上蓋物業軟土基坑開挖中城市軌道交通隧道變形的控制與優化

徐永剛 狄宏規 劉 歡 金宏杰 于佳永 邢 宇

(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)

目前，在城市軌道交通隧道上加蓋物業已逐漸成為城市集約化用地的新模式。上蓋物業基坑的開挖會對臨近的城市軌道交通隧道結構產生一定的影響[1]，存在安全隱患。因此，合理地預估和減輕上蓋物業基坑施工對下方城市軌道交通隧道結構的影響尤為重要[2-3]。針對基坑開挖引起鄰近隧道變形的問題，文獻[4-5]主要從基坑開挖引起鄰近隧道變形的計算、分析和預測3個方面展開分析，而鮮見對上蓋物業基坑開挖過程中下方隧道變形控制與優化措施的研究。

在寧波市矮潘地塊項目的上蓋物業基坑工程中，由于軟土基坑開挖面積大、坑底距運營的城市軌道交通隧道較近，如何將城市軌道交通隧道變形控制在允許范圍內，是該工程施工的重中之重。本文依托該工程，通過設計不同的基坑分步施工(以下簡稱“分坑施工”)方案并采用墊層壓重、隧道上方土體加固等輔助措施，并借助Plaxis 3D軟件對基坑開挖進行數值模擬與分析，提出了上蓋物業基坑施工時下方隧道變形控制的優化方案，以期為類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

本工程位于寧波市鄞州區，城市軌道交通隧道由東南至西北方向穿越本工程地塊，將本地塊劃分為南側區塊、北側區塊及中間區塊3部分。其中，中間區塊上蓋物業基坑沿南北方向的寬度約為30 m，沿東西方向長度約為180 m，開挖面積約為5 400 m2，施工現場的平面布置如圖1所示。

圖1 施工平面布置圖Fig.1 Construction floor plan

中間區塊為上蓋地下室，地下室基坑周圈的開挖深度約為7 m。中間區塊城市軌道交通隧道頂部的平均埋深約為15.5～21.5 m，與基坑底間的距離約為8.5～14.5 m，其中：隧道東側段盾構管片埋深較深，隧道西側段盾構管片埋深較淺。盾構管片的外徑為6.2 m，左、右兩線隧道間的凈距為10.0 m。圖2給出了城市軌道交通隧道與上蓋物業基坑間的豎向剖面圖。表1給出了上蓋物業基坑開挖深度內主要土層的物理力學指標。

圖2 城市軌道交通隧道與上蓋物業基坑的豎向剖面圖

表1 上蓋物業基坑的土體物理力學參數表

綜上可知，中間區塊上蓋物業基坑的開挖面積較大；基坑所處的土層分布不均勻，且土體力學性質相對較差；在城市軌道交通隧道上方較近距離內開挖地下室，上方卸載對隧道影響較大。因此，隧道變形控制在允許范圍之內，是本工程的重中之重。為了保護隧道結構，將隧道變形控制在合理的范圍內，須采取必要的分坑施工措施。本文通過Plaxis 3D軟件模擬分坑施工過程，并對分坑施工參數進行優化，為預估因該上蓋物業基坑開挖引起的城市軌道交通隧道變形提供較為可靠的依據。

2 分坑施工的有限元模擬

針對中間區塊上蓋物業基坑，依次實現隧道、圍護結構、內支撐結構、土體開挖的階段性施工模擬，本文使用Plaxis 3D軟件進行建模，如圖3所示。模型沿x軸、y軸、z軸3個方向上的尺寸分別為270 m、210 m、100 m，其中：y軸為北向，基坑為東南至西北走向。為減小上方土體卸載對城市軌道交通隧道的影響，采取分坑開挖的施工方式，由兩側開挖到中間，各分基坑之間采用三軸攪拌樁擋墻分隔。

圖3 分坑施工有限元模型

2.1 分坑數量優化分析

2.1.1 分坑施工工況

為減小基坑暴露時間，以進一步降低上方土體開挖對隧道結構的影響，需結合工程實際情況探尋較優的基坑劃分數量。本基坑土體總開挖面積約為5 400 m2，開挖土體的總重度約為564 840 kN。考慮到分基坑開挖面積對施工效率的影響，本文提出兩種分坑施工工況：工況一將基坑劃成9個獨立分基坑，并分別命名為A1-a、A2-a、A3-a、A4-a、A5、A4-b、A3-b、A2-b、A1-b；工況二將基坑劃成3個獨立分基坑，并分別命名為B1-a、B2、B1-b。穿過本工程地塊的城市軌道交通隧道下行線里程為X900～X1040，上行線里程為S880～S1030。兩種工況下的基坑分區布置如圖4所示。

2.1.2 分坑土體開挖流程

應用Plaxis 3D軟件模擬工況一下分坑土體開挖的流程(工況二可參考工況一，不再累述)，具體如下：

1) A1區開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進行臨時壓重。設置的壓重應力為開挖土體總應力的20%(后續各步驟的壓重應力值均與之一致)，以減輕土體開挖對城市軌道交通隧道的影響。

2) A2區開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進行臨時壓重。A1區卸載壓重應力，進行底板施工。

3) A3區開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進行臨時壓重。A2區卸載壓重應力，進行底板施工。

a) 工況一

b) 工況二圖4 基坑分區圖Fig.4 Foundation pit zoning plan

4) A4區開挖至基坑底后施工墊層，待墊層硬化后在墊層上方進行臨時壓重。A3區卸載壓重應力，進行底板施工。

5) A5區開挖至基坑底，進行墊層及底板施工。A4區卸載壓重應力，進行底板施工。

2.1.3 分坑施工模擬計算

在上述施工過程中，土體對墊層的壓重應力以面荷載的形式施加，故Plaxis 3D軟件模擬的壓重應力為20.92 kN/m2。由于下行線和上行線的模擬結果存在高度的一致性，故本文僅選取城市軌道交通隧道下行線里程為X905、X925、X940、X955、X975、X990、X1005、X1020、X1035作為監測點，比較兩種工況下城市軌道交通隧道結構變形的差異。

圖5為不同分坑數量對隧道上浮量的影響關系曲線圖，可以看出：兩種工況下隧道上浮量均呈現先增大后減小的趨勢，這是由于城市軌道交通隧道在X1020和S1005位置處的埋深較大(約為20 m)，而在X905和S890位置處的埋深較小(僅為16 m)，在相同的基坑開挖深度下，埋深較大的城市軌道交通隧道受到上方土體壓重也大，故隧道上浮量較小。從圖5還可以看出，工況一下的隧道上浮量比工況二下的隧道上浮量小，且在盾構隧道埋深較小處更為明顯，二者的差值約為1 mm。

圖5 兩種工況下隧道上浮量變化曲線Fig.5 Variation curves of tunnel heave amount under two working conditions

2.2 臨時壓重應力優化分析

綜上所述，在不影響施工效率的前提下，宜選擇較多的分坑數量，以減少對下臥隧道的影響，本文后續的數值模擬將基于工況一進行分析。進一步分析施加在墊層上的臨時壓重措施對隧道變形的影響，圖6為不同的壓重應力對隧道上浮量的影響關系曲線。由圖6可知，當壓重應力從無增大到開挖土體總重應力的10%時，隧道上浮量明顯減小，其在X925位置處的數值由7.6 mm減至7.1 mm；當壓重應力增大至開挖土體總重應力的20%時，隧道上浮量不再明顯減小。由此可知，在本工程中采取臨時壓重措施來減輕上方土體開挖對隧道的影響，壓重應力取開挖土體總重應力的20%時效果較好、經濟性較高，此時隧道上浮量的最大值為6.9 mm。若壓重應力繼續增大，減小隧道上浮的效果甚微。

圖6 不同壓重應力對隧道上浮量的影響

2.3 隧道上方土體加固優化分析

由于中間區塊上蓋物業基坑所處的土層分布不均勻，且土體力學性質相對較差，為進一步減小上方土體開挖卸載對城市軌道交通隧道的影響，考慮對隧道上方的土體采用三軸攪拌樁進行土體加固。土體的重度由加固前的18.5 kN/m3增加到加固后的19.5 kN/m3。在采用Plaxis 3D軟件進行模擬的過程中，選取開挖土體總重應力的5%和20%作為壓重應力，分別對加固前和加固后隧道上浮量進行分析，得到的結果如圖7所示。從圖7可以看出：當壓重應力為開挖土體總重應力的5%時，隧道上浮量的減小值最大可達0.7 mm;當壓重應力為開挖土體總重應力的20%時，隧道上浮量的減小值最大可達1.0 mm。由此可知，城市軌道交通隧道上方的土體加固措施能有效地減輕土體開挖對隧道的影響。

a) 5%壓重應力下

b) 20%壓重應力下圖7 加固土體的重度對隧道上浮量的影響

基于Plaxis 3D軟件的數值模擬結果，對基坑施工和輔助措施的效果進行分析后，將優化措施運用到本次實際上蓋物業工程中：將中間區塊上蓋物業基坑劃分為9個獨立的分坑，采用由兩側到中間的土體開挖方式；將墊層上方開挖土體總重的20%設置各分坑的臨時壓重值；對隧道上方土體采用三軸攪拌樁加固，其樁長為5～6 m，土體置換率約為75%，基坑底以上水泥參量為10%，基坑底以下水泥參量為20%。

3 分坑施工優化后的實際工程效果分析

在上蓋物業基坑土體開挖前，預埋隧道沉降監測點，監測點間距5 m。取下行線中X915～X1030共24個監測點的實測數據，觀測分坑施工優化后的實際工程效果，并與Plaxis 3D軟件得到的數值模擬值進行對比，結果如圖8所示。

圖8 分坑施工優化后工程實測值與數值模擬值的對比

圖8中，在X1010～X1030監測點處實測值與數值模擬值間存在一定的差異，這是由于附近的南、北兩側區塊基坑也在開挖，使該區域的中間區塊基坑兩側土體發生卸載，進而導致城市軌道交通隧道上浮量減小；其他測點位置附近的南北兩側區塊基坑尚未施工，故隧道上浮量的變化規律和幅值呈現較好的一致性。從圖8可以看出，隧道上浮量有效控制在8 mm以內，滿足不超過10 mm的隧道沉降要求，進而驗證了優化后的分坑施工措施的合理性和有效性。

4 結語

為合理預估和減輕上蓋物業基坑開挖對下方城市軌道交通隧道變形的影響，本文通過Plaxis 3D軟件進行數值模擬，對寧波市矮潘地塊項目上蓋物業基坑施工和輔助措施進行了優化分析，得到主要結論如下：

1) 基坑下臥城市軌道交通隧道上浮量主要受隧道埋深的影響。在相同的基坑開挖深度下，隧道的埋深越大，其上浮量越小。

2) 采用分坑開挖方式，以及由兩側向中間的分坑開挖施工措施，可有效減小因上蓋物業基坑開挖引起的城市軌道交通隧道變形。在不影響施工效率的前提下，帶狀上蓋物業基坑宜選擇較多的分坑數量，以減少基坑開挖對城市軌道交通隧道的影響。

3) 在本項目中，上蓋物業基坑劃分為獨立的9個分坑，將施加在基坑坑底墊層上的壓重應力設置為上方開挖土體總重應力的20%，并采用三軸攪拌樁對隧道上方土體進行土體加固，經驗證，工程實施效果較好。