基坑開挖對緊鄰下臥地鐵隧道變形的影響與控制研究

吳劍秋 孫 旻 蔡慶軍 杜佐龍 王朝龍

1.中國建筑第八工程局有限公司 上海 200135；2.中國建筑第八工程局有限公司華南分公司 廣東 廣州 510663

隨著城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)和軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，已建地鐵隧道與新建地下工程之間的沖突日益突出，在運(yùn)營地鐵隧道上方進(jìn)行的基坑工程不斷出現(xiàn)。

已建隧道上方基坑開挖，必然破壞原有土體應(yīng)力平衡，引起坑內(nèi)土體回彈，造成隧道發(fā)生較大位移和變形。隧道變形過大，輕則引起接縫漏水、管片開裂，重則導(dǎo)致地鐵無法安全運(yùn)營，所以對已運(yùn)營地鐵隧道的變形控制要求極為嚴(yán)格，隧道變形的控制好壞決定著工程的成敗。因此準(zhǔn)確預(yù)測和有效控制地鐵隧道的變形已經(jīng)成為此類工程成功的關(guān)鍵。

近年來，眾多學(xué)者對地鐵上方基坑工程施工引起的隧道變形及相應(yīng)的控制措施進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐工作。陳仁朋等[1]研究了大型地下通道開挖對下臥地鐵隧道上浮的影響，研究表明，下臥地鐵隧道的上浮變形與卸載率近似呈線性關(guān)系；郭鵬飛等[2]對國內(nèi)39例上跨隧道基坑工程進(jìn)行了分類總結(jié)，分析了隧道最大隆起變形與基坑開挖深度、卸荷比和基坑開挖面積等因素的關(guān)系，并給出了隧道最大隆起變形的預(yù)測模型；鄭剛等[3]對緊鄰地鐵上方基坑工程的施工過程進(jìn)行了動態(tài)數(shù)值模擬，分析了隧道兩側(cè)土體加固、澆筑底板與抗浮樁形成“保護(hù)箍”及堆載等措施對地鐵隧道的影響及其有效性；溫鎖林[4]、李健津等[5]對緊鄰地鐵上方基坑開挖的保護(hù)措施進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

本文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，以深圳機(jī)場衛(wèi)星廳中區(qū)基坑工程為背景，采用Plaxis 3D有限元軟件對衛(wèi)星廳基坑開挖的動態(tài)施工過程進(jìn)行了模擬[6-8]。在此基礎(chǔ)上，研究了不同開挖方案對下臥地鐵隧道變形的影響，對比分析了轉(zhuǎn)換板和轉(zhuǎn)換梁2種措施對緊鄰下臥地鐵隧道上浮變形的控制效果。

1 工程概況

深圳機(jī)場衛(wèi)星廳位于已建深圳機(jī)場T3航站樓及待建深圳機(jī)場T4航站樓之間，建筑面積238 900 m2，分為西北指廊、西南指廊、東北指廊、東南指廊和中央指廊5塊區(qū)域。深圳機(jī)場衛(wèi)星廳中區(qū)基坑工程是深圳機(jī)場衛(wèi)星廳及其配套工程的一部分，位于機(jī)場衛(wèi)星廳中央指廊中段。中區(qū)基坑工程包括中央指廊基坑及其兩側(cè)與機(jī)場捷運(yùn)（APM）和行李通道連接區(qū)間基坑。工程所處地質(zhì)自上而下依次為：素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖。工程所在處地下水較為豐富。

衛(wèi)星廳中央指廊基坑底板與地鐵隧道頂板最短距離不足0.3 m。為控制下臥地鐵隧道上浮變形，擬施做轉(zhuǎn)換板或轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星廳及中區(qū)基坑平面布置如圖1所示。衛(wèi)星廳中區(qū)基坑與地鐵隧道的位置關(guān)系平面如圖2所示。明挖地鐵隧道斷面如圖3所示。

圖1 衛(wèi)星廳及中區(qū)基坑平面布置

圖3 明挖地鐵隧道斷面

1.1 基坑開挖方案

基坑開挖階段，充分利用基坑開挖“空間效應(yīng)”可有效控制坑底土體的隆起變形和下臥隧道上浮變形，即應(yīng)減小隧道上方土體卸載量。因此，中區(qū)基坑施工采用分層分塊開挖。具體開挖方案如下：首先，基坑整體向下放坡開挖2 m，施工降水井、轉(zhuǎn)換板（梁）下嵌巖樁及攪拌樁止水帷幕；然后，分段開挖地鐵11號線上方留土。參考以往工程經(jīng)驗(yàn)，提出3種分段開挖方案：

1）方案一：從中間向兩端開挖。從基坑中間向兩端開挖，轉(zhuǎn)換板分24段12組施工，分段寬度約6.0 m，基坑土體開挖順序按照①—12編號進(jìn)行，底板按①—12順序分段施工，澆筑混凝土底板，形成抗浮板體系。方案一基坑開挖順序如圖4所示。

圖4 分段開挖方案一橫截面

2）方案二：從兩端向中間開挖。從基坑兩端向中間開挖，轉(zhuǎn)換板分24段12組施工，分段寬度為6 m左右。基坑土體開挖順序按照①—12編號進(jìn)行，底板按①—12順序分段施工。方案二基坑開挖順序如圖5所示。

圖5 分段開挖方案二橫截面

3）方案三：跳倉開挖。將基坑隔塊開挖，轉(zhuǎn)換板分24段4組施工，分段寬度為6 m左右。基坑土體開挖順序按照①—④組編號進(jìn)行，底板按①—④組編號分段施工。方案三基坑開挖順序如圖6所示。

圖6 分段開挖方案三橫截面

1.2 地鐵保護(hù)方案

為控制基坑開挖引起的下臥地鐵隧道上浮變形，提出在基坑底部設(shè)置轉(zhuǎn)換板或轉(zhuǎn)換梁的方案。

1）轉(zhuǎn)換板方案。中區(qū)轉(zhuǎn)換板及北端APM區(qū)間轉(zhuǎn)換板為兩跨板式結(jié)構(gòu)（跨度12.5 m），南端轉(zhuǎn)換板為單跨板式結(jié)構(gòu)（跨度25.0 m）。板厚為1.6 m，局部1.2、2.0 m。轉(zhuǎn)換板下方布置3排樁基（南端APM區(qū)間布置2排樁基）。樁基沿隧道縱向布置，間距約6 m，樁長38 m，嵌入微風(fēng)化巖中不少于0.5 m。兩側(cè)樁基樁徑為1.5 m，中間樁基樁徑為1.2 m。所有樁基均采用鉆孔灌注樁。轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)平面如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)平面

2）轉(zhuǎn)換梁方案。轉(zhuǎn)換梁為兩跨結(jié)構(gòu)（跨度12.5 m），采用梁式結(jié)構(gòu)。橫梁寬2.5 m、厚2.0 m（局部寬3.6 m、厚2.0 m），縱梁寬1.8 m、厚2.0 m。樁基的布置形式與轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)相同，也采用鉆孔灌注樁施工。轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)平面如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)平面

2 基坑開挖對下臥地鐵隧道變形的影響分析

2.1 幾何模型建立

本文采用Plaxis 3D軟件對既有地鐵隧道上方的基坑開挖施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬。計(jì)算模型尺寸取為400 m×300 m×80 m，模型中基坑底部開挖范圍為144 m×30 m，基坑開挖深度為7.5 m，基坑放坡系數(shù)取實(shí)際值1∶3。模型中土層利用實(shí)體單元，采用土體硬化模型（HS模型）。明挖隧道結(jié)構(gòu)采用plate單元進(jìn)行模擬，板單元截面尺寸與實(shí)際尺寸相同。為分析不同基坑開挖方案對下臥地鐵隧道變形的影響，本節(jié)計(jì)算模型未考慮地鐵保護(hù)措施，根據(jù)3種不同開挖方案建立3個基坑模型。基坑整體有限元模型如圖9所示。

圖9 基坑整體有限元模型

2.2 材料參數(shù)確定

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告提供的試驗(yàn)成果，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算模型的主要土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道結(jié)構(gòu)的彈性模量為33 500 MPa，重度為25 kN/m3，泊松比為0.2。計(jì)算中假設(shè)地下水位線為地表面。

2.3 計(jì)算工況

為分析基坑開挖對下臥隧道變形的影響，根據(jù)不同基坑開挖方案，分別建立3種計(jì)算工況，如表2所示。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

由數(shù)值分析結(jié)果可知，工況1隧道結(jié)構(gòu)最大豎向（隆起）位移為7.78 mm，最大側(cè)向位移為3.61 mm；工況2隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為7.79 mm，最大側(cè)向位移為3.52 mm；工況3隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為7.69 mm，最大側(cè)向位移為3.40 mm。不同工況隧道豎向位移隨基坑卸載率的變化曲線如圖10所示。對比3種開挖方案，跳倉法施工的隧道最終豎向隆起最小，且施工過程中基坑卸載造成的隧道隆起明顯小于其他方案。圖11～圖13為3種工況各施工步左右兩側(cè)隧道的最大位移。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，跳倉法施工造成的兩側(cè)隧道差異沉降（隆起）最小。

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 基坑開挖計(jì)算工況

圖10 不同工況隧道豎向位移隨基坑卸載率的變化曲線

圖11 工況1各施工步左右兩側(cè)隧道豎向位移

圖12 工況2各施工步左右 兩側(cè)隧道豎向位移

圖13 工況3各施工步左右兩側(cè)隧道豎向位移

3 基坑開挖對下臥地鐵隧道變形的控制分析

3.1 有限元模型建立

為對比分析轉(zhuǎn)換板和轉(zhuǎn)換梁2類不同結(jié)構(gòu)對下臥地鐵隧道變形的控制效果，在方案一模型的基礎(chǔ)上，分別增加轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)模型。其中，轉(zhuǎn)換板采用plate單元模擬，轉(zhuǎn)換梁采用beam單元模擬，鉆孔灌注樁采用embedded beam單元模擬，轉(zhuǎn)換板和轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)模型尺寸參照實(shí)際工程。轉(zhuǎn)換板和轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)模型如圖14和圖15所示。轉(zhuǎn)換板和轉(zhuǎn)換梁均采用C20混凝土。梁板結(jié)構(gòu)彈性模量為25 500 MPa，重度為24.5 kN/m3，泊松比為0.2；鉆孔灌注樁彈性模量為30 000 MPa，重度為24.5 kN/m3，泊松比為0.2，樁端反力為10 000 kN。

圖14 轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)模型

圖15 轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)模型

3.2 計(jì)算工況

為分析基坑開挖過程中轉(zhuǎn)換板和轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)對下臥隧道變形的控制效果，分別建立2種計(jì)算工況，如表3所示。

表3 計(jì)算工況

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

由數(shù)值分析結(jié)果可知：施做保護(hù)結(jié)構(gòu)后，工況4隧道結(jié)構(gòu)最大豎向（隆起）位移為6.54 mm，最大側(cè)向位移為3.50 mm；工況5隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為6.88 mm，最大側(cè)向位移為3.42 mm。不同工況隧道豎向位移隨施工步的變化曲線如圖16所示。

圖16 不同工況隧道豎向位移隨施工步的變化曲線

對比有無保護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)可有效減小隧道隆起；對比轉(zhuǎn)換板和轉(zhuǎn)換梁，由于轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)自重對下臥隧道隆起的抑制作用，故施做轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)的隧道隆起更小。此外，在轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)施工中，梁分段澆筑，節(jié)點(diǎn)較多，鋼筋綁扎及混凝土澆筑的難度大，不利于分段分層施工。同時，轉(zhuǎn)換梁施工速度慢，基坑暴露時間長，不利于控制地鐵隧道回彈。因此，綜合考慮隧道變形控制效果和施工便利性，轉(zhuǎn)換板方案在施工質(zhì)量保證、施工速度和安全性等方面更具有優(yōu)勢，在實(shí)際施工中推薦采用。

4 結(jié)語

通過深圳機(jī)場衛(wèi)星廳基坑開挖卸載對下臥地鐵隧道影響與控制的數(shù)值分析，可得到以下結(jié)論：

1）基坑開挖對其下部的地鐵隧道有明顯的影響。基坑開挖卸荷使土體發(fā)生變位，帶動土體中的隧道產(chǎn)生位移，由于隧道相對土層的剛度較大，故隧道的變形以剛體變位為主，且體現(xiàn)為豎向上抬。

2）計(jì)算表明，“分層分塊”和對稱開挖能將基坑開挖引起的地鐵隧道變形控制在允許范圍內(nèi)，但施工中仍應(yīng)加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測。對照3種不同開挖方案，跳倉開挖引起的隧道最終隆起變形和兩側(cè)隧道差異沉降最小，實(shí)際施工時應(yīng)優(yōu)先考慮。

3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在基坑開挖施工中，施做轉(zhuǎn)換梁或轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)可有效減小地鐵隧道隆起變形。對比分析2種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換板在控制效果、施工便利性和施工速度方面更具優(yōu)勢。