暗挖通道與深基坑交叉施工對(duì)地鐵影響的研究

王慧穎

(江西省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊(duì)，江西 九江 332000)

近些年來，隨著城市人口密度的提高和城市化進(jìn)程的加速，城市地下工程與地鐵隧道在空間上的聯(lián)系越來越緊密，運(yùn)營(yíng)地鐵和建筑物地下室之間連通的情況越來越普遍[1]。通常與地鐵連接的水平通道采用淺埋暗挖法，豎向通道采用明挖法，二者開挖疊加產(chǎn)生的時(shí)空效應(yīng)將對(duì)既有的地鐵隧道產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力和造成形變等影響。當(dāng)前，現(xiàn)有地鐵隧道的變形是由于臨近的暗挖通道與深基坑開挖對(duì)其產(chǎn)生影響的相關(guān)研究尚不多見[2]。

為保證地鐵隧道正常安全通行，相應(yīng)的規(guī)范要求在國(guó)家級(jí)各省市均已出臺(tái)，對(duì)隧道因外部施工產(chǎn)生的變形提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。如：DBJ/T 15-120—2017廣東省城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范[3]提出的城市軌道交通結(jié)構(gòu)隧道的水平位移及豎向位移安全控制值不得大于15 mm，深圳市《軌道交通運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法(2021年版)》[4]要求車站及隧道結(jié)構(gòu)水平和豎向位移不得超過10 mm,GB 50911—2013城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[5]則要求隧道結(jié)構(gòu)沉降控制在3 mm～10 mm、隧道結(jié)構(gòu)上浮控制在5 mm、隧道結(jié)構(gòu)水平位移控制在3 mm～5 mm。以上規(guī)范辦法對(duì)于預(yù)先假設(shè)工況后建模計(jì)算得到的隧道變形程度以及針對(duì)隧道不同情況的變形進(jìn)行有效防護(hù)提出了更高質(zhì)量的要求。

內(nèi)容依托深圳地鐵1號(hào)線某車站改擴(kuò)建連接通道工程，采用有限元模擬分析方法，分析水平暗挖連接通道和深基坑交叉施工對(duì)既有地鐵隧道的變形影響，為類似地下工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 新建連接通道工程

此工程分為兩部分，如圖1所示。

1)A出入口連接通道改擴(kuò)建工程：在A出入口通道的基礎(chǔ)上向西拓寬，新建一條長(zhǎng)約30 m，凈寬5.1 m的通道。埋深約4.5 m，改擴(kuò)建段與隧道邊線最小的水平凈距離僅為3.3 m。改擴(kuò)建通道采用與原出入口相似的斷面形式，將初期支護(hù)搭接在既有通道初期支護(hù)上，二次襯砌與既有通道二次襯砌緊貼形成如圖2所示的“雙連拱”形式的結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)受力的合理性并減少對(duì)既有出入口的影響。

2)新建連接通道工程：位于北側(cè)地下1層商業(yè)和南側(cè)地鐵A出入口之間。明挖深度9.8 m～11.2 m，開挖面積約502 m2，周長(zhǎng)約52 m，新建段深基坑與隧道邊線最小距離為30.6 m。采用咬合樁+混凝土內(nèi)撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其中基坑南側(cè)的支護(hù)樁與原A出入口的共用，支護(hù)樁φ1.2 m@2.0 m，外側(cè)打一排φ0.6 m@0.4 m雙管旋噴樁止水。

1.2 場(chǎng)地地質(zhì)條件

原始場(chǎng)地地貌為剝蝕殘積的丘陵地貌，現(xiàn)狀地形是經(jīng)過人工先開挖后整平而成，平坦而開闊。新建連接通道所處地層自上而下按順序排列：①第四系人工填土層,②第四系沖洪積砂土層,③第四系殘積層,④基巖層。其中改擴(kuò)建工程主要存在于②礫砂層中，新建段基坑主要存在于①雜填土、②礫砂、③礫質(zhì)黏性土層中，各個(gè)巖土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)表

2 交叉施工影響分析

2.1 計(jì)算假定

1)基坑施工的計(jì)算為三維空間有限元問題。2)修正摩爾-庫(kù)侖模型被采用在本次巖土體本構(gòu)模型中。3)結(jié)構(gòu)體均采用線彈性材料模型。4)計(jì)算工程中將咬合樁和鉆孔灌注樁剛度等效為地連墻。5)模型土層選取最不利勘察孔，各土層分界面均假定為水平面。

2.2 計(jì)算模型

基于暗挖通道與深基坑交叉施工，為盡可能減少施工開挖對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的擾動(dòng)，須對(duì)暗挖通道和深基坑的施工順序進(jìn)行對(duì)比分析，確定合理施工順序。

建模時(shí)將X方向由基坑外緣擴(kuò)至3倍基坑深度，Y方向擴(kuò)至地鐵埋深3倍以上，豎向深度選取至強(qiáng)風(fēng)化土層以下至少1倍基坑深度。因此計(jì)算的三維模型取40 m高度，100 m寬度,單元共計(jì)約11.2萬個(gè)，如圖3所示。

土體材料參數(shù)詳見表2。模型頂面邊界自由零約束，底部施加X，Y，Z(豎向、水平和縱向)約束，左右前后邊界分別施加X(水平)和Y(縱向)約束。模型計(jì)算中涉及到的主要荷載含有各個(gè)土層、建(構(gòu))筑物的重力。對(duì)模型水平位移和底部的豎向位移進(jìn)行約束。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.3 工況分析

暗挖通道最頂端與既有地鐵隧道襯砌外壁距離僅3.3 m，其超前注漿的范圍與開挖進(jìn)尺的長(zhǎng)度決定了地鐵隧道變形的程度；隧道拱頂以上的深基坑開挖，會(huì)使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平變形和拱頂隆起。為分析二者單獨(dú)以及不同施工順序下對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生的變形影響，設(shè)置兩種不同工況的數(shù)值模型進(jìn)行研究，其施工工況如表3所示。

表3 數(shù)值模型不同工況

模型1：新建連接通道深基坑先施工，擴(kuò)建暗挖通道后施工。

模型2：擴(kuò)建暗挖通道先施工，新建連接通道深基坑后施工。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 地鐵隧道豎向位移對(duì)比分析

1)先深基坑明挖后鄰近通道暗挖。

通過有限元計(jì)算，分別得到模型1深基坑開挖完成時(shí)和暗挖通道完成時(shí)的隧道沉降云圖，如圖4所示。a.深基坑完成時(shí)，左線隧道(遠(yuǎn)離基坑側(cè))拱頂最大下沉0.21 mm，右線隧道(靠近基坑側(cè))拱頂隆起0.42 mm。b.暗挖通道完成時(shí)，左線隧道拱頂最大下沉0.32 mm，右線隧道拱頂隆起1.21 mm。同時(shí)，隆起發(fā)生最大變形的位置位于鄰近暗挖通道處。地鐵隧道的總豎向位移中35%是由深基坑開挖引起的，余下的65%是由暗挖通道開挖引起的。由此推斷，占比較小的是由基坑的開挖造成的隧道變形，靠近開挖側(cè)的隧道更易隆起。

2)先鄰近通道暗挖后深基坑明挖。

模型2地鐵隧道位移云圖如圖5所示，優(yōu)先施工鄰近暗挖通道，隨后施工深基坑。a.暗挖通道完成時(shí)，左線隧道(遠(yuǎn)離基坑側(cè))拱頂最大下沉為0.05 mm，右線隧道(靠近基坑側(cè))則拱頂隆起0.56 mm。b.深基坑完成時(shí)，左線隧道拱頂?shù)淖畲笙鲁翞?.33 mm，右線隧道則拱頂隆起0.67 mm，隆起發(fā)生最大變形的位置也位于鄰近暗挖通道處。地鐵隧道的總豎向位移中的83.5%是由暗挖通道開挖引起的，余下的16.5%是由深基坑開挖引起的。

提取通道暗挖及深基坑明挖左右線隧道各個(gè)拱頂節(jié)點(diǎn)的豎向位移數(shù)據(jù)，沿隧道縱向提取兩個(gè)模型的拱頂豎向位移量作進(jìn)一步的比較和分析，如圖6所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)研究，不同的基坑開挖深度，鄰近隧道有可能會(huì)出現(xiàn)沉降形變或是隆起形變。究其原因：一是與隧道頂部與基坑坑底之間距離有關(guān)；二是與基坑凈距有關(guān)。隧道頂部與基坑底部豎向距離越短，基坑開挖卸荷對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成的擾動(dòng)效果就越大，所以地鐵靠基坑側(cè)的右線隧道拱頂呈隆起趨勢(shì)，而與之相隔15 m的左線隧道基本上在基坑開挖的影響范圍之外[6],拱頂沉降數(shù)據(jù)差異相對(duì)較小，故暗挖通道開挖是地鐵隧道產(chǎn)生沉降的主要因素。

2.4.2 地鐵隧道水平位移對(duì)比分析

1)先深基坑明挖后鄰近通道暗挖。

模型1深基坑開挖完成時(shí)和暗挖通道完成時(shí)的隧道水平位移云圖如圖7所示。深基坑完成時(shí)，左線隧道水平位移最大值為0.79 mm，右線隧道水平位移最大值為2.09 mm；暗挖通道完成時(shí)，左線隧道水平位移最大值為1.02 mm，右線隧道水平位移最大值為2.71 mm，且水平發(fā)生最大變形的位置均位于暗挖通道處。深基坑開挖地鐵隧道產(chǎn)生的水平位移占總水平位移的77%，而暗挖通道開挖占比為23%。由此可見，基坑開挖產(chǎn)生的土體變形是影響地鐵隧道水平位移的決定性因素。

2)先鄰近通道暗挖后深基坑明挖。

模型2深基坑開挖完成時(shí)和暗挖通道完成時(shí)的隧道水平位移云圖如圖8所示。暗挖通道完成時(shí)，左線隧道水平位移最大值為0.18 mm，右線隧道水平位移最大值為0.49 mm；深基坑完成時(shí)，左線隧道水平位移最大值為1.0 mm，右線隧道水平位移最大值為2.56 mm，且水平發(fā)生最大變形的位置均位于暗挖通道處。暗挖通道開挖地鐵隧道產(chǎn)生的水平位移占總水平位移的19%，而深基坑占比為81%。由此可見，地鐵隧道產(chǎn)生水平位移的主控因素為深基坑明挖。

分析通道暗挖及深基坑明挖左右線隧道拱腰處的水平位移，沿隧道縱向提取兩個(gè)模型的水平位移值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

由圖9可知，模型1與模型2的水平位移最大值基本上一致，因此暗挖通道施工和深基坑施工的先后順序?qū)λ淼浪轿灰频挠绊懖⒉淮?，其影響最大因素為基坑開挖的深度。而左右線隧道水平位移值均大于拱頂沉降值，這是因?yàn)樗淼牢挥诨觽?cè)方，基坑土方開挖將釋放土體應(yīng)力，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向坑內(nèi)的水平位移，導(dǎo)致隧道靠近基坑一側(cè)的水平側(cè)向壓力減小，使隧道受到一個(gè)向坑內(nèi)的水平附加力，進(jìn)而使隧道產(chǎn)生向坑內(nèi)的水平位移，而暗挖通道施工經(jīng)過管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)等手段可以大大減弱其施工對(duì)正在運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響。

3 對(duì)既有隧道變形影響的控制方法

根據(jù)分析結(jié)果，隧道結(jié)構(gòu)拱頂位移主要由暗挖通道開挖決定，隧道結(jié)構(gòu)水平位移主要由側(cè)向基坑開挖決定。雖然隧道結(jié)構(gòu)的拱頂隆起及水平位移均滿足相關(guān)要求，但這是因?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)主要在側(cè)向基坑的微弱影響區(qū)內(nèi)[7]，如果出現(xiàn)超前支護(hù)不及時(shí)、基坑超挖或支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較大等情況，需進(jìn)一步提出控制隧道變形的方法。

1)暗挖通道使用“新意法”施工工藝。新意法通過全斷面超前注漿不僅能夠釋放超前核心土上的超限應(yīng)力，還能提高圍巖的承載能力[8]。這樣便可采用大型機(jī)械進(jìn)行全斷面開挖，不僅大大提高施工效率，還能減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，進(jìn)而減小既有隧道的變形量。2)基坑內(nèi) 被動(dòng)區(qū)和暗挖通道可先進(jìn)行地基處理，提高持力層土體物理力學(xué)參數(shù)，從而抑制地層變形，常采用的基坑加固方式有水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁和注漿加固等。3)基坑采用盆式開挖，從兩邊向中間對(duì)稱開挖，同時(shí)周圍預(yù)留反壓土臺(tái)可以對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)起反壓作用，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，減少形變及土體位移。

4 結(jié)論

1)對(duì)于既有地鐵隧道周邊存在暗挖通道與深基坑出現(xiàn)交叉施工的情形，比較合適的施工順序是優(yōu)先施工鄰近地鐵隧道的深基坑，再進(jìn)行暗挖通道的施工，可以有效保證既有隧道的結(jié)構(gòu)變形在合理范圍內(nèi)。2)暗挖通道的開挖由于存在卸載作用，會(huì)造成施工范圍內(nèi)地鐵隧道的拱頂隆起；明挖基坑的開挖同樣也會(huì)使周邊土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，從而使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑方向的位移。其豎向位移主要由暗挖通道控制，水平位移主要由深基坑控制，整體位移的大小主要是由深基坑來決定。選取的工程項(xiàng)目局限于深圳市坡殘積土及花崗巖地層，未考慮不同類型基坑不同開挖深度及其他地層條件等情況。因該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)階段尚未開始，后期需結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深一步的情況分析。