體發(fā)生回彈變形，導(dǎo)致下方隧道的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，隧道結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生豎向位移和收斂變形[1-3]。

文獻[4]以上海某立交基坑工程為依托背景，分析了基坑施工過程中土體卸荷對鄰近地鐵隧道豎向位移的影響規(guī)律，并以此為依據(jù)推導(dǎo)出經(jīng)驗公式。文獻[5]對某基坑工程沉降進行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，研究表明：當盾構(gòu)隧道在基坑下方時，基坑開挖卸載會導(dǎo)致隧道產(chǎn)生豎向隆起，在基坑開挖結(jié)束時隆起量達到峰值。文獻[6]通過有限元模型分析發(fā)現(xiàn)基坑在選取適當?shù)拈_挖順序時，可降低基坑開挖對隧道的影響。而針對隧道的上蓋物業(yè)施工，國內(nèi)外學(xué)者在隧道周圍群坑開挖對其結(jié)構(gòu)的影響方面卻鮮有研究。

本文以寧波市矮潘地塊項目為背景，基于實測數(shù)據(jù)分析基坑群開挖對下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降、水平位移和收斂變形的影響，并進一步分析周圍基坑群開挖過程中下方地鐵隧道的變形特征，研究結(jié)論可為類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

矮潘地塊項目位于寧波市鄞州區(qū)，寧波軌道交通4號線隧道由東南至西北方向穿越該場地，將其劃分為南側(cè)、北側(cè)及中間3個區(qū)域，如圖1所示。其中：南、北兩側(cè)區(qū)域為1層地下室，開挖深度為5.2～6.7 m，基礎(chǔ)型式為樁基，分界支護樁距離盾構(gòu)隧道側(cè)最近處約6.0 m；中間區(qū)域為地鐵上蓋地下室，基坑周圈的開挖深度為6.0 m，工程樁為鉆孔灌注樁。地鐵盾構(gòu)兩側(cè)10.0 m范圍內(nèi)的工程樁已施工完成。區(qū)間隧道頂部平均埋深約為15.5～21.5 m。地鐵區(qū)間段采用盾構(gòu)法施工，其標準橫斷面如圖2所示。盾構(gòu)隧道管片厚度e為0.35 m，外徑D為6.20 m，左、右兩線凈間距為10.0 m。

圖1 矮潘地塊的工程平面圖Fig.1 Engineering plan of Aipan plot

如圖2所示，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，擬建場地的土層主要是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、含粉砂粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土等。本工程地下水位深度為1.6～2.7 m，水位年變化幅度約為1.0～1.5 m。表1給出了該場地主要土層的物理力學(xué)指標。

圖2 矮潘地塊地鐵隧道段的標準橫斷面圖

表1 矮潘地塊的土體物理力學(xué)參數(shù)

矮潘地塊圍護結(jié)構(gòu)平面圖如圖3所示。為了減小地下室開挖對下方地鐵隧道的影響，不同基坑區(qū)域采用了不同的支護方式，各區(qū)域支護樁的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

1.2 基坑開挖方案及地鐵隧道變形監(jiān)測

寧波軌道交通4號線區(qū)間隧道橫穿該地塊，將地塊地分為南側(cè)區(qū)域、北側(cè)區(qū)域，以及有地鐵上蓋物業(yè)的中間區(qū)域。為了減小地下室開挖對下方地鐵隧道的影響，對該地塊采用分坑開挖的施工方式。如圖3所示：南、北側(cè)兩個區(qū)域共分為20個獨立基坑進行施工，其中:B區(qū)(細分為B1～B3區(qū)塊)為臨近地鐵區(qū)塊;A區(qū)(細分為A1～A5區(qū)塊)為中間區(qū)域,共分為9個獨立基坑進行施工；C區(qū)為距離地鐵較遠區(qū)域?；痈麟A段施工的開始時間和結(jié)束時間如表3所示。

圖3 矮潘地塊圍護結(jié)構(gòu)平面圖Fig.3 Plan drawing of enclosure structure of Aipan plot

表2 矮潘地塊不同基坑區(qū)域的支護樁參數(shù)Tab.2 Supporting pile parameters of different foundation pit areas in Aipan plot

表3 矮潘地塊基坑各階段施工的開始時間和結(jié)束時間

矮潘地塊的總體施工順序共分為3個階段：

1) 第1階段：開挖B1區(qū)塊，同時地下室主體結(jié)構(gòu)向上施工且保留支撐體系。

2) 第2階段：開挖A區(qū)。先開挖A1區(qū)塊，在A1區(qū)塊地下室底板施工完成后開挖A2區(qū)塊土體，同時A1區(qū)塊地下室主體結(jié)構(gòu)向上施工。以此工序類推，直至A5區(qū)塊施工完成。

3) 第3階段：開挖其余區(qū)塊。按順序依次實施B2區(qū)塊、B3區(qū)塊、C區(qū)施工。

為分析矮潘項目施工對既有地鐵隧道的影響，沿隧道軸向選取上行線和下行線部分沉降監(jiān)測點進行分析。其中：沉降監(jiān)測點共82個(X1060～X855,S1060～S855)；水平位移監(jiān)測點共98個(X1060～X865，S1050～S855)；隧道收斂變形監(jiān)測點共80個(Sh1050～Sh855,Ss1050～Ss855,Xh1060～Xh865,Xs1060～Xs865)。

由于上行線和下行線的變形規(guī)律大致相同，本文以下行線數(shù)據(jù)為例進行分析。圖4為與下行線隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測相關(guān)的測點平面位置分布圖。

圖4 地鐵下行線隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點平面布置圖

2 地鐵隧道實測變形數(shù)據(jù)分析

2.1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)累計沉降分析

圖5給出了不同監(jiān)測點累計沉降值隨時間的變化曲線。

圖5 地鐵下行線隧道各測點累計沉降時程曲線

由圖5可看出：

1) 隨著項目施工的開展，隧道結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)先下沉、后上浮的趨勢。

2) 隨著基坑的不斷開挖，下部隧道結(jié)構(gòu)的上浮值呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大、最后趨于穩(wěn)定的趨勢。

3) 在攪拌樁施工階段，隧道結(jié)構(gòu)呈下沉趨勢，其原因在于攪拌樁重度大于原有的土體重度，隧道周圍土體受到攪拌樁自重的影響，使得隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的下沉。

4) 在圍護結(jié)構(gòu)施工階段，隧道結(jié)構(gòu)呈先上浮、后下沉趨勢，其原因為圍護結(jié)構(gòu)在成槽階段存在土體卸載，周邊土體隆起使得隧道結(jié)構(gòu)上??；在地下連續(xù)墻澆筑混凝土后，由于混凝土的重度大于土體的重度，使得土體產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)下沉。

5) 在B1區(qū)塊和A區(qū)開挖期間，隧道結(jié)構(gòu)呈明顯的上浮趨勢，其原因在于周邊基坑開挖導(dǎo)致周圍土體卸載，基坑底部隆起時帶動周圍土體產(chǎn)生向上的位移，使得隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的上浮。

6) A區(qū)開挖對隧道結(jié)構(gòu)上浮的影響最大，其原因在于A區(qū)位于隧道結(jié)構(gòu)的正上方，無法通過支護樁來減少A區(qū)坑底隆起對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

7) 在其余區(qū)塊開挖期間，隧道結(jié)構(gòu)呈明顯的下沉趨勢。其原因有兩方面：一是因前階段A區(qū)施工隧道結(jié)構(gòu)變形過大，施工方在其余區(qū)塊開挖完成后立即施作墊層并及時施作混凝土底板，并在累計沉降上浮量超過10 mm的測點處進行堆載，以控制隧道結(jié)構(gòu)的進一步上?。欢窃诖似陂g，B1區(qū)塊開始施工上部主體結(jié)構(gòu)，該施工同樣起到了堆載效果，能夠控制下部土體隆起，進而控制隧道結(jié)構(gòu)的上浮。

2.2 地鐵隧道結(jié)構(gòu)累計水平位移分析

選取矮潘項目下臥地鐵隧道下行線的測點，對隧道結(jié)構(gòu)累計水平位移進行分析，如圖6所示(將圖中水平位移向南取為正值)。

圖6 地鐵下行線隧道各測點累計水平位移時程曲線Fig.6 Horizontal displacement time history curve of metro down line tunnel measurement points

由圖6可以看出：

1) 隨著矮潘項目的施工，隧道累計水平位移呈現(xiàn)先向北、后向南、而后再向北的趨勢，其原因為北側(cè)區(qū)域中的B1區(qū)塊基坑距離隧道更近，B1區(qū)塊基坑開挖帶動周圍土體向坑內(nèi)移動，使得隧道產(chǎn)生了向北的水平位移。

2) 在A區(qū)開挖時，由于A區(qū)基坑坑底土體隆起，帶動周圍土體向A區(qū)坑內(nèi)移動，使得隧道產(chǎn)生了向南的水平位移。

3) 在其余區(qū)塊開挖時，由于兩側(cè)基坑開挖卸載引起分坑土體隆起，帶動周圍土體向坑內(nèi)移動，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向北的水平位移，而后由于及時施作底板、墊層等措施，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移量趨于穩(wěn)定。

2.3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)收斂變形分析

仍選取下行線測點對結(jié)構(gòu)收斂變形值進行分析，如圖7所示(圖中橫向收斂值為隧道襯砌拱腰兩點之間的距離增量，將拱腰兩點距離增大設(shè)為正值)。

由圖7可以看出：

1) 隨著矮潘項目的施工，隧道收斂變形先增大、后減小、而后趨于穩(wěn)定的趨勢，且隧道橫截面呈現(xiàn)“橫鴨蛋”變形趨勢。原因主要為在B1區(qū)塊開挖時，隧道兩側(cè)的土壓力減少，而隧道上部因三軸攪拌樁施工導(dǎo)致隧道上部的土壓力增大，隧道受到豎向擠壓，橫截面呈現(xiàn)“橫鴨蛋”變形。

2) 由于A區(qū)土體開挖，隧道上部因土體卸載導(dǎo)致土壓力減小，隧道受到橫向擠壓，橫截面呈現(xiàn)“豎鴨蛋”變形趨勢，隧道收斂值有所減小。

3) 其余區(qū)塊開挖時，由于及時施作混凝土墊層、澆筑底板，隧道收斂值逐漸趨于穩(wěn)定。

a) 隧道豎向收斂變形時程曲線

b) 隧道橫向收斂變形時程曲線圖7 地鐵下行線隧道各測點收斂變形時程曲線Fig.7 Convergence deformation time history curve of metro down line tunnel measurement points

3 結(jié)論

1) 矮潘地塊土建施工對下臥地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生了一定的影響。隧道結(jié)構(gòu)在攪拌樁施工時呈下沉趨勢，在基坑開挖階段呈上浮趨勢。對比不同開挖階段的隆起情況，隧道上部土體開挖對隧道結(jié)構(gòu)上浮值的影響最大。

2) 在矮潘項目基坑施工期間，隧道橫向收斂變形呈現(xiàn)先增大、后減小、而后趨于穩(wěn)定的趨勢，隧道兩側(cè)基坑開挖會使得隧道結(jié)構(gòu)橫斷面變形總體呈現(xiàn)“橫鴨蛋”變形。隧道上部基坑土體開挖時，隧道結(jié)構(gòu)橫斷面變形呈現(xiàn)“豎鴨蛋”變形趨勢。

3) 墊層、底板施做的時效性決定了隧道變形的速率及變形絕對值的大小。及時對已開挖部分采取施作墊層、底板和壓重等措施，能夠有效地控制地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形。