黃土地區(qū)不同基坑卸載路徑對近接運(yùn)營地鐵隧道位移的影響*

劉 義，朱武衛(wèi)，張 峰，席 宇，楊 焜，李 哲，王寶玉，楊 曉

(1.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710082； 2.陜西建工第六建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 712000；3.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，城市密集區(qū)地下空間工程日益增多，基坑施工與近接地鐵安全運(yùn)營已成為焦點(diǎn)。對于深大基坑施工，由于開挖土方量大、工期緊，為確保基坑高效施工及地鐵安全運(yùn)營，在充分考慮深大基坑施工時(shí)空效應(yīng)對運(yùn)營地鐵影響的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取必要、合理的控制措施。基坑合理的開挖順序、降水路徑、卸載路徑及變形控制方案等需深入研究，為此，本文依托西安火車站北廣場改擴(kuò)建項(xiàng)目深大基坑工程，研究黃土地區(qū)不同基坑卸載路徑對近接運(yùn)營地鐵4號線隧道位移的影響，并對擬采取的隧道變形控制方案進(jìn)行對比分析。

1 工程概況

西安火車站北廣場改擴(kuò)建項(xiàng)目集公交、出租車、鐵路運(yùn)輸、軌道交通等于一體，主體設(shè)計(jì)為下沉式廣場，與地鐵4號線、擬建地鐵7號線無縫接駁。基坑長約1 000m，南北寬約140m，以北側(cè)丹鳳門為中軸線劃分為東、西區(qū)，分界區(qū)采用臺階法放坡。西區(qū)基坑設(shè)置3層地下結(jié)構(gòu)，最大埋深16.9m。東區(qū)基坑分為深基坑Ⅰ(西段)、淺基坑Ⅱ(東段)，深基坑Ⅰ設(shè)置5層地下結(jié)構(gòu)，最大埋深32.0m，其中，地下4，5層作為擬建地鐵7號線站廳和站臺，地下2，3層基坑側(cè)壁距地鐵4號線左線最短水平距離約7.0m；淺基坑Ⅱ設(shè)置1層地下結(jié)構(gòu)，埋深8.0m，基坑底距地鐵4號線最短垂直距離約6.1m。基坑場地平均標(biāo)高403.500m，地貌單元屬黃土梁洼，場地土自上而下依次為雜填土、黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土，場地穩(wěn)定水位埋深3.00～9.10m。

2 卸載路徑

由于基坑開挖范圍較大，結(jié)合GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[1]和DBJ 61—98—2015《西安城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[2]規(guī)定的黃土地區(qū)基坑開挖影響區(qū)范圍，本工程僅需考慮東區(qū)基坑施工對地鐵隧道的影響。東區(qū)基坑開挖采用明挖順作法，為對比分析，提出以下卸載路徑方案。

1)方案1 遵循先深后淺的開挖順序，首先自上而下分段分層開挖深基坑Ⅰ，將水位降至分層開挖面以下1.0～2.0m后開挖水位線以下土體，直至深基坑Ⅰ施工完畢；然后分段分層開挖淺基坑Ⅱ，將水位降至分層開挖面以下1.0m后開挖水位線以下土體，直至淺基坑Ⅱ施工完畢。

2)方案2 相鄰深淺基坑交錯(cuò)施工，深基坑Ⅰ地下4層及以上區(qū)域開挖同方案1，地下5層與淺基坑Ⅱ各區(qū)域分層降水與開挖同步交錯(cuò)施工，地下5層分層施工均先于淺基坑Ⅱ分層施工，直至淺基坑Ⅱ施工完畢。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

以隧道位移為重點(diǎn)研究對象，選取東區(qū)基坑1—1斷面(見圖1)，采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX建立二維平面應(yīng)變模型，如圖2所示。取分界區(qū)作為模型x向左邊界，取距地下1層止水帷幕距離為3倍淺基坑Ⅱ開挖深度的位置作為模型x向右邊界，取距地下5層坑底為2倍深基坑Ⅰ開挖深度的位置作為模型y向底邊界，整體模型尺寸為697m×100m(長×高)。支護(hù)樁采用通過抗彎剛度等效原則[3]換算的等效厚度板單元模擬，隧道襯砌采用梁單元模擬，對撐采用桁架單元模擬，角撐采用點(diǎn)彈簧單元模擬，土層采用平面應(yīng)變單元模擬，止水帷幕采用界面單元模擬，其剛度通過相鄰單元參數(shù)借助屬性助手自動計(jì)算。模型上邊界為自由邊界，左、右邊界均約束x向水平位移，底邊界同時(shí)約束x向水平位移和y向豎向位移。

圖1 東區(qū)基坑1—1斷面

土層采用修正莫爾-庫侖本構(gòu)模型[4]模擬，支護(hù)樁、隧道襯砌、對撐、角撐均采用線彈性本構(gòu)模型模擬。土體材料參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

表1 土體材料參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)卸載路徑方案，調(diào)用軟件“應(yīng)力-滲流-邊坡”模塊，采用“激活鈍化網(wǎng)格組”功能實(shí)現(xiàn)相鄰深淺基坑開挖、降水(設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭作為邊界條件，并在不同施工階段進(jìn)行激活鈍化)及支護(hù)施作等，各階段分層降水與分層開挖交錯(cuò)進(jìn)行，共52個(gè)分析步。依據(jù)地質(zhì)勘察資料，本工程所在區(qū)域地表標(biāo)高假定為403.500m，初始水位假定為397.500m。對于卸載路徑方案1，選取12個(gè)主要施工階段進(jìn)行分析：①階段1 清除雜填土，施作深基坑Ⅰ地下1～3層支護(hù)樁、止水帷幕，水位降至394.500m；②階段2 深基坑Ⅰ地下1層開挖完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)395.500m；③階段3 深基坑Ⅰ水位降至389.000m；④階段4 深基坑Ⅰ地下2層開挖完畢，角撐施作完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)390.000m；⑤階段5 深基坑Ⅰ水位降至385.000m；⑥階段6 深基坑Ⅰ地下3層開挖完畢，角撐施作完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)386.000m，地下4，5層支護(hù)樁、止水帷幕施作完畢；⑦階段7 深基坑Ⅰ水位降至379.500m；⑧階段8 深基坑Ⅰ地下4層開挖完畢，角撐施作完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)380.500m；⑨階段9 深基坑Ⅰ水位降至371.000m；⑩階段10 深基坑Ⅰ地下5層開挖完畢，內(nèi)撐、角撐施作完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)371.500m；階段11 淺基坑Ⅱ地下1層支護(hù)樁、止水帷幕施作完畢，水位降至394.500m；階段12 淺基坑Ⅱ地下1層開挖完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)395.500m。

對于卸載路徑方案2，同樣選取12個(gè)主要施工階段進(jìn)行分析，前8個(gè)階段與方案1相同，階段9為淺基坑Ⅱ地下1層支護(hù)樁、止水帷幕施作完畢，水位降至396.500m，開挖面標(biāo)高達(dá)397.500m，深基坑Ⅰ水位降至371.000m；階段10為深基坑Ⅰ地下5層開挖完畢，內(nèi)撐、角撐施作完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)371.500m；階段11為淺基坑Ⅱ水位降至394.500m；階段12為淺基坑Ⅱ地下1層開挖完畢，開挖面標(biāo)高達(dá)395.500m。

3.3 計(jì)算假定

結(jié)合地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)資料等，提出以下計(jì)算假定：①土層依據(jù)現(xiàn)場分布平均厚度均簡化為平整層；②地面超載考慮20kPa；③通過激活鈍化不同標(biāo)高節(jié)點(diǎn)水頭粗略考慮施工階段降水過程，未詳細(xì)考慮流速、流量等降水因素；④隧道襯砌橫向剛度折減75%，以考慮實(shí)際工程管片拼接的影響[5]。

(2)合同主義的立法，即需征得生母的同意之立法。在英國，依據(jù)1989年《兒童法》，任意認(rèn)領(lǐng)的生效要件是:夫妻雙方達(dá)成協(xié)議;協(xié)議必須“采用規(guī)定的形式”(in the prescribed form);向法院登記。“法院的功能是行政性的，而非司法性的;法院在登記時(shí)并不調(diào)查兒童的福利。”?在德國，“承認(rèn)自己為父的男子，須按照規(guī)定的形式作出單方的、無需受領(lǐng)的意思表示。承認(rèn)父的身份必須獲得母的同意(《德國民法典》第1595條第1款)。”?另一方面，根據(jù)“承認(rèn)”而“被認(rèn)定為父的男子，有可能并非子女的生父。為了矯正這種偏差，法律允許通過法院裁判撤銷父的身份”?。

4 隧道位移

對于卸載路徑方案1，分別選取左線隧道頂部、底部、左側(cè)、右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)T1-1，B1-1，L1-1，R1-1及右線隧道頂部、底部、左側(cè)、右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)T2-1，B2-1，L2-1，R2-1監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；對于卸載路徑方案2，分別選取左線隧道頂部、底部、左側(cè)、右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)T1-2，B1-2，L1-2，R1-2及右線隧道頂部、底部、左側(cè)、右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)T2-2，B2-2，L2-2，R2-2監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。水平位移正值表示偏離開挖區(qū)基坑方向，負(fù)值表示偏向開挖區(qū)基坑方向；豎向位移正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。

圖3 隧道位移

由圖3可知，不同方案下，對于卸載路徑相同的施工階段1～8，右線隧道水平、豎向位移基本重合，左線隧道水平、豎向位移變化趨勢一致，但數(shù)值存在一定差異；深基坑Ⅰ地下4層開挖完畢時(shí)(施工階段8)，左、右線隧道豎向位移最小值分別達(dá)-4.8，-4.0mm。不同方案下，對于卸載路徑不同的施工階段9～12，左、右線隧道水平位移變化趨勢基本一致，但數(shù)值存在一定差異，右線隧道累計(jì)水平位移基本相同；左、右線隧道豎向位移變化趨勢差異顯著，但累計(jì)豎向位移相差較小，這是側(cè)方深基坑Ⅰ卸載引起的隧道沉降和上方淺基坑Ⅱ卸載引起的隧道隆起疊加所致。

深基坑Ⅰ地下5層開挖完畢時(shí)(施工階段10)，對于方案1，左線隧道水平位移最小值達(dá)-13.0mm；左、右線隧道豎向位移最小值分別達(dá)-8.7，-5.8mm，處于沉降狀態(tài)。對于方案2，右線隧道水平位移最小值達(dá)-12.0mm，左、右線隧道豎向位移最大值分別達(dá)6.0，2.2mm，處于隆起狀態(tài)。

淺基坑Ⅱ地下1層開挖完畢時(shí)(施工階段12)，對于方案1，左線隧道水平位移最小值達(dá)-12.4mm，右線隧道水平位移最小值達(dá)-12.6mm，左、右線隧道累計(jì)水平位移相差較小，這是側(cè)方深基坑Ⅰ卸載、上方淺基坑Ⅱ卸載及相鄰未開挖土體共同引起的隧道土壓力不平衡所致，其受基坑施工階段的時(shí)空路徑影響不顯著；左、右線隧道豎向位移最大值分別達(dá)9.8，2.5mm，處于隆起狀態(tài)。對于方案2，左線隧道水平位移最小值達(dá)-11.9mm，右線隧道水平位移最小值達(dá)-12.6mm；左、右線隧道豎向位移最大值分別達(dá)10.4，2.6mm，處于隆起狀態(tài)，與方案1相差較小。

綜合考慮相鄰深淺基坑施工的相互影響，為縮短基坑施工工期，盡快提供主體結(jié)構(gòu)施工操作面，建議采用卸載路徑方案2。

5 變形控制

CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[6]規(guī)定隧道豎向位移、水平位移預(yù)警值均<10mm，控制值均<20mm。采用卸載路徑方案2后，左、右線隧道累計(jì)水平位移、豎向位移均未超過規(guī)范控制值，但左、右線隧道累計(jì)水平位移和左線隧道累計(jì)豎向位移均已超過規(guī)范預(yù)警值。

圖4 變形控制措施1加固示意

圖5 變形控制措施2加固示意

采取變形控制措施1建立模型時(shí)，土體加固區(qū)采用軟件提供的改變單元屬性功能實(shí)現(xiàn)，攪拌樁加固后的水泥土體采用彈性本構(gòu)模型模擬，結(jié)合現(xiàn)場水泥土攪拌樁取樣測試結(jié)果和文獻(xiàn)[13]研究成果，水泥摻量為8%，20%的加固區(qū)土體彈性模量分別取為100，300MPa，隔離樁采用通過抗彎剛度等效原則換算的等效厚度板單元模擬，止水帷幕采用界面單元模擬。采取變形控制措施2建立模型時(shí)，抗拔樁采用梁單元模擬，注漿加固后土體本構(gòu)模型同原土層，參考文獻(xiàn)[14-15]研究成果，將注漿土體彈性模量取為70MPa，黏聚力取為50kPa，內(nèi)摩擦角取為28°。

設(shè)置模型工況時(shí)，對于變形控制措施1，隔離樁、止水帷幕設(shè)置及隔離樁與側(cè)方深基坑Ⅰ支護(hù)樁間土體加固在深基坑Ⅰ施工前進(jìn)行，隧道頂部土體加固在深基坑Ⅰ地下4層施工完畢、淺基坑Ⅱ施工前進(jìn)行；對于變形控制措施2，抗拔樁設(shè)置與隧道左、右側(cè)土體加固在深基坑Ⅰ施工前進(jìn)行，隧道頂部土體加固在深基坑Ⅰ地下4層施工完畢、淺基坑Ⅱ施工前進(jìn)行。

經(jīng)計(jì)算分析，2種控制措施下，左、右線隧道位移隨基坑施工的發(fā)展規(guī)律與未采取控制措施時(shí)無明顯變化，這主要是因?yàn)榛有遁d路徑未發(fā)生變化。僅對2種控制措施下左、右線隧道最大位移進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 隧道最大位移對比

由圖6a，6b可知，對于施工階段1～8，采取2種控制措施后，左、右線隧道左、右側(cè)水平位移變化較小，控制措施1對左線隧道的加固效果較好，水平位移較未加固時(shí)小；2種控制措施對右線隧道的加固效果相當(dāng)。對于施工階段9～12，2種控制措施對左線隧道的加固效果存在一定差異，措施1優(yōu)于措施2；2種控制措施對右線隧道的加固效果相當(dāng)，但未有效控制隧道水平位移。

由圖6c，6d可知，對于施工階段1～8，采取2種控制措施后，左線隧道頂部隆起略有減小、沉降略有增大；深基坑Ⅰ地下4層開挖完畢時(shí)(施工階段8)，采取2種控制措施后，左線隧道頂部沉降均約為-5.2mm，較未加固時(shí)增大37%。對于施工階段9～12，左線隧道頂部由沉降變?yōu)槁∑穑∑疠^未加固時(shí)小；淺基坑Ⅱ地下1層開挖完畢時(shí)(施工階段12)，采取2種控制措施后，左線隧道頂部隆起分別達(dá)7.9，7.5mm，較未加固時(shí)分別減小24%，28%。2種控制措施對右線隧道豎向位移的影響較小。

6 結(jié)語

1)基坑卸載路徑對近接運(yùn)營地鐵隧道豎向位移發(fā)展具有一定影響，但不同路徑下累計(jì)豎向位移相差較小；隧道水平位移發(fā)展受基坑卸載路徑的影響較小。為縮短工期，采用卸載路徑方案2進(jìn)行深、淺基坑同步施工。

2)隔離樁+止水帷幕+土體攪拌樁、抗拔樁+土體注漿加固措施對左、右線隧道水平位移的發(fā)展無明顯改善作用，隔離樁+止水帷幕+土體攪拌樁加固措施可在一定程度上制約左線隧道水平位移的發(fā)展。

3)隔離樁+止水帷幕+土體攪拌樁、抗拔樁+土體注漿加固措施可在一定程度上減弱隧道豎向隆起。

4)考慮土體注漿加固均勻性、可控性較土體攪拌樁加固略差，建議采用隔離樁+止水帷幕+土體攪拌樁加固措施進(jìn)行近接運(yùn)營地鐵隧道變形控制。