基坑施工對已建成隧道的影響及相應(yīng)地鐵保護(hù)措施研究

葉逢春，夏霄，甘鵬路,2

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311225）

1 概述

隨著東南部城市建設(shè)飛速發(fā)展，規(guī)劃建筑往往與已有隧道緊密相鄰，不可避免地會在已建地鐵隧道附近新建基坑工程。基坑開挖施工會造成開挖卸荷，由此產(chǎn)生的應(yīng)力場和土體位移變化對鄰近的已有地鐵隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形。濱海地區(qū)軟土受擾動之后發(fā)生弱化，會使工程問題更為復(fù)雜。

針對基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響的研究方式主要有理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等。數(shù)值模擬方法能實(shí)現(xiàn)基坑開挖中的全過程模擬，可以較精確地計(jì)算出基坑及隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和位移。Zheng基于ABAQUS中的二維有限元數(shù)值分析方法，采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，得出基坑開挖過程中產(chǎn)生的土體主應(yīng)力方向改變，將使基坑中心以外的隧道朝向基坑中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)的結(jié)論。黃宏偉等采用三維有限元軟件PLAXISGiD中的土體硬化本構(gòu)模型，模擬上海地區(qū)軟弱黏土層，分析了上海外灘通道開挖對下臥越江公路隧道的影響規(guī)律，同時(shí)對土體加固和坑底堆載這兩種隧道保護(hù)措施進(jìn)行評價(jià)。

目前相關(guān)研究僅針對基坑開挖過程對已建隧道的影響。濱海軟土具有高含水，低強(qiáng)度，高壓縮性的特點(diǎn)，開挖基坑后，后期基坑施工也會對已建成隧道造成影響。本文以杭州某商業(yè)綜合體項(xiàng)目為例，采用有限元計(jì)算軟件PLAXIS 3D模擬，分析一期地下室結(jié)構(gòu)施工及頂板覆土施工對已建成隧道的影響，研究了相應(yīng)地鐵保護(hù)措施控制隧道位移的效果。

2 工程概況

杭州某商業(yè)綜合體項(xiàng)目，總建筑面積184500m，地下室建筑面積73500m。該項(xiàng)目分一層地下室和二層地下室，一層地下室基坑開挖深度5.20m～6.60m，二層地下室基坑開挖深度約為9.40m～10.20m，詳見圖1所示。基坑北側(cè)目前為現(xiàn)狀空地；東北側(cè)埋設(shè)有中航已建輸油管道；東側(cè)為現(xiàn)狀空地，地下埋設(shè)有中航已建輸油管道；東北側(cè)為現(xiàn)狀河道，駁岸距離本項(xiàng)目基坑圍護(hù)外邊線最近距離約17m；南側(cè)為現(xiàn)狀空地及機(jī)場高速。本項(xiàng)目一層地下室位于杭州軌道交通7號線（2019年2月推進(jìn)盾構(gòu)）正上方，7號線盾構(gòu)隧道埋深為16.1m～17.53m。

圖1 基坑平面布置圖

工程場地原始地貌單元屬錢塘江沖海積平原，場地現(xiàn)狀主要為耕地和苗木地，地形總體平坦。擬建基坑場地巖土層自上而下主要有：1-1素填土，厚度為0～1.3m；2-1粘質(zhì)粉土，厚度為1.00m～4.20m；2-2砂質(zhì)粉土，厚度為4.10m～9.50m；2-3粉砂，厚度為3.40m～10.80m；2-4砂質(zhì)粉土，厚度為4.20～16.30m；3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度為5.20m～13.50m；4粘土層厚，厚度為3.80m～9.10m；5粉質(zhì)粘土，厚度為7.20m～15.10m；6-1粉砂，厚度為0.90m～5.40m；6-2圓 礫 ，厚 度 為7.00m～13.20m。各巖土層的主要物理、力學(xué)指標(biāo)詳見表1。一層地下室基坑開挖范圍主要土層1-1素填土、2-1粘質(zhì)粉土、2-2砂質(zhì)粉土。

巖土層的主要物理、力學(xué)指標(biāo) 表1

建設(shè)場地?zé)o強(qiáng)透水層，場地地下水主要為潛水。6-1粉砂、6-2圓礫中存在承壓水，穩(wěn)定水位埋深一般在6.0m～7.0m，標(biāo)高為-1.00m～-2.00m。

3 地鐵保護(hù)措施

本項(xiàng)目一層地下室位于杭州軌道交通7號線（2019年2月推進(jìn)盾構(gòu)）保護(hù)范圍內(nèi)，考慮到軌道交通設(shè)施保護(hù)要求，避免本項(xiàng)目對盾構(gòu)推進(jìn)造成不利影響，本項(xiàng)目考慮分期實(shí)施，項(xiàng)目一期（一層地下室）于盾構(gòu)推進(jìn)前完成底板澆筑，并與打設(shè)的抗拔樁形成完整抗拔體系。采取的地鐵保護(hù)措施如下。

①對本項(xiàng)目基坑進(jìn)行分塊施工設(shè)計(jì)，嚴(yán)控工程時(shí)間節(jié)點(diǎn)。要求一期基坑（一層地下室）于杭州軌道交通7號線盾構(gòu)推進(jìn)（2019年2月份）前完成底板澆筑。

土體HSS模型參數(shù)表 表2

②如圖2所示，在一期基坑內(nèi)沿7號線盾構(gòu)方向布設(shè)3排抗拔樁，與底板共同形成完整的抗拔體系。

圖2 抗拔樁平面布置示意圖

③使用TRD水泥土墻作為止水帷幕，墻底進(jìn)入3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土不小于2m，在平面布置上形成封閉區(qū)間，有效隔斷降水區(qū)域與軌道交通設(shè)施結(jié)構(gòu)所處區(qū)域的水力聯(lián)系。并對降水井的啟閉進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免降水對軌道交通設(shè)施造成不利影響。

4 數(shù)值模擬

考慮到杭州軌道交通7號線盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)（2019年2月）本項(xiàng)目一期基坑僅完成地下室底板。盾構(gòu)推進(jìn)完成后仍需進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)施工并完成頂部覆土。

為分析后期施工對已建成隧道的影響，本文采用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行模擬分析。為充分考慮軟土的非線性卸荷和剪切硬化，剪切模量在小應(yīng)變范圍內(nèi)隨應(yīng)變衰減的規(guī)律，本文采用小應(yīng)變硬化土模型（HSS模型）作為數(shù)值模擬的本構(gòu)模型。HSS共有11個(gè)參數(shù)，其中c′，φ′和剛度參數(shù)參照本項(xiàng)目勘察報(bào)告，小應(yīng)變參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得。具體取值如表2所示。

根據(jù)本項(xiàng)目建筑總圖，軌道交通7號線盾構(gòu)隧道上方為一層地下室及中央花園，回填后地表高程為6.90m，即地下室頂板覆土厚度為1.5m。數(shù)值計(jì)算中將該部分內(nèi)容考慮為超載，其中一層地下室超載大小為15kPa，覆土超載大小為1.5kPa×20kPa=30kPa，共計(jì)45kPa。

有限元計(jì)算模型如圖3所示。確保分析結(jié)果不受邊界約束的影響，模型的X方向取300m，Y方向取200m，Z方向（厚度方向）取70m。項(xiàng)目地下室與地鐵盾構(gòu)隧道的相對關(guān)系見圖4所示。

圖3 有限元分析模型

圖4 模型相對關(guān)系圖

圖5、圖6分別為一期地下室結(jié)構(gòu)施工及頂板覆土以后，地鐵盾構(gòu)隧道的水平、豎向位移曲線。根據(jù)上述三維數(shù)值分析結(jié)果，一期地下室結(jié)構(gòu)施工及頂板覆土對下穿地鐵盾構(gòu)隧道的變形影響如下：當(dāng)未打設(shè)抗拔樁時(shí)，左線盾構(gòu)隧道最大水平位移為0.55mm，最大豎向位移3.44mm；右線盾構(gòu)隧道最大水平位移為0.6mm，最大豎向位移3.54mm。當(dāng)考慮打設(shè)三排抗拔樁后，左線盾構(gòu)隧道最大水平位移為0.15mm，最大豎向位移1.44mm；右線盾構(gòu)隧道最大水平位移為0.22mm，最大豎向位移1.47mm。由此可見，采用地鐵保護(hù)措施后，地鐵盾構(gòu)隧道的最大水平和最大豎向位移分別降低63%和54%。

圖5 盾構(gòu)隧道水平位移

圖6 盾構(gòu)隧道豎向位移

本項(xiàng)目下穿隧道為新建未鋪軌運(yùn)營隧道，安全狀況為IV類。對于安全狀況為“IV類”的未鋪軌盾構(gòu)隧道，其變形控制指標(biāo)為“水平變形＜20mm，豎向變形＜20mm，收斂變形＜20mm，車站與附屬交接處差異沉降＜16mm。故采用相應(yīng)地鐵保護(hù)措施后，本項(xiàng)目控制位移滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目一層地下室位于杭州軌道交通7號線（2019年2月推進(jìn)盾構(gòu)）保護(hù)范圍內(nèi)。項(xiàng)目采用分期實(shí)施，盾構(gòu)推進(jìn)前完成一期基坑底板澆筑，并在一期基坑內(nèi)沿7號線盾構(gòu)方向布設(shè)3排抗拔樁，與底板共同形成完整的抗拔體系，方案可行。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，采用相應(yīng)地鐵保護(hù)措施后，一期地下室結(jié)構(gòu)施工及頂板覆土施工對已建成隧道的影響降低，盾構(gòu)隧道最大水平位移為由0.6mm降低為0.22mm，最大豎向位移由3.54mm降低到1.47mm，本項(xiàng)目位移控制滿足規(guī)范要求。