基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響

□文/李海兵 劉 燕 許柏陽

隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，盡管地鐵沿線的工程建設(shè)有規(guī)劃安排，但就長遠(yuǎn)發(fā)展而言仍具有一定的不可預(yù)見性，往往會出現(xiàn)基坑工程鄰近既有地鐵線路的情況[1～2]。已運營地鐵對變形的要求相當(dāng)嚴(yán)格，在基坑的開挖過程中，由于開挖擾動、地層損失和固結(jié)沉降等因素難免會引起地層產(chǎn)生移動和變形，導(dǎo)致附存于地層中的既有區(qū)間隧道隨之發(fā)生移動和變形，進(jìn)而引起受力的變化；因此，如何有效控制既有區(qū)間隧道變形是選擇其周邊后建工程地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)及施工工序的關(guān)鍵。要控制基坑開挖對緊鄰地鐵隧道的影響，確保地鐵線路的正常運營，需要在預(yù)測的基礎(chǔ)上，采用信息化施工，根據(jù)被保護(hù)對象的實際狀態(tài)來調(diào)控、優(yōu)化基坑工程施工，最大限度地減小基坑開挖對運營地鐵的影響[3]。此外，同一地區(qū)由于地質(zhì)條件十分接近，類似工程可借鑒意義較大。

本文基于天津某開挖基坑鄰近既有地鐵線路的工程實例，開展了施工全過程的監(jiān)測，為建立天津地區(qū)基坑開挖對已運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全、運營安全的控制標(biāo)準(zhǔn)與保護(hù)技術(shù)積累工程經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 基坑概況

項目位于天津市通南路南、張自忠路西之交匯處，緊鄰地鐵2號線東南角站C出口。擬建物為1棟27層（局部22層）寫字樓、1棟18層寫字樓及5層裙房，通體地下車庫（埋深約13 m）；規(guī)劃總用地面積13 203.6 m2；總建筑面積84 000 m2，其中地上建筑面積60 000 m2，地下總建筑面積24 000 m2；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；樁基礎(chǔ)；基坑開挖深度10.34～16.45 m。

工程分兩期施工。由于場地緊張，周邊環(huán)境保護(hù)要求高，無法采用反壓土、分級支護(hù)等無支撐支護(hù)方式。根據(jù)周邊環(huán)境條件以及地區(qū)經(jīng)驗綜合考慮，基坑支護(hù)總體采用地下連續(xù)墻+3道（局部2道）鋼筋混凝土水平支撐系統(tǒng)，順作法施工。

基坑平面形狀不規(guī)則，在一期施工區(qū)域整體布置成抵抗側(cè)向變形效果更好的邊桁架系統(tǒng)，同時在基坑南北向設(shè)置3組桁架式對撐以增強對周邊敏感位置的變形控制；另外，在二期施工區(qū)域考慮到須借用既有站體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為控制該區(qū)域在基坑開挖過程中的變形影響，選用兩組對撐與角撐相結(jié)合的形式。三道水平內(nèi)支撐中心標(biāo)高分別設(shè)置在－2.300、－7.700、－12.700 m。見圖1。

圖1 基坑施工分區(qū)及支撐結(jié)構(gòu)平面

基坑四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置情況。

1）北側(cè)及南側(cè)：該側(cè)基坑開挖深度為15.5 m，由于周邊環(huán)境對基坑的變形非常敏感，擬采用抵抗變形能力更強的1 m厚地下連續(xù)墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)兼用于止水帷幕，有效墻長34 m。

2）基坑?xùn)|側(cè)：由于該側(cè)現(xiàn)狀的坑外道路地勢較高，基坑開挖深度相對較深，為16.55 m；擬采用相同的1 m厚地下連續(xù)墻，有效墻長34 m。

3）基坑西南側(cè)：該側(cè)坑外現(xiàn)狀地坪相對東、南、北側(cè)較低，坑深為14.9 m；支護(hù)結(jié)構(gòu)與北、東、南側(cè)保持一致，以確保對地下水的有效控制及周邊環(huán)境的安全。

4）基坑西側(cè)：該區(qū)域是將來與地鐵4號線連接通道，主體設(shè)計為地下2層，因此坑深最淺約11.00 m；在保證基坑安全的前提下兼顧基坑工程經(jīng)濟(jì)性，支護(hù)結(jié)構(gòu)改用0.8 m厚地下連續(xù)墻，有效墻長34 m。

1.2 基坑工程和地鐵區(qū)間隧道位置關(guān)系

東南角站為天津地鐵2號和即將建設(shè)的4號線換乘站，位于基坑西北側(cè)。站體地下3層（局部地下2層），其最深處（地下3層區(qū)域坑底的設(shè)計標(biāo)高約為－17.000 m）超過與其緊鄰的擬建地鐵4號線通道最深處約3.5 m，與擬建的緊鄰排風(fēng)通道最深處標(biāo)高基本一致。見圖2。

圖2 基坑與地鐵位置關(guān)系

2 土質(zhì)條件

擬建場區(qū)屬華北平原東部濱海平原區(qū)地貌，陸相與海相交互沉積地層。地形略有起伏，各勘察孔孔口標(biāo)高3.33～4.76 m。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3 水文條件

1）上層滯水：主要含水層為透水性較好的人工填土層，以③1粉質(zhì)粘土層為隔水底板；水位隨季節(jié)變化明顯，消耗于蒸發(fā)及沿隔水層邊緣下滲。

2）潛水：④2粉土及⑥1粉質(zhì)粘土層為主要含水層，以⑦粉質(zhì)粘土及⑧1粉質(zhì)粘土層作為隔水底板。

3）承壓水：以潛水的隔水底板為承壓水隔水頂板，其下的粉土、粉砂層為主要含水層，對本工程基坑穩(wěn)定性有影響的含水層主要為⑧2粉土、⑨2粉土層。上述兩層土在基坑開挖面下的埋深較淺，對基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性可能會產(chǎn)生不利影響。根據(jù)勘探資料及現(xiàn)場抽水試驗水頭觀測結(jié)果，上述兩層土相互之間隔水層在場地內(nèi)分布穩(wěn)定。

測得本場地潛水層穩(wěn)定水位在1.55～3.00 m之間（即標(biāo)高1.75 m左右）。

4 實測數(shù)據(jù)分析

4.1 基坑圍護(hù)變形

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測布點見圖3。選取典型測點CX6、CX8、CX9進(jìn)行分析，各測點地下連續(xù)墻深層水平位移實測值見圖4。

表1 各土層主要物理、力學(xué)指標(biāo)

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測布點

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移

基坑南側(cè)、北側(cè)、東側(cè)、西南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用1 000 mm厚，L=34m地下連續(xù)墻，而西側(cè)采用800 mm厚地下連續(xù)墻。由圖4可看出，采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻的測點CX6、CX8、CX9在地下連續(xù)墻頂部水平位移十分接近，這得益于沿基坑四周布置的邊桁架系統(tǒng)，其整體剛度較大，抵抗側(cè)向變形效果較為明顯；但各測點地下連續(xù)墻水平位移沿深度變化卻不盡相同。

根據(jù)基坑變形的空間效應(yīng)，邊長越大，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形越大且基坑邊角處變形較小，隨后逐步增大，至基坑中部達(dá)到最大值[4]。但對比測點CX6和CX9的變形曲線可以發(fā)現(xiàn)，同為較長邊中部的測點，CX9深層水平位移明顯小于CX6，這充分說明了對撐對減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的作用。

對比同處于西南側(cè)的測點CX8和CX9，在地下連續(xù)墻厚度和對撐尺寸相同的情況下，處于中部的CX9變形值卻明顯小于角部的CX8，這是因為CX9測點處對撐長度明顯小于CX8，即CX9測點處對撐線剛度明顯大于CX8測點處對撐線剛度。這反映了對撐的線剛度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，即線剛度越大，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束作用越明顯。

另取靠近隧道的基坑北側(cè)測點CX2，該側(cè)地下連續(xù)墻變形對臨近隧道影響較大，其在各個施工節(jié)點的變形曲線見圖5。

圖5 CX2測點各施工節(jié)點地下連續(xù)墻變形曲線

由圖5可知，隨著基坑分層開挖的進(jìn)行，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移逐漸變大，變形趨勢也由懸臂型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)凸型。但因基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水平支撐設(shè)計的整體剛度較大，隨著開挖的進(jìn)行，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移趨于穩(wěn)定，最終最大水平位移保持在15.96 mm。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)較大的剛度保證了其自身變形可有效保持在一定范圍之內(nèi)，也為隧道變形控制奠定了基礎(chǔ)。

4.2 隧道結(jié)構(gòu)變形值

隧道結(jié)構(gòu)測點布置見圖6。軌道道床各測點隨施工進(jìn)行豎向位移見圖7。

圖6 隧道測點布置

圖7 測點不同施工節(jié)點豎向位移

由圖7可知，上下行線豎向位移隨施工進(jìn)行變化規(guī)律較為一致，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢且從第二道支撐澆筑完成到第三道支撐澆筑完成隆起值有較大的增長。這是因為這一階段坑內(nèi)土體不僅因基坑繼續(xù)開挖卸荷回彈且在內(nèi)凸型地下連續(xù)墻擠壓下坑底被動區(qū)土體發(fā)生剪切變形而形成了較大的隆起。圖5中靠近隧道側(cè)CX2測點地下連續(xù)墻水平變形曲線在這一階段有較大增幅也證明了這一點。而隆起值較大的12～22測點所處斷面正好位于開挖基坑范圍內(nèi)，最終達(dá)到的最大值接近5 mm。

隧道結(jié)構(gòu)水平位移見圖8。

圖8 測點水平位移

由圖8可知，上行線和下行線的水平變形規(guī)律也大致相同，與豎向位移略有區(qū)別的是，水平位移在整個監(jiān)測范圍波動較小且變形值較小，處在1.5～3 mm范圍之間。

從所得實測數(shù)據(jù)來看，雖然基坑開挖對鄰近地鐵線路產(chǎn)生了影響，但其值較小，軌道道床隆起在2～5 mm之間，水平位移在整個監(jiān)測范圍波動較小且變形值更小，處在1.5～3mm范圍之間。隧道整體變形處于控制范圍內(nèi)。

隧道收斂值見圖9。

圖9 隧道收斂值

由圖9可得，上行線及下行線隧道收斂值均不超過2.5 mm，僅為0.4‰倍隧道直徑。

由隧道豎向、水平位移及收斂值的變化范圍及規(guī)律可知，由于本工程在靠近隧道一側(cè)采用了剛度較高的地下連續(xù)墻且使用了整體性較好的邊桁架及抗壓剛度較大的桁架式對撐，對控制隧道變形具有較大作用，使得基坑開挖對既有地鐵線路影響較小，符合控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1）基坑開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)顯著，導(dǎo)致坑底卸荷回彈以及坑外土體產(chǎn)生趨向坑內(nèi)移動的趨勢，在土體變形傳遞效應(yīng)的影響下隧道產(chǎn)生一定的隆起和水平位移。地下連續(xù)墻變形趨勢對隧道隆起值變化趨勢影響很大。

2）隨著基坑分層開挖的進(jìn)行，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移逐漸變大，變形趨勢也由懸臂型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)凸型模式。但因基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水平支撐設(shè)計的整體剛度較大，隨著開挖的進(jìn)行，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移趨于穩(wěn)定，最終最大水平位移保持在15.96 mm。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)較大的剛度保證了其自身變形可有效保持在一定范圍之內(nèi)，也為隧道變形控制奠定了基礎(chǔ)。

3）通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果可知，使用對撐可以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形且對撐的線剛度對其約束變形的能力影響很大。

4）雖然地鐵區(qū)間隧道在基坑開挖過程中產(chǎn)生了一定的隆起和水平位移，但由于采用了整體性較好的邊桁架及抗壓剛度較大的桁架式對撐，靠近隧道側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形得到了很好的控制，既有隧道各項變形指標(biāo)數(shù)值均較小，基坑開挖未對隧道造成嚴(yán)重的影響。