黃土區基坑開挖引起下臥地鐵隧道變形分析及控制措施研究*

楊 焜,朱武衛,劉 義,席 宇,王寶玉,楊 曉

(陜西省建筑科學研究院有限公司,陜西 西安 710082)

0 引言

地鐵出行是城市通勤最重要的交通方式,近年來發展快速,地下縱橫交錯的地鐵管線與城市地下空間開發的矛盾日益激烈。如何避免或預測地下工程對既有運營地鐵的影響,以及如何在施工過程中進行既有地鐵的保護和變形控制,成為順應時代發展、推動城市建設的重大研究課題。

基坑開挖將誘發近接地鐵隧道的變形,其受基坑與隧道的相對位置、基坑的開挖面積與深度、土體屬性等的影響,并可采取技術措施加以控制。國內學者及工程技術人員業已進行了一系列的研究工作,吳加武[1]基于DCFEM法提出了基坑開挖對緊鄰地鐵隧道影響的預測方法,并通過Midas GTS NX對緊鄰深基坑的地鐵隧道進行了開挖影響分析,研究了基坑與隧道的相互作用機理。鄧旭[2]通過有限元模擬對比分析了不同圍護結構變形模式下既有地鐵隧道的變形特性,并按深度對隧道的變形影響區進行了劃分。魏綱等[3]基于Mindlin位移解和疊加原理提出了基坑開挖時鄰近隧道的位移計算公式,通過算例分析了隧道位置、基坑開挖尺寸及加固控制措施改變對既有地鐵隧道位移的影響。張書豐等[4]依據施工監測資料研究了長江漫灘地區深基坑施工時鄰近隧道變形的主要影響因素,并通過修正慣用法進行了定量分析,提出了隧道的應急保護措施。

通過數值計算進行基坑開挖過程中鄰近隧道變形的特征和敏感性分析,評估外部作業或隧道變形控制措施的可行性,已成為地下工程近接地鐵隧道安全性評估的重要手段,是規范中推薦使用的方法之一。本文以西安火車站北廣場基坑工程為例,研究了黃土區基坑開挖對下臥地鐵隧道的變形影響,分析了采用基坑分區開挖、隧道周邊土體加固等措施時隧道的變形控制效果。

1 工程概況

西安火車站北廣場綜合改造項目位于西安市新城區。其基坑工程的部分開挖區域位于既有地鐵4號線正上方,如圖1所示。圖中地下1層、地下2層基坑分別開挖至地下-8.000 m和-13.500 m,坑底與下臥既有地鐵隧道豎向距離分別為6.5 m和1 m。在此情況下,如何在施工過程中控制隧道變形,確保地鐵4號線的運行安全是本項目施工作業的重難點。

圖1 基坑開挖范圍Fig.1 Excavation range of foundation excavation

2 工程地質條件

根據項目的工程地質勘察報告,場地地形基本平坦,整體呈西低東高之勢,平均標高403.500 m。地貌單元屬黃土梁洼,場地土自上而下分為雜填土、黃土、古土壤和粉質黏土。按土性可劃分為7層,各層土體的物理力學參數如表1所示。

表1 土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

3 有限元模型

3.1 模型尺寸

以基坑和隧道作為研究對象建立三維有限元模型,考慮到基坑開挖對土體的擾動范圍,計算邊界自基坑邊往外延伸約5倍的基坑深度[5],整體模型尺寸為260 m×180 m×50 m,如圖2所示。

圖2 基坑數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model of foundation excavation

3.2 單元類型及材料參數

土體選用3D實體單元及修正莫爾-庫倫本構模型。在基坑開挖時,土體處于卸荷狀態,修正莫爾-庫倫本構能夠較好地體現其加、卸荷時的剛度差異,避免出現使用莫爾-庫倫本構時坑底回彈量過大的問題[6-7]。連排的支護樁根據剛度等效原則考慮成地下連續墻[8],與隧道盾構管片均采用2D板單元,錨桿采用1D植入式桁架單元[9]。各結構材料參數如表2所示。

表2 結構材料參數Table 2 Parameters of structural materials

3.3 荷載及邊界條件

模型所受荷載為土體、結構自重及地面超載,其中超載按均布荷載20 kPa考慮。模型上方為自由面,底部為固定約束,四面約束法向位移[10]。

4 隧道變形分析

按照不分區開挖方案進行施工階段數值模擬,在開挖前先施工地下1層基坑的支護樁,而后進行基坑整體開挖,每次開挖深度為2 m,直至地下1層坑底;底下2層基坑施工同樣按先支護后開挖的方式進行。據此設置模型的分析工況,并對施工完成后的基坑及隧道變形加以分析。基坑開挖完成后的豎向變形如圖3所示。

圖3 基坑豎向變形Fig.3 Vertical deformation of foundation excavation

基坑因開挖卸荷而產生坑底隆起,這是引起基坑下臥地鐵隧道變形的主要原因,圖中坑底的最大隆起點位于地下2層基坑“┐”形拐角處,達到23.24 mm。

基坑開挖過程中,下臥地鐵隧道主要發生隆起變形,水平向變形較小。選取隧道拱券頂部沿軸線方向的若干節點,得到各節點的豎向變形在基坑開挖過程中的發展趨勢如圖4所示,其中橫坐標表示與模型中隧道最南端的距離,橫坐標的最小值、最大值表示的位置分別為隧道的南端和北端。

圖4 不同開挖工況下隧道豎向變形Fig.4 Vertical deformation of tunnel under different excavation conditions

由圖4可以看出,開挖范圍內的下臥隧道在基坑開挖過程中產生不均勻的整體抬升,隧道的隆起變形在地下1層基坑開挖過程中增長迅速,在地下2層基坑開挖過程中增長放緩,其中隧道兩端的沉降變形是由地面超載引起的。

隧道最大隆起變形在施工過程中的增長趨勢如圖5所示。其中橫坐標表示開挖工況,s1為初始狀態,s2～s5為底下1層基坑分別開挖2,4,6,8 m時,s6～s8為地下2層基坑分別開挖2,4,5.5 m時。

圖5 開挖過程中隧道最大豎向變形發展趨勢Fig.5 Development trend of maximum vertical deformation of tunnel during excavation

從圖5可以看到,左線隧道的最大隆起變形在整個施工過程中均大于右線隧道;隧道的變形在地下1層基坑開挖過程中發展較快,當地下1層基坑開挖完成后,左、右線隧道的隆起已經達到了其最終變形的85.3%,79.8%。

基坑開挖完成后,隧道的豎向最終變形如圖6所示。

圖6 隧道豎向變形Fig.6 Vertical deformation of tunnel

圖中左、右線隧道的最大隆起部位位于基坑南部,分別為11.09 mm和10.29 mm,已經超出了城市軌道交通結構安全控制的預警值。

5 隧道變形控制措施研究

文中下臥既有地鐵隧道在基坑開挖過程中發生了較大的隆起變形。對于隧道的變形控制,常有兩種方式:①減小基坑變形,可通過加強基坑支護或開挖方案優化等來實現;②提升隧道周邊土體的整體性和抗變形能力,可通過注漿或攪拌樁加固、設置抗拔樁來實現。本文將分別研究基坑開挖方案優化及隧道周邊土體加固對隧道變形的控制效果。

5.1 開挖方案優化分析

基坑的變形具有顯著的時空效應,通過對基坑進行分區開挖以控制單次開挖卸荷的范圍和路徑,可以更好地發揮基坑的時空效應,減小土體擾動,在敏感環境中尤其適用[11-12]。

5.1.1分區開挖方案

根據基坑的平面形狀和施工技術要求,擬定了分區跳倉開挖方案,分區施工如圖7所示。圖中地下1層基坑共有9個分區,開挖深度為8 m,施工時開挖順序如下: ① ③開挖→ ②開挖→ ④ ⑥開挖→ ⑤開挖→⑦ ⑨開挖→ ⑧開挖,施工過程中需對開挖分區相鄰的未開挖分區進行臨時支護。圖中黑色粗線圍成的區域為地下2層基坑,開挖深度為5.5 m,由于開挖面積較小,待地下1層基坑開挖到底后直接進行不分區開挖。

圖7 分區開挖施工Fig.7 Construction of zoned excavation

按分區施工圖進行適當簡化后,將基坑模型劃分成9個網格組,如圖8所示。

圖8 分區基坑模型Fig.8 Model of zoned foundation excavation

5.1.2隧道變形對比分析

按上述分區開挖方案調整施工步序,得到了分區開挖施工的隧道變形,其豎向最終變形如圖9所示。

圖9 隧道豎向變形Fig.9 Vertical deformation of tunnel

從隧道的豎向變形來看,分區開挖完成后左、右線隧道的最大隆起值為9.50 mm和8.86 mm,相比不分區開挖時分別降低了1.59 mm和1.43 mm,降幅為14.3%和13.9%。由此可見,分區開挖對隧道的變形控制是有利的,但其控制效果一般。究其原因,一方面是該基坑的開挖面積和深度并不大,而時空效應則主要是在大面積深基坑中發揮著顯著作用;另一方面,要想充分發揮基坑的時空效應,需盡量縮短坑底土體的暴露時間,并及時澆筑底板和施作主體結構,本文中未考慮施作主體結構。

相較不分區開挖,分區開挖除了使隧道變形減小之外,施工過程中隧道沿其軸向的豎向變形發展趨勢亦有所不同,如圖10所示。

圖10 不同開挖工況下隧道豎向變形Fig.10 Vertical deformation of tunnel under different excavation conditions

通過與圖4的對比可以看出,隧道的豎向變形呈現明顯的施工相關性。分區開挖時,左線隧道的隆起變形在開挖第①③分區、第④⑥分區和地下2層基坑時發展迅速;右線隧道在開挖第①③分區、第⑤分區和地下2層基坑時發展較快。隧道的大部分隆起變形發生在第①～⑥分區開挖過程中,且集中在距離隧道南端60～80 m。相較不分區開挖,雖然兩者在最終開挖完成后沿軸線方向的豎向變形分布基本一致,但分區開挖在初期階段的變形就較為集中,隧道中部沿軸向的差異沉降較大。第⑦～⑨分區的開挖對隧道的最大隆起變形部位基本無影響,但一定程度上減小了隧道中部的差異沉降。

綜上所述,分區開挖可以減小隧道的隆起變形,但在開挖初期隧道沿軸向的隆起變形較不分區開挖時更加集中。根據不同卸荷路徑下的隧道變形規律,可對分區方案進行調整,應先開挖基坑南北兩側的第①～③分區和第⑦～⑨分區,而將位于基坑中部的第④～⑥分區放至最后開挖。

5.2 隧道加固措施研究

通過注漿或水泥土攪拌樁的方式進行地層加固,可使原本的松散土粒膠結在一起,增強土體的整體性,提高其物理力學性質。還可在管線兩側打設抗拔樁從而依靠樁側摩阻力來抵抗開挖卸荷產生的豎向拉應力,兩種方法均可實現對施工過程中地下管線的變形控制[13-14]。

5.2.1隧道加固方案

在基坑不分區開挖的基礎上,擬對隧道周邊土體進行攪拌樁加固處理。因基坑位于既有地鐵隧道正上方,故對隧道上方條形范圍內的土體進行加固是必要措施。將隧道橫截面上的底部兩端作為起點,以與水平線成45°+φ/2的角度向上延伸至基坑底部,其間距即為隧道上方合理加固寬度,如圖11a所示,本文中隧道上方土體加固寬度b取為27 m。由于隧道頂部距離地下1層基坑坑底僅有6.5 m,在扣除隧道頂部的保護區域后其上方土體的最大加固深度取5 m,故在方案1、方案2中隧道上方土體加固深度h分別取2.5 m和5 m,以分析其不同加固深度時隧道的變形控制效果。加固土的材料屬性如表3所示。

表3 加固土力學參數Table 3 Mechanical parameters of reinforced soil

鑒于隧道上方土體的加固深度受限,且局部加固土在地下2層基坑開挖時即被挖除,遂在隧道上方土體加固的前提下又提出了在隧道側方進行土體加固和設置抗拔樁的強化控制措施。根據規范中明挖外部作業的工程影響區劃分[5],將抗拔樁長度和側方土體加固范圍從坑底向下延伸至基坑開挖的一般影響區外,故側方土體加固深度取12 m,抗拔樁長度取18 m。方案3為隧道上方及側方土體加固結合使用的門式加固方案,如圖11b所示;方案4為隧道上方土體加固及兩側設置抗拔樁結合使用的板凳式加固方案,如圖11c所示;方案5是前述3種加固措施疊加應用的混合加固方案,如圖11d所示。加固時隧道周邊1 m范圍內為保護區域,不進行處理。

5.2.2加固效果對比

按前述加固方案進行模型分析,各方案對隧道變形的控制效果如表4所示。

從表4可以看出,進行隧道上方、側方土體加固和設置抗拔樁,都能達到抑制隧道變形的效果,其中按方案2～5進行加固后均可使隧道最大隆起值小于規范中的預警值。

通過未加固方案與方案1、方案2的對比,在隧道上方進行土體加固的變形控制效果與加固深度成正比,當加固深度達到5 m時,隧道的最大隆起變形降低約15%,與分區開挖效果相當。由于局部加固土在地下2層基坑開挖過程中被挖除,這在一定程度上削弱了上方土體加固對隧道的變形控制效果。采用了兩種及以上加固措施的方案3、方案4和方案5相比未加固時可分別使隧道最大隆起變形降低約33%,43%和56%,加固效果顯著。

方案3相較方案2,隧道最大隆起變形減小了約18%,這說明對隧道進行側方土體加固同樣可以抑制基坑開挖時下臥隧道的豎向變形。但在隧道側方加固深度達12 m的情況下,其變形控制效果僅與隧道上方加固5 m時相當。故針對基坑下臥隧道的豎向變形控制,進行隧道側方土體加固沒有上方土體加固有效,可在上方加固深度不足的情況下再考慮側方土體加固。

方案4相較方案2,隧道最大隆起變形減小了約28%,這說明在隧道兩側設置抗拔樁的加固效果明顯優于隧道側方土體加固。

方案5相較方案2,隧道最大隆起變形減小了約41%,其隧道加固效果小于方案3、方案4分別相對于方案2的提升效果的疊加(46%),這說明多種加固措施的耦合使用雖然仍能進一步抑制隧道的變形,但卻產生了效用損失。

5.3 施工效果評價

在綜合考慮經濟性及工期要求的基礎上,西安火車站改擴建項目位于地鐵4號線上方的基坑區域,采用優化后的分區開挖方式進行施工,并在開挖前對4號線隧道采取了板凳式加固方案,即采用水泥土攪拌樁對隧道上方土體進行加固,并沿隧道長度方向在其兩側打設隔離樁。在基坑開挖過程中對4號線左、右線隧道的頂部位移進行監測。監測數據顯示,左、右線隧道在施工過程中僅發生了輕微隆起,開挖到底時左、右線的監測點最大豎向變形分別為4.12 mm,2.57 mm,遠小于城市軌道交通結構安全控制的預警值。這表明,采用分區開挖和板凳式隧道加固方案,對隧道變形具有良好的控制效果。

6 結語

1)下臥地鐵隧道因基坑開挖卸荷而產生變形響應,在基坑不分區開挖時左、右線隧道的最大隆起值分別為11.09 mm和10.29 mm,已超出城市軌道交通結構安全控制指標的預警值。

2)對本工程采取分區跳倉開挖方案,可使隧道最大隆起變形相比不分區開挖時降低約14%。基于不同卸荷路徑下隧道的變形規律,對原分區開挖方案進行了調整,將位于基坑平面位置中部的分區調整至最后階段開挖。

3)對比5種隧道加固方案,結果表明:進行隧道上方土體加固對隧道的變形控制效果較好,且與加固深度成正比。在隧道上方土體加固的前提下,結合側方土體加固的門式加固方案、結合抗拔樁設置的板凳式加固方案及綜合運用3種措施的混合加固方案,均可顯著抑制下臥隧道豎向變形且加固效果依次提高。在隧道上方土體加固的基礎上增加其他加固措施時,設置抗拔樁優于進行側方土體加固,建議優先選擇單一加固措施,混合加固方案可在單一加固措施無法滿足變形控制要求時選用。

4)在實際施工時采用了分區開挖和板凳式隧道加固方案,其隧道變形控制效果良好,確保了施工過程中的地鐵運行安全。