張春雷

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

基坑工程緊鄰既有高鐵施工難度大,安全風險高。在軟土地區(qū),深大基坑施工易引起隧道水平變形過大、變形不均勻,進而導致隧道開裂及錯位,嚴重影響隧道結構安全[1-3]。

針對基坑鄰近施工問題,已有許多學者開展相關研究,張治國等提出一種鄰近開挖對既有軟土隧道縱向受力變形影響的簡化計算方法[4];HUANG 等利用實測資料和工程記錄建立半經(jīng)驗回彈量公式,估算基坑開挖中的隧道回彈量[5];杜一鳴基于國內(nèi)外鄰近隧道進行基坑開挖的典型工程案例,推導坑外隧道水平位移的變形簡化計算公式[6];歐雪峰等基于附加荷載兩階段法,結合土體有效應力原理,探討基坑施工對下臥既有隧道的影響[7-8];陳仁朋等運用離心試驗的方式,獲得基坑開挖引起的隧道周圍地層水平向土壓力、地表沉降、隧道沉降和彎矩響應規(guī)律[9];楊波等采用自主設計的非相似性模型,模擬隧道旁基坑開挖過程引起的隧道結構響應規(guī)律[10];高廣運等通過數(shù)值模擬與實際監(jiān)測對比的方法,分析基坑工程臨近地鐵區(qū)間隧道施工的影響[11-15]。 以往研究成果為基坑工程實施積累了一定經(jīng)驗,但對于軟土地區(qū)深大基坑施工引起的既有高鐵隧道安全保護措施,還需進一步討論。

以天津某基坑工程緊鄰高鐵隧道施工為研究背景,采用數(shù)值模擬計算結合現(xiàn)場實測,對軟土地區(qū)深大基坑緊鄰高鐵隧道的施工影響進行研究。

1 工程概況

1.1 基坑及隧道概況

天津濱海新區(qū)某基坑工程緊鄰京津城際解放路隧道,基坑周長約640 m,總面積約24 600 m2,形狀為不規(guī)則四邊形,基坑沿隧道方向長約270 m,分兩期開挖,最大深度為6.6 m。

京津城際解放路隧道已通車運營,高鐵隧道采用盾構法、明挖法施工。 盾構隧道管片內(nèi)徑10.6 m,外徑11.6 m;明挖隧道結構寬13.2 m,圍護結構采用1.0 m 厚、58 m 深地下連續(xù)墻。

1.2 工程地質及水文地質

基坑位于天津濱海新區(qū),場地屬濱海沖積平原,場地范圍內(nèi)地層主要為雜填土、素填土、粉質黏土、粉土、淤泥質黏土等。 基坑主要位于人工填土、全新統(tǒng)海相沉積層淤泥質黏土、粉質黏土層中。 填土厚0.70～5.70 m,土質較軟,結構松散;全新統(tǒng)海相沉積層淤泥質黏土、粉質黏土厚度較大,天然含水率高,壓縮性強,強度低,固結程度差。 地下穩(wěn)定水位埋深0.5～1.7 m。

2 基坑與高鐵隧道位置關系

基坑工程東側與隧道近似平行,基坑與既有高鐵隧道中線平面距離為24.0～51.2 m,基坑位于高鐵隧道的保護區(qū)范圍內(nèi),基坑與隧道平面位置關系見圖1。

圖1 基坑與高鐵隧道平面關系示意(單位:m)

基坑底距盾構隧道管片頂約8.0 m,距離明挖隧道主體結構頂約7.8 m。 基坑與隧道橫斷面位置關系見圖2。

圖2 基坑與高鐵隧道橫斷面位置關系(高程單位:m,其余均為mm)

3 施工安全保護措施

既有高鐵隧道正在運營中,安全控制要求高。 根據(jù)相關規(guī)范要求,結合類似工程經(jīng)驗,隧道結構水平、豎向位移預警值為3 mm,允許最大變形值為5 mm?？紤]基坑開挖對隧道的影響,基坑施工采用如下措施。

3.1 施工方案優(yōu)化

(1)工程樁體改良

本項目高層建筑采用樁基礎,承載樁采用靜壓預制混凝土方樁,施工會造成既有隧道產(chǎn)生較大水平位移。 結合現(xiàn)場監(jiān)測情況,經(jīng)論證,決定將預制樁改為鉆孔灌注樁,并采取分區(qū)域施作,以降低“擠土效應”。

(2)優(yōu)先施作承載樁

為有效控制基坑開挖坑底隆起造成的隧道變形,應在基坑開挖之前完成全部承載樁施工;待承載樁施工完成并達到設計強度后,再進行基坑分期、分階段開挖。

(3)基坑分塊開挖

基坑開挖按照“分層、分塊、對稱、平衡”的原則[16-18],控制基坑隆起及側向變形對既有隧道的影響。 開挖順序為先二期后一期,基坑二期施工時從兩端到中間依次進行,每次開挖范圍不超過1 000 m2,基坑分塊開挖順序見圖3。 一期基坑開挖時優(yōu)先施工局部挖深比較大的區(qū)域,待其封底后再進行其他區(qū)域開挖。

圖3 基坑分塊開挖順序示意

3.2 輔助措施

(1)信息化施工

基坑工程施工過程中,對基坑施工影響范圍內(nèi)的隧道進行自動化實時監(jiān)測,并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整施工步序及工程措施。

(2)地下水位實時監(jiān)測

鄰近高鐵隧道側需布設承壓水觀測井及回灌井,采用自動化監(jiān)測設備對承壓井內(nèi)水位變化實時觀測,當承壓水位變化超過0.5 m 時需及時回灌。

(3)科學降水

結合基坑開挖步序,制定合理的降水分區(qū),土方開挖前進行有針對性的區(qū)域分層降水,降水井采用“淺井、密排”的原則布設,當降水期間土層中有冒水、涌砂點時,應及時進行高壓注漿封堵,以避免影響承壓水。

4 基坑施工影響計算分析

4.1 計算模型

采用MIDAS/GTS 建立三維有限元模型進行計算分析。 考慮計算模型邊界效應,水平方向取350 m,垂直方向取350 m,深度取60 m。 計算時約束土體四周和底部的法向位移,頂部邊界為自由面。 隧道結構、盾構管片及基坑圍護結構均采用面單元,基坑承載樁采用線單元,土體為三維實體單元,共劃分140 750 個節(jié)點,717 926 個單元。 地應力場按自重應力場考慮,計算模型見圖4。

圖4 計算模型

4.2 計算參數(shù)

土體采用摩爾-庫倫本構模型,土體計算參數(shù)取值見表1。 盾構管片、盾構井結構、明挖隧道結構、基坑圍護結構、承載樁等均采用彈性本構模型。

表1 土體計算參數(shù)

4.3 計算工況

計算時將基坑降水、承載樁施工、土方開挖及地下室結構、地面建筑施工分為6 個施工步驟,土體開挖和結構施作通過激活和鈍化單元實現(xiàn)[19]。

表2 施工步序

4.4 計算結果分析

根據(jù)計算結果,分別對基坑內(nèi)靜壓預制樁施工、基坑開挖、高層建筑加載等關鍵施工階段隧道變形情況進行分析。

(1)靜壓預制樁施工影響

坑內(nèi)靜壓預制樁施工期間,位于基坑中部區(qū)域盾構隧道最大水平位移3.00 mm,明挖隧道最大水平位移3.3 mm,均遠離基坑方向;豎向位移較小,盾構隧道最大為0.7 mm,明挖隧道最大為0.27 mm,隧道結構水平位移見圖5。 靜壓預制樁施工引起隧道最大變形位于盾構與明挖結構相接處,該處結構整體性較差,受坑內(nèi)靜壓預制樁對地層的擠壓影響,結構易發(fā)生遠離基坑方向的水平變形,但隧道埋深大,豎向位移受施工影響小。

圖5 靜壓預制樁完成后隧道結構水平位移云圖

(2)基坑開挖施工影響

坑內(nèi)靜壓預制樁施工完成后,按順序分別進行二期、一期基坑開挖,根據(jù)計算結果,基坑開挖引起的盾構隧道最大水平位移為2.97 mm,明挖隧道最大水平位移為3.13 mm,方向朝向基坑內(nèi)側;盾構隧道豎向位移為0.62 mm,明挖隧道豎向位移為0.26 mm,隧道結構水平位移見圖6。

圖6 基坑開挖引起的隧道結構水平位移云圖

(3)地下室結構及地面建筑施工影響

地下室結構及高層建筑施工引起的高鐵隧道水平位移略有變化,豎向位移基本未變,項目實施后,隧道累計位移均不超過1 mm。 主要施工階段引起的隧道結構變形統(tǒng)計見表3。

表3 主要施工階段隧道變形統(tǒng)計mm

5 高鐵隧道變形規(guī)律分析

5.1 隧道變形監(jiān)測概況

基坑施工影響范圍隧道共設置24 個監(jiān)測斷面,盾構井與兩側隧道連接處監(jiān)測斷面加密(見圖7(a)),每個監(jiān)測斷面布置6 個測點,分別位于結構側墻、道床結構中心線(見圖7(b))。 基坑施工期間,對隧道水平、豎向及縱向位移進行自動化實時監(jiān)測。

圖7 隧道監(jiān)測點布置

5.2 基坑施工引起的隧道結構變形分析

選取盾構隧道、明挖隧道典型監(jiān)測斷面,分析高鐵隧道結構變形規(guī)律(見圖8)。

圖8 基坑施工引起的隧道結構位移變化規(guī)律

(1)圖8(a)、圖8(b)分別為基坑施工引起的盾構隧道、明挖隧道最大位移變化實測結果。 分析表明,基坑施工過程中,盾構隧道與明挖隧道結構變形規(guī)律基本一致,基坑施工主要引起隧道結構產(chǎn)生水平位移,豎向位移較小,未超過1 mm,且隨基坑施工變化很小;同一施工節(jié)點,明挖隧道較盾構隧道水平位移值大。

(2)基坑內(nèi)靜壓預制樁施工具有“擠土效應”,引起隧道產(chǎn)生遠離基坑方向的水平位移,預制樁施工后,隧道水平位移迅速增大,超過預警值3 mm;靜壓預制樁調整為鉆孔灌注樁后,水平位移不再增大,鉆孔樁施工完成后,隧道結構水平位移由4.14 mm 減小至3.12 mm,豎向最大位移為0.92 mm。

(3)本工程所處地層主要為黏性土,地層滲透系數(shù)小,靜壓預制樁施工引起的“超孔隙水壓力”消散周期較長,隧道水平位移超過報警值長達6 個月;隨著基坑開挖后地層卸載,坑內(nèi)地下室主體結構、地面建筑施工完成后,隧道水平位移逐步回落至0.8 mm。

(4)盾構隧道、明挖隧道現(xiàn)場實測最大水平位移分別為3.45,4.14 mm,數(shù)值計算結果分別為3.0,3.3 mm;基坑施工引起的隧道位移數(shù)值計算結果與現(xiàn)場實測值基本一致,基坑施工完成后,隧道位移均在高鐵安全控制標準要求范圍內(nèi)。

6 結論

對軟土地區(qū)基坑緊鄰高鐵隧道施工影響進行分析,研究既有高鐵隧道的變形規(guī)律及安全保護措施,得出如下結論。

(1)軟土地區(qū)靜壓預制樁施工“擠土效應”明顯,施工過程中引起既有高鐵隧道產(chǎn)生的水平位移較大,豎向位移較小;同一條件下,盾構隧道位移較明挖隧道小。

(2)承載樁采用鉆孔灌注樁后,施工對既有高鐵隧道的施工影響減小, “分期、分塊、分層”進行開挖卸載,地下室結構及地面建筑施作可有效控制既有隧道位移。

(3)采取數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場實測等信息化手段,動態(tài)調整高鐵隧道的安全保護措施,可確?；邮┕て陂g高鐵隧道的運營安全。