上蓋物業基坑開挖引起下方地鐵隧道變形實測分析

徐永剛 狄宏規 劉 歡 金宏杰 蘇光北 邢 宇 于佳永

(1.寧波市軌道交通集團有限公司， 315101， 寧波； 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海； 3.寧波軌道交通綠城東部置業有限公司， 315101， 寧波∥第一作者， 高級工程師)

在城市可利用土地資源有限的前提下，地鐵線路上方加蓋物業被逐漸推廣。但是，在地鐵隧道上方開挖基坑，會引起坑底土體發生回彈變形，導致下方隧道的應力狀態發生變化，隧道結構易產生豎向位移和收斂變形[1-3]。

文獻[4]以上海某立交基坑工程為依托背景，分析了基坑施工過程中土體卸荷對鄰近地鐵隧道豎向位移的影響規律，并以此為依據推導出經驗公式。文獻[5]對某基坑工程沉降進行數值模擬，并與現場觀測數據進行對比分析，研究表明：當盾構隧道在基坑下方時，基坑開挖卸載會導致隧道產生豎向隆起，在基坑開挖結束時隆起量達到峰值。文獻[6]通過有限元模型分析發現基坑在選取適當的開挖順序時，可降低基坑開挖對隧道的影響。而針對隧道的上蓋物業施工，國內外學者在隧道周圍群坑開挖對其結構的影響方面卻鮮有研究。

本文以寧波市矮潘地塊項目為背景，基于實測數據分析基坑群開挖對下方地鐵隧道結構沉降、水平位移和收斂變形的影響，并進一步分析周圍基坑群開挖過程中下方地鐵隧道的變形特征，研究結論可為類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

矮潘地塊項目位于寧波市鄞州區，寧波軌道交通4號線隧道由東南至西北方向穿越該場地，將其劃分為南側、北側及中間3個區域，如圖1所示。其中：南、北兩側區域為1層地下室，開挖深度為5.2～6.7 m，基礎型式為樁基，分界支護樁距離盾構隧道側最近處約6.0 m；中間區域為地鐵上蓋地下室，基坑周圈的開挖深度為6.0 m，工程樁為鉆孔灌注樁。地鐵盾構兩側10.0 m范圍內的工程樁已施工完成。區間隧道頂部平均埋深約為15.5～21.5 m。地鐵區間段采用盾構法施工，其標準橫斷面如圖2所示。盾構隧道管片厚度e為0.35 m，外徑D為6.20 m，左、右兩線凈間距為10.0 m。

圖1 矮潘地塊的工程平面圖Fig.1 Engineering plan of Aipan plot

如圖2所示，根據地質勘察報告，擬建場地的土層主要是淤泥質粉質黏土、含粉砂粉質黏土和粉質黏土等。本工程地下水位深度為1.6～2.7 m，水位年變化幅度約為1.0～1.5 m。表1給出了該場地主要土層的物理力學指標。

圖2 矮潘地塊地鐵隧道段的標準橫斷面圖

表1 矮潘地塊的土體物理力學參數

矮潘地塊圍護結構平面圖如圖3所示。為了減小地下室開挖對下方地鐵隧道的影響，不同基坑區域采用了不同的支護方式，各區域支護樁的相關參數如表2所示。

1.2 基坑開挖方案及地鐵隧道變形監測

寧波軌道交通4號線區間隧道橫穿該地塊，將地塊地分為南側區域、北側區域，以及有地鐵上蓋物業的中間區域。為了減小地下室開挖對下方地鐵隧道的影響，對該地塊采用分坑開挖的施工方式。如圖3所示：南、北側兩個區域共分為20個獨立基坑進行施工，其中:B區(細分為B1～B3區塊)為臨近地鐵區塊;A區(細分為A1～A5區塊)為中間區域,共分為9個獨立基坑進行施工；C區為距離地鐵較遠區域?；痈麟A段施工的開始時間和結束時間如表3所示。

圖3 矮潘地塊圍護結構平面圖Fig.3 Plan drawing of enclosure structure of Aipan plot

表2 矮潘地塊不同基坑區域的支護樁參數Tab.2 Supporting pile parameters of different foundation pit areas in Aipan plot

表3 矮潘地塊基坑各階段施工的開始時間和結束時間

矮潘地塊的總體施工順序共分為3個階段：

1) 第1階段：開挖B1區塊，同時地下室主體結構向上施工且保留支撐體系。

2) 第2階段：開挖A區。先開挖A1區塊，在A1區塊地下室底板施工完成后開挖A2區塊土體，同時A1區塊地下室主體結構向上施工。以此工序類推，直至A5區塊施工完成。

3) 第3階段：開挖其余區塊。按順序依次實施B2區塊、B3區塊、C區施工。

為分析矮潘項目施工對既有地鐵隧道的影響，沿隧道軸向選取上行線和下行線部分沉降監測點進行分析。其中：沉降監測點共82個(X1060～X855,S1060～S855)；水平位移監測點共98個(X1060～X865，S1050～S855)；隧道收斂變形監測點共80個(Sh1050～Sh855,Ss1050～Ss855,Xh1060～Xh865,Xs1060～Xs865)。

由于上行線和下行線的變形規律大致相同，本文以下行線數據為例進行分析。圖4為與下行線隧道結構監測相關的測點平面位置分布圖。

圖4 地鐵下行線隧道結構監測點平面布置圖

2 地鐵隧道實測變形數據分析

2.1 地鐵隧道結構累計沉降分析

圖5給出了不同監測點累計沉降值隨時間的變化曲線。

圖5 地鐵下行線隧道各測點累計沉降時程曲線

由圖5可看出：

1) 隨著項目施工的開展，隧道結構總體呈現先下沉、后上浮的趨勢。

2) 隨著基坑的不斷開挖，下部隧道結構的上浮值呈現先增大、后減小、再增大、最后趨于穩定的趨勢。

3) 在攪拌樁施工階段，隧道結構呈下沉趨勢，其原因在于攪拌樁重度大于原有的土體重度，隧道周圍土體受到攪拌樁自重的影響，使得隧道結構產生一定的下沉。

4) 在圍護結構施工階段，隧道結構呈先上浮、后下沉趨勢，其原因為圍護結構在成槽階段存在土體卸載，周邊土體隆起使得隧道結構上??；在地下連續墻澆筑混凝土后，由于混凝土的重度大于土體的重度，使得土體產生沉降，導致隧道結構下沉。

5) 在B1區塊和A區開挖期間，隧道結構呈明顯的上浮趨勢，其原因在于周邊基坑開挖導致周圍土體卸載，基坑底部隆起時帶動周圍土體產生向上的位移，使得隧道結構產生一定的上浮。

6) A區開挖對隧道結構上浮的影響最大，其原因在于A區位于隧道結構的正上方，無法通過支護樁來減少A區坑底隆起對隧道結構的影響。

7) 在其余區塊開挖期間，隧道結構呈明顯的下沉趨勢。其原因有兩方面：一是因前階段A區施工隧道結構變形過大，施工方在其余區塊開挖完成后立即施作墊層并及時施作混凝土底板，并在累計沉降上浮量超過10 mm的測點處進行堆載，以控制隧道結構的進一步上浮；二是在此期間，B1區塊開始施工上部主體結構，該施工同樣起到了堆載效果，能夠控制下部土體隆起，進而控制隧道結構的上浮。

2.2 地鐵隧道結構累計水平位移分析

選取矮潘項目下臥地鐵隧道下行線的測點，對隧道結構累計水平位移進行分析，如圖6所示(將圖中水平位移向南取為正值)。

圖6 地鐵下行線隧道各測點累計水平位移時程曲線Fig.6 Horizontal displacement time history curve of metro down line tunnel measurement points

由圖6可以看出：

1) 隨著矮潘項目的施工，隧道累計水平位移呈現先向北、后向南、而后再向北的趨勢，其原因為北側區域中的B1區塊基坑距離隧道更近，B1區塊基坑開挖帶動周圍土體向坑內移動，使得隧道產生了向北的水平位移。

2) 在A區開挖時，由于A區基坑坑底土體隆起，帶動周圍土體向A區坑內移動，使得隧道產生了向南的水平位移。

3) 在其余區塊開挖時，由于兩側基坑開挖卸載引起分坑土體隆起，帶動周圍土體向坑內移動，隧道結構產生向北的水平位移，而后由于及時施作底板、墊層等措施，隧道結構的水平位移量趨于穩定。

2.3 地鐵隧道結構收斂變形分析

仍選取下行線測點對結構收斂變形值進行分析，如圖7所示(圖中橫向收斂值為隧道襯砌拱腰兩點之間的距離增量，將拱腰兩點距離增大設為正值)。

由圖7可以看出：

1) 隨著矮潘項目的施工，隧道收斂變形先增大、后減小、而后趨于穩定的趨勢，且隧道橫截面呈現“橫鴨蛋”變形趨勢。原因主要為在B1區塊開挖時，隧道兩側的土壓力減少，而隧道上部因三軸攪拌樁施工導致隧道上部的土壓力增大，隧道受到豎向擠壓，橫截面呈現“橫鴨蛋”變形。

2) 由于A區土體開挖，隧道上部因土體卸載導致土壓力減小，隧道受到橫向擠壓，橫截面呈現“豎鴨蛋”變形趨勢，隧道收斂值有所減小。

3) 其余區塊開挖時，由于及時施作混凝土墊層、澆筑底板，隧道收斂值逐漸趨于穩定。

a) 隧道豎向收斂變形時程曲線

b) 隧道橫向收斂變形時程曲線圖7 地鐵下行線隧道各測點收斂變形時程曲線Fig.7 Convergence deformation time history curve of metro down line tunnel measurement points

3 結論

1) 矮潘地塊土建施工對下臥地鐵隧道的結構變形產生了一定的影響。隧道結構在攪拌樁施工時呈下沉趨勢，在基坑開挖階段呈上浮趨勢。對比不同開挖階段的隆起情況，隧道上部土體開挖對隧道結構上浮值的影響最大。

2) 在矮潘項目基坑施工期間，隧道橫向收斂變形呈現先增大、后減小、而后趨于穩定的趨勢，隧道兩側基坑開挖會使得隧道結構橫斷面變形總體呈現“橫鴨蛋”變形。隧道上部基坑土體開挖時，隧道結構橫斷面變形呈現“豎鴨蛋”變形趨勢。

3) 墊層、底板施做的時效性決定了隧道變形的速率及變形絕對值的大小。及時對已開挖部分采取施作墊層、底板和壓重等措施，能夠有效地控制地鐵隧道結構的變形。