豎井工法開挖深基坑對下臥既有隧道上浮的控制

岳云鵬,鄭先昌*,胡志敏,劉曉玉,張龍云,劉繼強

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006；2.中鐵南方投資集團有限公司，深圳 518052)

近年來，隨著中國城市的不斷發(fā)展，地鐵線路的建設(shè)日益增加，鄰近地鐵隧道的基坑工程也越來越頻繁，使得基坑工程既要保證自身建設(shè)的安全，又要控制好鄰近隧道的變形影響。基坑開挖會改變周圍土體的原狀性，使位于影響范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，嚴重時造成盾構(gòu)管片開裂，嚴重威脅地鐵的安全運營。

在基坑開挖過程中，基坑外側(cè)的地鐵隧道變形以水平方向為主[1]，基坑下臥的地鐵隧道變形以上浮變形為主[2]。針對基坑開挖引起鄰近地鐵隧道變形的問題，部分學(xué)者進行了大量研究，鄭剛等[3-4]對基坑開挖對隧道造成變形的影響區(qū)域進行了劃分，并對不同保護措施控制隧道變形的差異進行了數(shù)值分析；薛彥琪等[5]考慮了降水因素對基坑變形的影響，對下臥隧道的深基坑支護進行了優(yōu)化設(shè)計；曾曉鑫等[6]對隔離樁保護既有隧道的工程案例進行了數(shù)值分析，探討了隔離樁在不同位置下隧道的變形特性；Chen等[7]分析了不同措施對隧道的保護作用，并數(shù)值計算了隧道的重點保護區(qū)域；孫佳羽等[8]對基坑開挖過程中鄰近隧道的水平位移進行擬合分析，提出了鄰近隧道最大水平位移的表達式；張治國等[9]、彭智勇等[10]對不同尺寸分塊開挖方式進行了數(shù)值分析，總結(jié)了隧道在不同開挖方式下的變形規(guī)律；章潤紅等[11]研究了坑外和坑底位置隧道的彎矩和位移的分布規(guī)律，并探討了相對剛度對隧道位移的影響；王燕燕等[12]通過數(shù)值模擬，對隧道上方基坑開挖過程進行數(shù)值分析，總結(jié)了開挖前后地鐵隧道的彎矩變化規(guī)律;一些學(xué)者基于Mindin應(yīng)力解，對隧道附加應(yīng)力與位移公式進行推導(dǎo)，完善了基坑開挖對下臥隧道影響的理論解析[13-15]。肖瀟等[16]、潘林有等[17]對開挖過程中鄰近明挖隧道的變形進行了研究，總結(jié)了不同形式圍護結(jié)構(gòu)的變形特點及受力狀態(tài)。

綜上，現(xiàn)有研究大多針對基坑開挖過程中隧道的變形和受力狀態(tài)進行研究，而針對開挖方式對隧道保護有效性的分析研究相對較少。文獻[18]提出了一種豎井開挖工法，可較好地控制基坑開挖下方隧道的上浮，但并未對豎井工法作用下隧道上浮的規(guī)律進行深入研究。

基于此，結(jié)合深圳市地鐵11號線上方某基坑工程實例，采用考慮開挖過程中土體剪切模量衰減特性的小應(yīng)變硬化土(HSS)本構(gòu)模型，通過比較不同保護措施對下臥隧道的作用，進一步研究了豎井工法控制隧道上浮的有效性，并探討了豎井開挖工法對不同位置隧道的影響規(guī)律，以期為隧道上方基坑工程的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況及開挖方式

深圳市地鐵11號線上方某深基坑工程，基坑開挖范圍113.8 m 54.5 m，基坑縱斷面里程K0+700～K0+850，基坑與地鐵隧道平面關(guān)系如圖1所示，該基坑工程場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜，南側(cè)為既有盾構(gòu)地鐵隧道1號線、5號線，下臥地鐵11號線。基坑開挖過程中地鐵11號線正處于施工階段，需采取一定的保護措施，減少對地鐵隧道的不利影響。基坑分三步進行開挖，分別開挖至-5.5、-9.4、-15.5 m，基坑采用放坡結(jié)合1 000@1 200 mm排樁進行支護，采用直徑600 mm的旋噴樁作為止水帷幕。

圖1 地鐵保護區(qū)平面示意Fig.1 Plan of subway protection area

基坑原方案采用分層開挖方式進行開挖，在基坑開挖至-5.2 m時，11號線左線上浮超過報警值，現(xiàn)場停止施工，采用覆土反壓措施，臨時控制隆起。后期采用豎井工法進行分塊施工，利用豎井設(shè)置隔墻按照由A～E的順序間隔開挖，豎井尺寸18 m×8.5 m，在開挖至坑底后施作抗浮板控制隧道上浮，取得了良好的控制效果。

1.2 地鐵隧道

地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)雙線隧道總長約為160.5 m，隧道軸線水平距離約為17.5～19.5 m，隧道距基坑底部最近處僅為5.5 m，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外徑分別為5.7、6.3 m，環(huán)寬1.5 m，厚0.35 m，每環(huán)管片由3塊管片通過彎螺栓進行連接，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強度等級為C50。隧道兩側(cè)采用φ550@1 000 mm抗拔樁進行圍護，并在基坑施工結(jié)束時與坑底抗浮板形成門式抗浮結(jié)構(gòu)控制隧道上浮。隧道自里程K0+700開始進入支護樁下側(cè)，在地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)每10 m布置一個監(jiān)測斷面，斷面監(jiān)測點布置如圖2所示，按照《城市軌道交通工程檢測技術(shù)規(guī)范》的要求，在基坑開挖及降水期間，控制地鐵隧道的上浮值不大于20 mm。

圖2 基坑典型橫斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical cross section of foundation pit

1.3 工程地質(zhì)條件

場地屬于典型軟土地層，地下水位約為地表下1 m。地鐵隧道主要位于該地區(qū)廣泛分布的第四系全新統(tǒng)沖洪積層，主要包括⑥1黏土層和⑧砂質(zhì)黏性土層。填土層結(jié)構(gòu)呈松散-稍密狀，局部含淤泥質(zhì)土；②1淤泥層含有機質(zhì)，呈流塑狀，屬高壓縮性軟土；⑥1黏土層可塑狀為主，力學(xué)性質(zhì)可滿足一般結(jié)構(gòu)承載力的要求；⑧砂質(zhì)黏性土由下伏混合花崗巖風(fēng)化殘積而成，場地內(nèi)普遍分布較厚；⑨全風(fēng)化混合花崗巖屬Ⅲ級硬土，埋深較厚。通過室內(nèi)外試驗獲得主要土層的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of soil mass

注：r為容重；w為水的質(zhì)量分數(shù)；e0為孔隙比；Ip為塑性指數(shù)；N為標(biāo)貫擊數(shù)。

2 豎井工法施工工藝

豎井工法是一種開挖深基坑的施工方法，可有效地在開挖過程中控制隧道上浮，其主要特點是對隧道上方土體安裝圍護體系，并對基坑進行小范圍分級卸載，使開挖過程對下臥隧道周圍土體擾動較小，從而控制隧道的上浮，現(xiàn)對豎井工法的主要施工工藝進行描述。

2.1 抗拔樁施工

首先在施工前沿隧道兩側(cè)施工抗拔樁，抗拔樁與隧道間距約3～5 m，抗拔樁樁端高于隧道，為控制隧道上浮提供前提條件。

2.2 豎井井身施工

對豎井所在土層進行開挖，開挖后及時施工鎖口圈進行初期圍護，每層豎井井身開挖完成后，及時對井壁澆筑混凝土，并在豎井內(nèi)部設(shè)置隔墻，開挖至井底后及時施工抗拔樁冠梁(圖3)。

圖3 豎井工法施工現(xiàn)場圖Fig.3 Construction site drawing of shaft method

2.3 抗浮板施工

豎井施工完成后，對井底澆筑約12 cm混凝土進行封底，此時抗拔樁與抗浮板形成一個“門式結(jié)構(gòu)”，可有效地減小因土體卸載作用產(chǎn)生的隧道上浮。

2.4 豎井間隔開挖

每個豎井區(qū)域形成后，對豎井間隔區(qū)域進行分塊開挖，開挖后及時拆除豎井井身，在開挖區(qū)域底部施作抗浮板，連通整個基坑。

3 隧道上浮過程及實測結(jié)果

3.1 地鐵隧道上浮過程

地鐵保護區(qū)基坑于2015年3月開始施工，首先采用分層開挖方式進行開挖，于2015年4月底地鐵隧道上浮值超過預(yù)警值達到16 mm，現(xiàn)場停止施工，采用覆土反壓措施，臨時控制隆起。而后采用豎井工法進行開挖，有效地控制了隧道上浮，截至2016年6月底，該工程基本完工。

K0+760斷面左線隧道監(jiān)測點2上浮發(fā)展趨勢如圖4所示，隧道上浮曲線主要包含2個上浮段和2個回落段。第一個上浮段主要是由于原方案開挖選擇不當(dāng)導(dǎo)致隧道上浮值過大，開挖卸荷導(dǎo)致隧道隨著地基回彈而上浮；第二個上浮段是由于豎井開挖導(dǎo)致隧道上浮，相比之下豎井開挖基坑雖然會小范圍破壞基坑內(nèi)土體原狀性，但不會導(dǎo)致隧道明顯上浮，使得隧道最終上浮值達到控制標(biāo)準(zhǔn)；回落段主要是由于覆土反堆和抗浮板的施作，有效地控制了隧道的上浮。

圖4 K0+760斷面左線隧道上浮值Fig.4 The floating value of K0+760 section left line tunnel

3.2 隧道整體上浮規(guī)律統(tǒng)計

隧道的上浮變形主要與開挖深度有關(guān)，通過隧道拱頂埋深與基坑開挖深度的比值來表示土體的卸載率[19]。統(tǒng)計豎井開挖過程中不同卸載率與隧道監(jiān)測點2上浮實測值，如圖5所示，通過擬合結(jié)果可以看出，豎井工法開挖過程中隧道的上浮值與卸載率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

隧道的不同橫斷面位置地質(zhì)條件肯能略有差異，但開挖前抗拔樁的施作使得隧道周邊土體強度略有提高，因此在開挖過程中坑底土體變形以彈性變形為主，且變形量取決于上部土體開挖深度，因此上浮值與卸載率基本線性相關(guān)。

圖5 隧道上浮值與卸載率關(guān)系曲線Fig.5 The relation curve between the floating value of tunnel and the unloading rate

4 模型建立

4.1 計算模型

采用MIDAS GTS NX有限元軟件進行數(shù)值計算，模型中隧道與基坑相對關(guān)系如圖1、圖2所示，模型范圍取450 m×245 m×45 m，模型四周設(shè)置水平約束，底部設(shè)置固定約束。土層在模型中簡化為四層分布，分別為黏土層17.6 m，淤泥層3.1 m，黏土層14 m，全風(fēng)化花崗巖層17.4 m。支護樁長11 m；襯砌結(jié)構(gòu)為長20 m的C50混凝土管片；地下水位為-1 m。

4.2 材料參數(shù)

采用能考慮基坑開挖過程中土體剪切模量隨應(yīng)變增大而衰減特性的小應(yīng)變硬化土(HSS)模型。針對現(xiàn)場分布較為廣泛的土層，采用薄壁取土器鉆取4組原狀土，進行室內(nèi)試驗與相關(guān)計算，得到各模型參數(shù)如表2所示，由于部分小應(yīng)變參數(shù)獲取方式較復(fù)雜，通過相關(guān)經(jīng)驗法取值[20]。

襯砌結(jié)構(gòu)通過板單元模擬成等分圓環(huán)，厚度300 mm，止水帷幕基于剛度等效原則采用板單元進行模擬，考慮到施工缺陷，將剛度折減30%，采用界面單元模擬土與結(jié)構(gòu)的相互作用面，取強度折減因子為0.65，結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表3所示。

表2 土層數(shù)值計算參數(shù)Table 2 Numerical calculation parameters of soil layer

表3 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Table 3 Structural calculation parameter

注：E為彈性模量，r為重度，μ為泊松比。

4.3 工況設(shè)置

針對不同保護措施對進行實際施工情況的模擬，進行4種工況分析。

(1)工況1：豎井工法開挖。模擬豎井工法開挖基坑的施工過程及措施，按照圖1由A～E的開挖順序進行開挖，為與現(xiàn)場工況相符，豎井開挖前先進行原方案開挖及覆土反堆的模擬。

(2)工況2：基坑原方案開挖。基坑按原開挖方式繼續(xù)進行開挖，開挖分3步，分別開挖至-5.5、-9.4、-15.5 m，開挖結(jié)束后施作抗浮板。

(3)工況3：基坑分塊開挖。基坑按圖1從1～4的方式分塊開挖，每塊面積約為150 m×54.5 m，共分8塊。

(4)工況4：坑底土體加固。開挖前對坑底土體進行加固，加固深度至隧道上方1.5 m。將坑底加固區(qū)土體剛度參數(shù)等比例放大2.5倍，用以模擬攪拌樁加固效果，加固后土體參數(shù)c=80 kPa，φ=30°。加固后基坑按工況3方式進行開挖。

4.4 模型參數(shù)驗證

圖6 工況1結(jié)束時左線隧道豎向位移Fig.6 Vertical displacement of left tunnel at the end of working condition 1

基于以上參數(shù)，首先對工況1進行模擬，分析了隧道拱頂?shù)呢Q向位移增量，開挖結(jié)束時左線隧道監(jiān)測點2的豎向位移計算值與實測值如圖6所示。基坑開挖結(jié)束時隧道左線上浮趨勢呈雙峰型，計算值與監(jiān)測值較接近，同時左線隧道開挖結(jié)束時最大上浮值計算值與實測值分別為20.31、19.94 mm，較為接近，因此可認為本模型土體和材料參數(shù)選取合理。此外，隧道上浮值在基坑縱斷面中軸線兩側(cè)位置明顯增大。

5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1 隧道保護措施有效性

不同保護措施在施工過程中，會改變基坑底部土體原狀結(jié)構(gòu)，間接影響下臥地鐵隧道。為研究不同保護措施對下臥地鐵隧道的作用，首先分析了不同保護措施下K0+770斷面上基坑底部豎向位移，從圖7可以看出，相比實際工況(工況1)，坑底土體加固可有效地限制基坑底部土體豎向位移，豎井工法開挖基坑相比其他開挖方式可有效抑制基坑底部隆起，這將間接地減小下臥隧道上浮。另外，隧道兩側(cè)抗拔樁的施作明顯降低了基坑中軸線兩側(cè)坑底豎向位移。

圖7 不同措施下K0+770斷面基坑底部上浮值Fig.7 The floating value of the bottom of K0+770 section foundation pit under different measures

圖8為不同措施下隧道右線監(jiān)測點2上浮值。從圖8可以看出，相比原開挖方案即未采取任何保護方式措施，豎井工法開挖基坑由于小范圍的分級卸載土體，影響土體范圍較小，故隧道產(chǎn)生的上浮較小，開始開挖豎井間的土體時，土體間產(chǎn)生卸載應(yīng)力，導(dǎo)致坑底土體上浮，但在上浮過程中，豎井間土受到豎井井身的摩擦力，同時，因為抗浮板已經(jīng)施作，豎井下的土受到抗浮板的壓力，在這個過程中，上浮的土體受到較大的阻力，因此有效地控制了隧道上浮，使其上浮最大值由27.79 mm下降至20.70 mm，下降了28.4%。另外，分塊開挖基坑由于土體變形積累效應(yīng)的結(jié)果，使得最后一塊(即第4塊)引起的隧道的上浮值明顯高于其他塊。坑底加固措施可抑制加固區(qū)范圍內(nèi)隧道上浮值，此規(guī)律與基坑豎向位移變化規(guī)律(圖7)相同。

圖8 不同措施下隧道右線上浮值Fig.8 The floating value of the right line under different measures

5.2 豎井開挖下隧道位移發(fā)展規(guī)律

為更好地分析豎井開挖基坑控制隧道上浮發(fā)展規(guī)律，研究了豎井分步開挖過程中每一小步引起的隧道上浮增量，豎井工法開挖基坑步驟如圖1所示。圖9為基坑開挖第三層土體豎井開挖下隧道右線上浮值。

圖9 豎井分步開挖下隧道右線上浮值Fig.9 The floating value of the right line of the lower tunnel is excavated by the shaft step by step

從圖9中可以看出，基坑開挖第三層土，每塊土體的開挖都會引起隧道一定的上浮，由于C、D區(qū)域位于右線隧道的上方，C、D區(qū)域開挖時引起的隧道上浮增量相對于A、B區(qū)域豎井開挖較明顯，最后一個區(qū)域(E區(qū)域)開挖引起的隧道上浮遠大于其他區(qū)域開挖，這是由于豎井工法開挖基坑的分級卸荷，最后一個區(qū)域由于開挖變形效應(yīng)的累加，使得開挖引起的上浮較大，最后由于抗浮板的施作，與抗拔樁形成門式抗浮結(jié)構(gòu)，使隧道上浮值抑制在控制范圍內(nèi)。

5.3 隧道埋深與上浮的關(guān)系

為進一步研究豎井開挖基坑對隧道上浮的控制規(guī)律，針對不同隧道埋深因素建立模型，分析豎井工法開挖基坑控制不同埋深下隧道上浮規(guī)律，分別為隧道距坑頂埋深H=17、19、21、23、25、27 m共6組工況，各模型建模過程如下：①生成初始應(yīng)力場；②位移清零后，激活圍護樁與隧道兩側(cè)抗拔樁；③按豎井開挖工法A～E區(qū)域1 m/層開挖至隧道拱頂上方1 m；④拆除豎井；⑤施作抗浮板。卸載率a由開挖深度與隧道距坑頂埋深比值體現(xiàn)。圖10 為不同隧道埋深情況下豎井開挖深度對隧道上浮的影響。

圖10 豎井開挖深度對隧道上浮的影響Fig.10 The influence of shaft excavation depth on tunnel buoyancy

從圖10可以看出，使用豎井工法開挖深基坑，在開挖深度較低情況下，隧道上浮與開挖深度呈線性關(guān)系，隨著開挖深度增加開始向非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化，且隧道距坑頂埋深較小情況下非線性關(guān)系更為明顯。將開挖深度歸一成卸載率后結(jié)果如圖11所示。

圖11 土體卸載率對隧道變形的影響Fig.11 Influence of soil unloading rate on tunnel deformation

通過數(shù)值模擬結(jié)果(圖11)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道埋深較大時，相同卸載率下由于隧道上方土層厚度較大，基坑底部土體變形對隧道上浮影響較小，相反當(dāng)隧道埋深較小時，對隧道上浮影響較大。豎井工法開挖基坑的原理是通過豎井隔墻實現(xiàn)分級卸載，土體間受到卸載應(yīng)力的作用，在豎井周圍形成了一個小的土應(yīng)力拱，使土體影響范圍縮小，最后使隧道上浮抑制在控制線以內(nèi)。

當(dāng)隧道距坑底埋深大于9.5 m和小于7.5 m情況下，卸載率與隧道上浮趨勢有所不同，可能的原因是當(dāng)埋深較深時，豎井開挖土體影響深度較小，在分級卸載的情況下使土體的卸載面積及影響范圍較淺最后使卸載率與上浮值關(guān)系曲線發(fā)展成下凹形拋物線趨勢；當(dāng)隧道埋深較淺時，隨著卸載率的增加曲線斜率逐漸增大，最后由于豎井間隔開挖較大，變形效應(yīng)的積累導(dǎo)致隧道上浮增長較快。現(xiàn)場工程由于卸載率較小，且隧道埋深相對較深，使得實測中呈現(xiàn)圖5的線性關(guān)系。

5.4 隧道上浮預(yù)估

下臥隧道上浮過大將嚴重影響地鐵隧道的安全運營，采用豎井工法開挖基坑通常以隧道埋深判斷還是否需要增加保護措施。以本工程為例，采用豎井工法開挖基坑，僅考慮隧道兩側(cè)施作抗拔樁進行保護，研究表明隧道的上浮值與卸載率與隧道埋深相關(guān)，因此有必要設(shè)計判定標(biāo)準(zhǔn)確定豎井開挖過程中是否需要追加保護方案，僅施作抗拔樁在土層較敏感地區(qū)偏不安全。

為了使數(shù)值模擬結(jié)果得到簡便應(yīng)用，對圖11的曲線進行擬合，得到擬合公式如式(1)、式(2)所示：

u=-0.29a3+7.81a2+9.34a+8.11，

17 m

(1)

u=-0.04a3-1.21a2+15.07a+5.85，

25 m

(2)

式中：u為隧道監(jiān)測點2上浮預(yù)估值；a為卸載率。

當(dāng)隧道距坑頂埋深在23～25 m時，可近似取式(1)、式(2)計算平均值。研究表明坑底加固對抑制下臥隧道上浮能起到較好作用，在類似案例中，可通過式(1)、式(2)初步估算隧道上浮值，若豎井開挖控制隧道上浮預(yù)估值超過控制值，可考慮坑底加固方式控制下臥隧道上浮。

6 結(jié)論

(1)采用豎井工法開挖基坑可有效控制下臥隧道上浮，開挖過程中隧道的上浮值與卸載率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

(2)豎井工法開挖基坑、分塊開挖基坑、坑底加固對控制下臥隧道上浮均有不同程度作用，相對而言，豎井工法開挖控制隧道上浮具有顯著的效果，坑底加固對抑制基坑底部土體上浮有較明顯的效果。豎井工法開挖基坑屬于小范圍的分級卸載，最后由于抗浮板的施作，與抗拔樁形成門式抗浮結(jié)構(gòu)，使隧道上浮值抑制在控制范圍內(nèi)。

(3)使用豎井工法開挖深基坑，在開挖深度較低情況下，隧道上浮與開挖深度呈線性關(guān)系，隨著開挖深度增加開始向非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化。隧道埋深較深時，卸載率與上浮值關(guān)系曲線發(fā)展成下凹形拋物線趨勢；當(dāng)隧道埋深較淺時，隨著卸載率的增加曲線斜率逐漸增大。

(4)坑底加固對抑制下臥隧道上浮能起到較好作用，在豎井工法施工過程中，可通過式(1)、式(2)初步估算隧道上浮值，若豎井開挖控制隧道上浮預(yù)估值超過控制值，可考慮坑底加固方式控制下臥隧道上浮。