武漢粉砂地層深基坑開(kāi)挖對(duì)既有盾構(gòu)隧道影響分析

李忠超,王超哲,楊 新,吳 進(jìn),4,梁榮柱*,程 康,吳文兵

(1.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430023； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 3.武漢城市建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430022； 4.武漢地鐵集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430079； 5.中鐵十一局集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430061)

緊鄰在服役地鐵盾構(gòu)隧道的深基坑開(kāi)挖將會(huì)引起鄰近土體卸載和地層變形，可能會(huì)引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的一系列病害，如管片開(kāi)裂、接縫滲漏水、不均勻位移等，嚴(yán)重影響了地鐵隧道結(jié)構(gòu)的完整性，極大地威脅著軌道列車的運(yùn)營(yíng)安全。如：我國(guó)某一盾構(gòu)隧道區(qū)間因鄰近基坑開(kāi)挖導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、軌道脫開(kāi)，部分管片損毀嚴(yán)重，縱向不均勻沉降明顯[1]；緊靠寧波地鐵1號(hào)線某區(qū)間一大型深基坑開(kāi)挖導(dǎo)致左線盾構(gòu)隧道發(fā)生超過(guò)35 mm的水平位移，管片局部出現(xiàn)明顯的裂縫和滲漏，嚴(yán)重影響了地鐵的安全運(yùn)行[2-3]；南京漫灘地層一個(gè)深基坑開(kāi)挖誘發(fā)緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道發(fā)生超過(guò)40 mm的沉降，管片變形發(fā)展劇烈，最終導(dǎo)致基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)管片發(fā)生裂縫及滲漏、結(jié)構(gòu)壓損和道床脫離等病害[4]。

我國(guó)近年來(lái)深基坑開(kāi)挖導(dǎo)致緊鄰地鐵隧道破壞的案例呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢(shì)。2004年至2011年間在上海盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)人為造成破壞的事故中，每11起事故就有3起是由于鄰近基坑開(kāi)挖所致[5]。在廣州，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010年地鐵鄰近深基坑工程多達(dá)31項(xiàng)[6]。因此，探明基坑開(kāi)挖對(duì)臨近既有地鐵隧道變形破壞的影響，合理評(píng)估深基坑開(kāi)挖下在役盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)安全性，是目前城市巖土工程面臨的較為緊迫的研究課題之一。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)緊鄰深基坑開(kāi)挖下既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。如Liang等[7]對(duì)上海軟土地層一超大基坑分區(qū)開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵車站和地鐵盾構(gòu)隧道的影響進(jìn)行了研究，指出由于基坑開(kāi)挖卸載作用導(dǎo)致車站發(fā)生隆起位移，而地鐵隧道發(fā)生沉降變形，兩者結(jié)合部處的盾構(gòu)隧道將會(huì)發(fā)生較大的不均勻沉降，是最薄弱部位；傅志峰等[8]分析了武漢市華中科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園基坑工程對(duì)鄰近既有地鐵隧道變形的影響，指出隔離樁靠近隧道或靠近基坑布置，在一定程度上能抵抗基坑開(kāi)挖引發(fā)的隧道位移；Tan等[9]對(duì)緊鄰蘇州1號(hào)線盾構(gòu)隧道深基坑開(kāi)挖工程案例進(jìn)行了研究，指出基坑開(kāi)挖卸載作用使得墻后土壓力從靜止?fàn)顟B(tài)向主動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致管片發(fā)生收斂變形；Liu等[10]對(duì)上海市緊鄰地鐵車站和地鐵隧道的大面積基坑開(kāi)挖進(jìn)行了研究，指出基坑開(kāi)挖卸載作用引起了盾構(gòu)隧道沉降變形；Chen等[2]依托寧波地鐵1號(hào)線緊鄰深基坑工程，建立了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道變形影響的三維有限元模型；Bian等[11]對(duì)寧波地鐵2號(hào)線某地鐵區(qū)間深基坑開(kāi)挖項(xiàng)目進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，指出管片的開(kāi)裂變形主要是由于過(guò)大的縱向變形所致；Liu等[12]通過(guò)建立三維數(shù)值模型對(duì)南京粉土地層超大深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近南京地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道變形的影響進(jìn)行了研究，指出深大基坑開(kāi)挖誘發(fā)管片較大水平變位，導(dǎo)致管片開(kāi)裂和滲水等不良病害；孫琳等[13]依托深圳前海某基坑項(xiàng)目建立了基坑三維有限元模型,考慮了基坑降水對(duì)周邊地鐵隧道變形的影響;Ng等[14]通過(guò)離心模型試驗(yàn)分析了干砂地基中地下室開(kāi)挖對(duì)既有隧道變形的影響，指出既有隧道位于基坑側(cè)方會(huì)導(dǎo)致隧道的沉降變形；Huang等[15]通過(guò)一系列離心試驗(yàn)研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)既有延安東路隧道變形的影響；Liang等[16]將盾構(gòu)隧道簡(jiǎn)化為Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁模型，提出了可考慮隧道埋深的地基基床系數(shù)計(jì)算方法；徐日慶等[17]進(jìn)一步將盾構(gòu)隧道簡(jiǎn)化為Pasternak地基上的Timoshenko梁模型，提出了考慮隧道剪切變形的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

綜上研究發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于緊鄰深基坑開(kāi)挖作用下既有服役盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究，主要以我國(guó)華東軟黏土地區(qū)(如上海、杭州、寧波、蘇州、南京等)的相關(guān)研究為主，而湖北武漢主城區(qū)屬于長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地地貌，地鐵隧道基本埋置于粉細(xì)砂、粉砂地層中，但目前關(guān)于武漢地區(qū)深大基坑施工對(duì)既有地鐵線路變形的影響研究鮮見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)極為缺乏，難以為武漢市地鐵隧道安全運(yùn)營(yíng)與合理評(píng)估提供相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)支持。

為此，本文以緊鄰武漢粉砂地層某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道的大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目深基坑開(kāi)挖工程為依托，為了探明在深大基坑施工過(guò)程中鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，在基坑施工全過(guò)程對(duì)鄰近地鐵隧道進(jìn)行為期1 000 d的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，分析了影響鄰近盾構(gòu)隧道變形的主要因素，研究了基坑開(kāi)挖施工引起的管片裂縫發(fā)展特點(diǎn)。該研究可為武漢市地鐵隧道結(jié)構(gòu)評(píng)估和保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況與工程地質(zhì)條件

1. 1 工程概況

武漢市某大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目深基坑開(kāi)挖工程緊鄰在運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間施工，基坑與地鐵隧道的平面位置關(guān)系如圖1所示。區(qū)間隧道為雙線圓形盾構(gòu)隧道，在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)，左線隧道與右線隧道在平面上走向大致平行，兩者凈距為10 m；左線隧道和右線隧道結(jié)構(gòu)外輪廓到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小水平距離分別為18.5 m和34.7 m。基坑與地鐵隧道的剖面位置關(guān)系如圖2所示。該區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑為6.2 m，襯砌厚度為350 mm，管片寬度為1.5 m，每一環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)由6環(huán)C50鋼筋混凝土管片拼接而成，相鄰環(huán)通過(guò)錯(cuò)縫拼裝連接，管片環(huán)面不設(shè)榫槽。基坑開(kāi)挖寬度范圍內(nèi)隧道頂埋深約為12.5～15.5 m，隧道底部至地表深度約為18.7～21.7 m。臨近該基坑的地鐵隧道影響里程范圍為DK8+918.6～DK9+353.6，大致對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為0至290環(huán)。

圖1 基坑與地鐵隧道的平面位置關(guān)系Fig.1 Site plane of the foundation pit and metro tunnels

圖2 基坑與地鐵隧道的剖面位置關(guān)系(單位：m)Fig.2 Section position relationship between the foundation pit and the metro tunnels(unit:m)

該大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目深基坑位于右線隧道東南側(cè)，基坑開(kāi)挖區(qū)域類似梯形形狀，基坑沿隧道方向長(zhǎng)度約為340 m，基坑開(kāi)挖面積約為63 428 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)約為1 076 m，地下室共4層，基坑深度在地表下19.60～21.1 m之間，可見(jiàn)基坑開(kāi)挖深度與隧道底部埋深基本持平。為了減少基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道變形的影響，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“地下連續(xù)墻+3道鋼筋混凝土內(nèi)支撐”形式支擋側(cè)向水土壓力，控制基坑開(kāi)挖引起的地層變形。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置及剖面形式見(jiàn)圖1和圖2。地下連續(xù)墻厚為1 m，深度為50 m，混凝土等級(jí)為C35，地下連續(xù)墻的插入比約為2.0。為了減少地下連續(xù)墻開(kāi)槽施工過(guò)程引起的地層變形，采用Φ850@600三軸攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，坑外坑內(nèi)加固深度分別為26 m和24 m。3道鋼筋混凝土內(nèi)支撐采用C40混凝土澆筑，其截面尺寸(高×寬)由上而下分別為900 mm×800 mm，1 300 mm×1 000 mm和1 400 mm×1 100 mm。

1. 2 工程地質(zhì)條件

該項(xiàng)目所在場(chǎng)地地勢(shì)相對(duì)平緩，地貌上屬于長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，施工范圍內(nèi)除表層分布有厚度不均的①雜填土外，其下分別為第四系全新統(tǒng)沖積成因②粉質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土與粉土及粉砂互層、④1粉砂、④2粉細(xì)砂、④3細(xì)砂、⑤1含礫細(xì)砂、⑤2含礫及卵石中粗砂、⑥1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑥2中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。場(chǎng)地范圍內(nèi)典型地層剖面如圖2所示。場(chǎng)地內(nèi)地下水水位埋深于地表下0.50～2.60 m之間，承壓水層主要賦存于③粉質(zhì)黏土與粉土及粉砂互層、④1粉砂、④2粉細(xì)砂、④3細(xì)砂、⑤1含礫細(xì)砂和⑤2含礫及卵石中粗砂中，由于②粉質(zhì)黏土的阻隔，承壓水與場(chǎng)地內(nèi)的地表水和上層滯水基本無(wú)水力聯(lián)系，但是與3 km外的長(zhǎng)江有水力聯(lián)系。勘察期間測(cè)得承壓水水位穩(wěn)定埋深約為4.5 m。場(chǎng)地內(nèi)土層的基本物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地內(nèi)土層基本物理力學(xué)參數(shù)

1. 3 既有盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)方案

為了監(jiān)控基坑開(kāi)挖對(duì)處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)地鐵隧道變形的影響，該項(xiàng)目制定了詳細(xì)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案，主要監(jiān)測(cè)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道的沉降和水平位移發(fā)展情況。圖3為雙線地鐵盾構(gòu)隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面布置圖。右線盾構(gòu)隧道共布設(shè)65個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面，從14～48環(huán)，每8環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面之間的距離為12 m，其中Y14為第一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，Y299為最后一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。從48～79環(huán)，加密布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，每5環(huán)設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面之間的距離為7.5 m；從84～299環(huán)，為基坑開(kāi)挖主要的影響范圍，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)一步加密，每4環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面之間的距離為6.0 m。考慮到左線盾構(gòu)隧道受到基坑開(kāi)挖的影響相對(duì)較小，因此左線盾構(gòu)隧道僅布設(shè)45個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，采用均勻布置方式設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，每6環(huán)設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面之間的距離為9 m，其中Z20為第一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，Z284為最后一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

圖3 雙線地鐵盾構(gòu)隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面布置圖Fig.3 Plan layout of metro tunnel automatic monitoring sections

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2. 1 隧道豎向位移分析

圖4給出了基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道代表性測(cè)點(diǎn)豎向位移Sv隨基坑施工時(shí)間的變化曲線。圖4(a)右線隧道代表性測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)Y14、Y95代表基坑開(kāi)挖影響區(qū)左側(cè)系列測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)Y167、Y199代表基坑開(kāi)挖影響區(qū)中間系列測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)Y235、Y287代表基坑開(kāi)挖影響區(qū)右側(cè)系列測(cè)點(diǎn)。位移正值表示隆起，位移負(fù)值表示沉降。

圖4 基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道代表性測(cè)點(diǎn)豎向 位移Sv的時(shí)程曲線Fig.4 Development curves of vertical displacements Sv of representative monitoring points in twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖4可見(jiàn)，結(jié)合基坑施工的具體情況，可將既有盾構(gòu)隧道變形的發(fā)展歷程劃分為以下4個(gè)階段：

(1) 階段Ⅰ：該階段主要為基坑開(kāi)挖階段，歷時(shí)約為7個(gè)月。在此階段，基坑開(kāi)挖按照從遠(yuǎn)而近(相對(duì)地鐵隧道)、由淺而深的開(kāi)挖順序進(jìn)行推進(jìn)，三道支撐及時(shí)施作，盡可能減少施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道的擾動(dòng)影響。隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，隧道沉降迅速發(fā)展，可見(jiàn)基坑開(kāi)挖階段是隧道沉降的主要來(lái)源；在基坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，基坑范圍中部的隧道測(cè)點(diǎn)沉降大于基坑范圍外部的隧道測(cè)點(diǎn)沉降。這主要是由于基坑卸荷改變了地層的應(yīng)力狀態(tài)，引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向撓度和地層沉降，從而導(dǎo)致坑外地鐵隧道發(fā)生沉降。

(2) 階段Ⅱ：該階段為基坑底板、中板和頂板結(jié)構(gòu)施工階段，施工歷時(shí)7個(gè)月。在此階段，隧道沉降趨于穩(wěn)定，雖略有波動(dòng)，但并沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展。這主要是由于在此階段中，基坑底板、中板和頂板的澆筑使得基坑圍護(hù)剛度進(jìn)一步增大，限制了墻后土體的進(jìn)一步沉降，此時(shí)地層處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此不會(huì)誘發(fā)隧道沉降發(fā)展。

(3) 階段Ⅲ：該階段為基坑上部主體結(jié)構(gòu)施工階段，施工歷時(shí)4個(gè)月。在此階段，基坑開(kāi)挖業(yè)已完成，進(jìn)行上部主體結(jié)構(gòu)施工，隧道各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示隧道發(fā)生了明顯的隆起變形。這主要是由于該項(xiàng)目為大型商業(yè)綜合體工程，上部主體結(jié)構(gòu)體量較大，荷載重量較大，結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)下部基礎(chǔ)逐步傳遞至基坑底部地層，增加了地層的附加應(yīng)力，而基坑下部新增應(yīng)力向兩側(cè)傳遞，進(jìn)一步打破了既有地層的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致基坑周圍土體和隧道發(fā)生隆起。

(4) 階段Ⅳ：該階段為商業(yè)綜合體室內(nèi)裝修階段。在此階段，隧道各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移略有波動(dòng)，但是基本沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。這主要是由于在階段Ⅲ施工結(jié)束后，地層應(yīng)力場(chǎng)逐步進(jìn)入一個(gè)新的平衡狀態(tài)，隧道-周圍地層體系逐步穩(wěn)定，隧道的變形基本穩(wěn)定。

基坑開(kāi)挖對(duì)既有盾構(gòu)隧道變形的影響具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，其中隧道越靠近基坑開(kāi)挖區(qū)中部，受到基坑開(kāi)挖卸荷作用的影響越大，隧道的變形也越大，如測(cè)點(diǎn)Y167、Y199；反之，隧道越遠(yuǎn)離基坑開(kāi)挖區(qū)中部，受到基坑開(kāi)挖卸荷作用的影響越小，隧道的變形也越小，如測(cè)點(diǎn)Y14、Y287。但隧道變形的大小也與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐位置和支護(hù)剛度有關(guān)。

圖5(a)和(b)分別為基坑開(kāi)挖各階段引起的右線和左線隧道豎向位移Sv的變化曲線。由于右線和左線隧道沉降規(guī)律基本一致，因此本文主要對(duì)右線隧道豎向位移進(jìn)行分析。

圖5 基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道豎向位移Sv的 變化曲線Fig.5 Variation curves of vertical displacements Sv of twin shiel tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖5(a)可見(jiàn)：在階段Ⅰ，當(dāng)基坑開(kāi)挖到設(shè)計(jì)深度時(shí)，隧道發(fā)生了明顯的沉降，其沉降曲線呈現(xiàn)類似“U”形模式，基坑開(kāi)挖寬度中部附近引起的沉降量較大，向兩側(cè)逐步減小，最大沉降量約為7.1 mm，隧道沉降范圍與基坑開(kāi)挖寬度范圍基本一致；在階段Ⅱ，總體上隧道沉降變形基本穩(wěn)定，沉降變形不再發(fā)展，這是由于基坑結(jié)構(gòu)施作增強(qiáng)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)剛度，從而限制了墻后土體沉降的發(fā)展，但值得注意的是，在距離Y14測(cè)點(diǎn)45～111 m范圍內(nèi)(基坑西北角范圍內(nèi))，隧道出現(xiàn)了局部明顯的沉降，這是因?yàn)檫^(guò)早拆除了西北角第二道支撐，此時(shí)基坑中板混凝土尚未到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，導(dǎo)致基坑西北角支護(hù)剛度不足引起了隧道的沉降變形；在階段Ⅲ，隧道沉降曲線主要圍繞階段Ⅱ沉降曲線表現(xiàn)出明顯的上下波動(dòng)，這是由于基坑上部主體結(jié)構(gòu)施工引起的地基側(cè)向荷載不均勻所致；在階段Ⅳ，除局部測(cè)點(diǎn)外，隧道整體沉降增量較小，隧道結(jié)構(gòu)沉降變形基本穩(wěn)定。

此外，由圖5還可以發(fā)現(xiàn)，左線隧道沉降的變化規(guī)律與右線隧道基本一致，但其沉降值整體上小于右線隧道沉降值，這是因?yàn)樽缶€隧道距離基坑位置相對(duì)較遠(yuǎn)，因而其受到基坑開(kāi)挖和上部施工的影響較小。

2. 2 隧道水平位移分析

圖6給出了基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道代表性測(cè)點(diǎn)水平位移Sh隨基坑施工時(shí)間的變化曲線。圖6(a)右線隧道代表性測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)Y14、Y22代表基坑開(kāi)挖影響區(qū)左側(cè)系列測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)Y119、Y143代表基坑開(kāi)挖影響區(qū)中間系列測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)Y235代表基坑開(kāi)挖影響區(qū)右側(cè)系列測(cè)點(diǎn)。位移為負(fù)值表示朝向基坑內(nèi)移動(dòng)，位移為正值表示朝向基坑外移動(dòng)。

圖6 基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道代表性測(cè)點(diǎn)水平 位移Sh的時(shí)程曲線Fig.6 Development of horizontal displacements Sh of representative monitoring points in twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖6可見(jiàn)，在基坑開(kāi)挖的全過(guò)程中，既有盾構(gòu)隧道受到基坑施工的影響，主要發(fā)生朝向基坑內(nèi)的水平位移。與盾構(gòu)隧道豎向位移一樣，其水平位移發(fā)展歷程也可劃分為以下4個(gè)階段：

(1) 階段Ⅰ：該階段主要為基坑開(kāi)挖階段。在此階段隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，隧道水平位移迅速發(fā)展，隧道的水平位移主要來(lái)源于這個(gè)階段，這是因?yàn)榛娱_(kāi)挖卸載作用引起了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生撓曲變形，使其產(chǎn)生朝向基坑內(nèi)的移動(dòng)，此時(shí)原本處于靜止平衡狀態(tài)的墻后土壓力由于卸載作用，逐步趨向于主動(dòng)狀態(tài)土壓力，地層的應(yīng)力平衡被打破，使周圍土體對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的限制作用被削弱，由于隧道兩側(cè)不平衡的土壓力作用，導(dǎo)致隧道朝向基坑內(nèi)移動(dòng)。

(2) 階段Ⅱ：該階段為基坑已開(kāi)挖至預(yù)定深度，主要進(jìn)行基坑底板、中板和頂板等結(jié)構(gòu)施工。在此階段，盡管隧道各個(gè)測(cè)點(diǎn)水平位移略有波動(dòng)，但是整體上隧道的水平位移并無(wú)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，隧道各個(gè)測(cè)點(diǎn)水平位移相對(duì)穩(wěn)定，這是由于基坑結(jié)構(gòu)施作增強(qiáng)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向支護(hù)剛度，從而限制了土體朝向坑內(nèi)發(fā)展，此時(shí)隧道與周圍地層處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，因此隧道水平位移不再發(fā)展。

(3) 階段Ⅲ：該階段基坑開(kāi)挖已完成，主要進(jìn)行基坑上部主體結(jié)構(gòu)施工。在此階段，隨著基坑上部主體結(jié)構(gòu)施工，結(jié)構(gòu)荷載隨著施工的進(jìn)行不斷增加，結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)地下結(jié)構(gòu)傳遞至基坑底部，在基坑底板及群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的附加荷載，使地層的應(yīng)力場(chǎng)再次發(fā)生改變，從而引起兩側(cè)土體向外“擠出”，導(dǎo)致隧道朝向基坑外移動(dòng)。

(4) 在階段Ⅳ：該階段基坑上部主體結(jié)構(gòu)完成，主要進(jìn)行商業(yè)綜合體室內(nèi)裝修。在此階段，盡管隧道部分測(cè)點(diǎn)水平位移有增加或減少的波動(dòng)，但是總體上看，隧道整體基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，水平位移發(fā)展趨勢(shì)不明顯，這是由于基坑上部主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，地層應(yīng)力達(dá)到了一個(gè)新的平衡，隧道-周圍地層體系逐步穩(wěn)定，隧道水平位移基本穩(wěn)定。

圖7給出了基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道豎向位移Sv與水平位移Sh的對(duì)比。

圖7 基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道豎向位移Sv與水平 位移Sh的對(duì)比Fig.7 Comparison between vertical displacement Sv and horizontal displacement Sh of twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖7可見(jiàn)：基坑整個(gè)施工階段隧道豎向位移與水平位移的發(fā)展趨勢(shì)相同，基坑開(kāi)挖引起的隧道豎向位移與水平位移具有一定的相關(guān)關(guān)系，隧道在發(fā)生了較大的豎向位移的同時(shí)伴隨著產(chǎn)生了較大的水平位移。

圖8給出了基坑開(kāi)挖各階段右線和左線盾構(gòu)隧道水平位移Sh的變化曲線。

圖8 基坑開(kāi)挖各階段雙線盾構(gòu)隧道水平位移Sh的 變化曲線Fig.8 Variation curves of horizontal displacements Sh of twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖8可見(jiàn)：當(dāng)基坑開(kāi)挖到設(shè)計(jì)深度時(shí)(階段Ⅰ)，右線隧道朝向基坑內(nèi)發(fā)生水平位移，水平位移曲線類似“U”形模式，呈現(xiàn)基坑中部水平位移較大而向兩側(cè)逐步減小的趨勢(shì)，最大水平位移達(dá)到7.5 mm，隧道變形在規(guī)范限定的10 mm變形范圍內(nèi)[18],該水平位移變形模式主要是基坑中部卸載效應(yīng)較大所致；當(dāng)基坑底板、中板和頂板施工完成后(階段Ⅱ)，除基坑西北角出現(xiàn)較大的水平位移外，右線隧道的變形基本與階段Ⅰ一致，這是由于中板混凝土齡期尚未到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度而過(guò)早拆除基坑西北角支撐，導(dǎo)致了該區(qū)域范圍內(nèi)側(cè)向支撐強(qiáng)度下降，從而引起隧道的局部水平變形，上文也發(fā)現(xiàn)支撐過(guò)早拆除引起隧道豎向位移的增加[見(jiàn)圖5(a)]；在基坑上部主體結(jié)構(gòu)施工(階段Ⅲ)和室內(nèi)裝修(階段Ⅳ)期間，隧道的水平位移局部區(qū)域出現(xiàn)了振蕩型變化，但是這兩個(gè)階段隧道水平位移的變化趨勢(shì)基本與階段Ⅰ、Ⅱ一致。

此外，左線隧道水平位移的變化趨勢(shì)與右線隧道基本一致，但是在階段Ⅰ和Ⅱ期間其最大水平位移僅為3 mm，明顯小于右線隧道。

3 隧道管片裂縫分布

在基坑開(kāi)挖及上部主體結(jié)構(gòu)完成后，隧道的沉降和水平位移均在10 mm范圍內(nèi)[18]，滿足規(guī)范對(duì)隧道縱向變形的要求，但是對(duì)雙線盾構(gòu)隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康巡查發(fā)現(xiàn)，管片依然出現(xiàn)了大量的裂縫，這是由于在基坑開(kāi)挖前，既有隧道一直處于變形發(fā)展階段，隧道的襯砌結(jié)構(gòu)安全本身處于“亞健康”狀態(tài)，且在基坑開(kāi)挖擾動(dòng)下，隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的管片裂縫得到了進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)展。

表2為雙線盾構(gòu)隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的管片裂縫分布統(tǒng)計(jì)。

表2 雙線盾構(gòu)隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的管片裂縫分布統(tǒng)計(jì)

由表2可知，從數(shù)量上而言，右線隧道巡查發(fā)現(xiàn)的管片滲漏水及裂縫數(shù)量遠(yuǎn)大于左線隧道，且寬度在0.20～0.50 mm范圍內(nèi)的管片裂縫主要出現(xiàn)在右線隧道。

圖9給出了沿雙線盾構(gòu)隧道縱向方向的管片裂縫分布圖。

圖9 沿雙線盾構(gòu)隧道縱向方向的管片裂縫分布圖Fig.9 Distribution of cracks in segmental linings along longitudinal direction of the twin shield tunnels

由圖9可見(jiàn)，沿雙線盾構(gòu)隧道縱向方向的管片裂縫在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)均有分布，右線隧道管片裂縫的分布密集程度大于左線隧道，且靠近基坑?xùn)|北角部位的管片裂縫密集程度略大于其他隧道區(qū)域，而此區(qū)域?yàn)樗淼浪轿灰坪拓Q向位移較大區(qū)域。可見(jiàn)，管片裂縫的發(fā)展與隧道水平位移、豎向位移密切相關(guān)。

圖10為雙線盾構(gòu)隧道典型的管片表面裂縫分布特征。

圖10 雙線盾構(gòu)隧道典型的管片表面裂縫分布特征Fig.10 Distribution of cracks on the typical segmental lining surface in the twin shield tunnels

由圖10可見(jiàn)，雙線盾構(gòu)隧道管片裂縫的發(fā)展方向基本與隧道長(zhǎng)度方向一致，管片裂縫相互平行，實(shí)測(cè)的管片表面裂縫寬度主要為0.20 mm左右，且裂縫并未貫穿管片的寬度，此類裂縫主要是由于管片環(huán)發(fā)生水平直徑增加，管片外表面受拉，而內(nèi)表面受壓形成的壓縮性裂縫。

4 結(jié) 論

依托武漢市地鐵區(qū)間鄰近某大型商業(yè)綜合體深基坑工程，結(jié)合1 000 d的鄰近地鐵盾構(gòu)隧道豎向位移和水平位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果，探究了在武漢粉砂地層中基坑施工全過(guò)程對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道變形的影響規(guī)律，并分析了隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的管片裂縫分布特征，主要得到如下結(jié)論：

(1) 大型基坑開(kāi)挖導(dǎo)致緊鄰盾構(gòu)隧道發(fā)生沉降和朝向坑內(nèi)的水平位移,結(jié)合基坑施工過(guò)程，盾構(gòu)隧道的沉降和水平位移可以劃分為4個(gè)階段。

(2) 在階段Ⅰ，基坑施工引起的隧道縱向沉降和朝向坑內(nèi)的水平位移曲線類似“U”形模式，基坑開(kāi)挖中部范圍內(nèi)的變形相對(duì)較大，最大沉降量和最大水平位移分別為7.1 mm和7.5 mm，均在右線隧道，且整個(gè)基坑施工階段隧道豎向位移與水平位移的發(fā)展趨勢(shì)相同，兩者變形具有一定的相關(guān)關(guān)系。

(3) 既有盾構(gòu)隧道在緊鄰深基坑開(kāi)挖施工作用下，引發(fā)了隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的管片裂縫，靠近基坑一側(cè)的右線隧道的管片裂縫數(shù)量均大于遠(yuǎn)離基坑的左線隧道；隧道的管片裂縫密集區(qū)域基本上與隧道較大沉降量和水平位移出現(xiàn)的區(qū)域相吻合。