鄰近基坑開挖順序對既有隧道的變形影響分析

朱國權 ,陸 幸 ,司壹恒 ,葉俊能

（1.中化地質礦山總局浙江地質勘查院,浙江 杭州 310002;2.寧波市軌道交通集團有限公司,浙江 寧波 315010;3.寧波大學 巖土工程研究所,浙江 寧波 315211）

隨著我國城市化進程的發展,城市中人口密集,土地資源有限,不可避免會出現新建構筑物與既有地下交通隧道緊鄰的情況.常見基坑都具有開挖區域寬廣,開挖深度大以及周邊地下環境狀況復雜的特點[1],而地鐵隧道作為重要的運輸方式也有著嚴格的保護要求[2],因此如何在近接隧道的基坑施工過程中,嚴格控制基坑自身安全及隧道變形已經成了巖土學者密切關注的技術難題之一.

Sharma 等[3]通過實驗發現開挖施工過程中引起隧道水平位移朝向基坑側,豎向位移向地面側,其中最大水平位移發生在隧道頂部,最大豎向位移發生在靠近基坑一側.況龍川等[4]研究發現隧道豎向位移方向與其周邊土體位移相關,且基坑開挖造成隧道周邊地應力是在不斷變化的.陳郁等[5]通過現場試驗發現基坑開挖導致坑底土體應力場發生變化,從而發生坑底土體回彈,造成隧道產生向地面側的豎向變形.孔令榮等[6]提出隧道結構的位移變形主要受基坑與隧道間的相對距離以及開挖過程中時空效應兩方面的影響.邵華等[7]發現對隧道影響最大的因素是基坑圍護結構的變形和基坑坑底土體回彈隆起,考慮到時空效應的影響,提出對基坑進行分區順序開挖,可有效地控制隧道結構的位移變形.伍尚勇等[8]利用Midas/GTS 研究了既有隧道兩側深基坑在不同開挖順序施工時,對隧道結構內力和位移變形的影響.左殿軍等[9]選用了ABAQUS 數值模擬軟件,研究基坑近接開挖施工對既有隧道的擾動影響.劉方梅[10]則選取了HSS 土體計算模型來研究基坑和既有隧道的空間位置、基坑分區開挖、隧道周邊土體擾動、地下水水位和單雙基坑同時開挖施工等多種工況下對隧道結構的影響.王罡[11]利用ANSYS 有限元分析軟件分析了基坑開挖對隧道結構變形的擾動規律,提出了隧道結構變形的控制標準.鄭剛等[12]、杜一鳴[13]通過有限元方法研究了隔離樁對基坑的牽引作用,提出了最佳的隔離樁樁頭埋深.此外,魏少偉[14]、王強[15]、林杭等[16]都運用有限元對不同工況下基坑開挖對鄰近隧道的影響進行了研究.

本文以寧波軌道交通2 號線鼓外區間側方近接的綠地中心深基坑工程為案例,采用現場試驗與數值模擬的方法,研究了深基坑開挖過程中對既有運營隧道的變形影響規律,并探討了基坑開挖順序和隔離樁設置方式的影響,可為類似工程提供參考.

1 基坑開挖對隧道影響測試

1.1 工程概況

寧波綠地中心項目基坑面積約41 000 m2,周長約885 m.基坑采用分區順作開挖方式,被劃分為6 個區域開挖,其中Ⅱ區又被劃分為5 個基坑,共10 個基坑,分階段進行開挖(圖1).基坑開挖順序如下:Ⅰ區→III 區→II-D 區→IV 區、Ⅴ區→II-E區→II-A 區→II-B→II-C 區→VI 區.在前個區域地下室結構施工完成后,才可進行下個區域的基坑開挖.

鼓外區間隧道直徑為6.2 m,中心距為13.8 m,隧道頂埋深約9 m,底埋深約15.2 m,隧道位于基坑西北側,距離綠地中心地下室最近距離約為11.5 m.由于本項目距軌道交通2 號線鼓外區間隧道較近(圖1),地鐵保護工作要求較高.在基坑開挖過程中,對隧道水平位移、隧道沉降、道床沉降等進行監測.

對鼓外區間隧道進行測點布設,隧道內每5 環(6 m)布設1 個監測斷面,上行線隧道共布設22 個監測點(圖2).

圖2 監測結果分析所選取數據點示意圖

1.2 測試結果

1.2.1 隧道水平位移

圖 3 為基坑各分區開挖完成后隧道拱頂水平位移變化圖.隧道水平位移隨著各區域開挖,整體增大,位移最大出現在DMS-13C 的位置,最大水平位移為14.6 mm.隧道結構水平位移主要受I 區和II 區開挖影響較大.前期I 區、III 區施工時,隧道前部靠近該區域的部分水平位移增加較大,其余部分變形較小.II 區各分基坑施工時隧道中部靠近該基坑的部分水平位移增加較大,其中II-E 區、II-B 區、II-C 區的3 個距離隧道較近的分基坑開挖時,隧道水平位移增量最大;而隧道的后部由于距離基坑相對較遠,因此水平位移整體變化不大,且在基坑施工的后期發生了回彈.

圖3 分區開挖完成后隧道拱頂水平位移變化

圖 4 為DMS-13C 點位移時程圖.由圖可見,在I 區及III 區開挖完畢后,該監測點處隧道水平位移為負值,即位移趨向于遠離基坑方向;在II-D 區開挖施工后,隧道該點處才開始向基坑側發生水平位移,并隨著其余各基坑的開挖而逐漸增加;其中水平位移增量最大的施工階段為II-E 區、II-B 區、II-C 區的3 處分基坑的開挖施工,位移增量均在3 mm 以上,這3 個分基坑在空間關系上與隧道距離最近,且在II-E 區進行施工開挖時,水平位移增量最大,達到4.3 mm.

圖4 最大位移點時程變化

1.2.2 隧道沉降

圖 5 和圖6 分別為各分區開挖完成后隧道拱頂、拱底沉降變化圖.由圖可見,隧道拱頂沉降和拱底沉降變化趨勢基本一致,且都隨著基坑區域的開挖而逐漸增大,拱頂最大沉降出現在DMS-13C 處,最大拱頂沉降為-25.8 mm;拱底沉降最大出現在JS-13D 處,最大拱底沉降為-25.0 mm,最終隧道拱頂沉降量略大于拱底沉降.

圖5 分區開挖完成后隧道拱頂沉降變化

圖6 分區開挖完成后隧道拱底沉降變化

在各區域分階段開挖施工中,在開挖如III 區、II-D 區、II-E 區面積較大的分基坑時,隧道沉降變化量也相對較大.

圖 7 為拱頂、拱底沉降時程變化圖.可見隧道拱頂與拱底的下沉量隨各個基坑的開挖施工中逐漸增加,且整個基坑開挖過程中,隧道拱頂沉降始終大于拱底沉降.在圖中沉降變化量較大施工區域為III 區、II-D 區、II-E 區以及II-C 區.其中II-C區分基坑施工過程中沉降量變化值較大,是因為隧道與該區域基坑距離較近,III區雖然與隧道距離較遠,但由于其開挖面積較大,隧道沉降也較大,II-D 和II-E 區開挖面積大,隧道沉降也大.

圖7 拱頂、拱底沉降時程變化

1.2.3 道床沉降

在圖8 和圖9 分別為隧道左線和右線道床沉降變化圖.由圖可見,隨著各分區基坑的開挖,道床沉降逐漸增大,左右線變化趨勢基本一致,最大沉降均出現DCS-13 測點處,左側隧道沉降最大值為-14.6 mm,右側隧道沉降最大值為-13.9 mm.在各區域分階段開挖施工中,開挖面積較大的分基坑如II-D 區、II-E 區等開挖時,隧道的道床沉降變化量也較大,可見道床沉降除了與基坑和隧道距離有關之外,與基坑面積也有關.

圖8 分區開挖完成后隧道左側道床沉降變化

圖9 分區開挖完成后隧道右側道床沉降變化

2 基坑開挖順序對隧道影響有限元模擬

對于鄰近軌道交通的基坑開挖是先遠坑后近坑,還是先近坑后遠坑有一定的爭論.為此,本節采用有限元方法討論基坑分區、分塊開挖順序對隧道變形的影響.通過設置4 個新的工況(表1)與原開挖工況(工況一)的計算結果進行對比,分析開挖順序對既有隧道變形的影響.

表1 不同工況各施工階段開挖區域

2.1 模型的建立

采用PLAXIS 3D 模擬寧波綠地中心基坑開挖順序對隧道影響.模型尺寸為長400 m,寬330 m,深度55 m,初始地下水位為地下1.9 m.模型邊界條件為底部完全約束,上表面為自由面,其他面約定其法向位移.網格劃分如圖10 所示,總體網格密度為中等,網格單元數608 747,節點數為852 553.土體共劃分為9 層,采用HSS 本構模型,具體參數見表2.每層土體深度分別為2.6、1.3、4.0、13.7、7.4、5.1、9.5、3.1、8.3 m,土層總深度為55 m.

圖10 有限元模型

表2 土體HSS 模型參數

基坑近隧道側采用1 000 mm 厚、埋深46 m 地下連續墻,其他邊采用800 mm 厚、埋深41 m 地下連續墻,墻體的彈性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2;模型中隧道厚度0.35 m,采用板單元,其彈性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2.

2.2 模擬結果及分析

2.2.1 模型驗證

將工況一的模擬結果與現場實測結果進行對比(圖11和12所示),可以看出,計算模擬結果與實測結果基本吻合.在前期I、III 區、II-D 區以及IV、V 區分基坑進行開挖時,實測結果與模擬結果接近,驗證了模型的合理性.

圖11 隧道水平位移對比

圖12 隧道沉降對比

在II-E 區分基坑開挖階段,軌道交通開始運營,給隧道帶來了較大的影響,故II-E 區后續施工引起的隧道沉降結果大于模擬結果.

2.2.2 分區開挖順序影響

按表1 各工況給定的順序對基坑進行挖,隧道水平位移、沉降計算結果如圖13 和圖14 所示.對比所有工況的位移變化,工況五最終累計位移均小于其他工況,且除了開挖階段二之外,其余3 個階段增量位移也都小于其他工況中對應階段的位移增量.將工況五與工況一進行對比發現,將引起隧道變形最大的階段一安排在最后施工可以有效地減小隧道變形.

圖13 不同施工順序時隧道水平位移對比

圖14 不同施工順序時隧道沉降位移對比

將工況五與工況四進行對比,將距離隧道更近的II-C 區分基坑安排在距離基坑相對較遠的II-A 區分基坑之后進行施工時,隧道累計位移變形較小.將工況五與工況二進行對比分析,根據其計算結果可知,距離既有隧道最近的II-A 區、II-B 區、II-C 區在分隔開挖時,隧道累計位移變形較小.綜上,鄰近軌道交通的基坑開挖時,應先遠坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工順序.

3 結論

(1)基坑開挖完成后,既有隧道的最大水平位移、最大沉降均發生在與基坑距離最小處,且隧道拱頂沉降較拱底沉降大.

(2)隧道沉降與道床沉降受基坑分塊、分區開挖區域面積的影響較大,兩者關系呈正相關,即開挖區域基坑面積越大,隧道沉降和道床沉降變形增量越大.

(3)鄰近軌道交通的基坑開挖時,應先遠坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工順序.