多分區基坑開挖及旁側盾構隧道變形實測分析

魏 綱, 郭丙來, 吳海峰, 王 哲, *, 陳 博, 孫 博

(1. 浙大城市學院 浙江省城市盾構隧道安全建造與智能養護重點實驗室, 浙江 杭州 310015;2. 浙大城市學院 城市基礎設施智能化浙江省工程研究中心, 浙江 杭州 310015;3. 浙江工業大學土木工程學院, 浙江 杭州 310014; 4. 浙江城建勘察研究院有限公司, 浙江 杭州 311112;5. 浙江工業大學信息工程學院, 浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展,位于既有盾構隧道旁側的基坑工程越來越常見。如上海某建筑基坑與軌道交通1號線區間隧道最近距離僅7 m[1];杭州地鐵1號線西側建筑基坑與地鐵區間隧道最近距離約11 m[2]。位于盾構隧道旁側的基坑在施工過程中,側壁卸荷作用會導致圍護結構變形,進而通過土體傳遞給旁側盾構隧道,在隧道襯砌上引起附加荷載,最終導致既有盾構隧道產生變形,而隧道變形過大則會影響地鐵隧道運營安全。Chang等[3]報道了在臺北捷運系統建設過程中,Panchiao Line隧道區間由于鄰近基坑開挖而破壞的工程案例。為了避免基坑開挖導致既有盾構隧道發生安全事故,既有盾構隧道對變形的要求相當嚴格。《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[4]明確規定盾構隧道豎向、水平位移以及徑向收斂不得大于20 mm。因此有必要針對基坑開挖引起的盾構隧道變形規律進行研究。

目前,國內外已有不少學者開展了基坑開挖引起鄰近盾構隧道變形的相關研究。在理論研究方面,ZHANG等[5]、魏綱等[6-7]基于兩階段分析法,首先,計算出基坑開挖引起的側壁卸荷應力;然后,利用Mindlin應力解,得到作用在盾構隧道上的附加荷載,建立位移平衡微分方程,求解得到隧道位移。數值模擬方面,戚科駿等[8]以上海某臨近隧道的基坑工程為例,利用有限元模擬軟件分析了開挖期間隧道變形規律,發現基坑底部的加固深度和開挖過程中的時間因素都影響著隧道的最終變形;鄭剛等[9]利用數值模擬分析方法劃分了基坑旁側盾構隧道的變形影響區;王利軍等[10]基于FLAC3D模擬了超大深基坑開挖對旁側盾構隧道的影響,發現地鐵隧道整體變形呈對稱分布,變形以水平位移為主,沉降較小,水平位移呈倒八字形。

由于基坑工程的復雜性以及隱蔽性,理論研究以及數值模擬方法均無法精確反映施工現場實際情況,而實測分析則能較好地揭示基坑開挖以及鄰近盾構隧道變形機制。魏綱等[11]基于杭州2號線地鐵旁側某基坑施工實測數據,提出分區開挖施工應先開挖遠離隧道側基坑,后開挖近隧道側基坑,并給出了地鐵隧道水平位移計算公式。邵華等[12]分析了上海裕年國際商務大廈基坑開挖期間旁側上海1號線的變形數據,同樣提出先開挖非地鐵側土方能有效減小盾構隧道變形;王立峰等[13]基于實測數據,提出基坑分塊開挖應考慮時空效應對臨近盾構隧道變形的影響,并提出隧道變位估算的預測公式。沈雯等[14]發現鄰近基坑開挖的區間隧道呈現沉降變形,水平向基坑側發生位移,且橫向發生水平收斂。許四法等[15]基于實際工程探究了基坑開挖全過程對旁側盾構隧道的變形影響。

以往學者多對實測分析方面開展研究,目前多分區大型深基坑工程案例比較少見,且針對開挖過程中基坑自身以及旁側隧道變形的協同分析也鮮有報道。基坑開挖過程中,基坑為擾動源,盾構隧道為作用對象,土體則是兩者之間的介質,基坑與隧道應視為一個系統。因此,探究基坑與旁側隧道的聯合變形規律對控制旁側盾構隧道的變形具有重要意義。

以杭州某鄰近地鐵7號線區間隧道基坑工程為背景,分析開挖期間基坑以及旁側盾構隧道的變形規律,探討基坑以及旁側盾構隧道兩者之間變形的協同響應機制。

1 工程概況和監測布置

1.1 工程概況

杭州市某基坑工程臨近既有7號線地鐵區間隧道,基坑地下3層區域呈方形,開挖長度約130 m,寬度約105 m,開挖深度14.81～15.95 m。地下3層基坑北側外掛一長條形地下1層小基坑,開挖長度為約69 m,寬度約7.1 m,開挖深度6.65 m。

地下1層和地下3層基坑圍護結構外邊線距北側地鐵7號線的最小凈距分別為7.96 m和12.5 m,如圖1所示。基坑分為A、B、C、D、E、F 6個區塊,其中F分為F1、F2。

隧道頂距離地下1層基坑底7.35～9.10 m,距地下3層基坑底-1.61～0.30 m。地下1層基坑(F區)采用鉆孔樁+三軸水泥攪拌樁+2道內支撐(1道鋼筋混凝土支撐、1道鋼支撐);近地鐵側(A區、B區)采用地下連續墻+3道鋼筋混凝土支撐+地中壁支護形式,其它區塊則采用鉆孔樁+三軸水泥攪拌樁+3道鋼筋混凝土支護形式,同時采用三軸攪拌樁施作止水帷幕、槽壁加固及被動區加固,如圖2所示。

圖2 基坑與隧道剖面圖

基坑開挖范圍內主要有填土、砂質粉土、淤泥質粉質黏土夾粉土;隧道主要位于淤泥質粉質黏土夾粉土和淤泥質粉質黏土夾粉土中如圖3所示。基坑坑底及隧道主要位于淤泥質粉質黏土夾粉土土層,局部為淤泥質黏土,干強度中等、壓縮性高、韌性中等。土層物理力學參數如表1所示。

基坑采用分層分塊開挖形式,施工順序總體為: 先同步開挖A、C區;待A和C區結構施工完成后,開挖B、E區;最后開挖D、F1和F2區。基坑從2020年10月22日開挖,具體工況和施工時間如表2所示。

圖3 基坑與隧道地質剖面圖

表1 各土層物理力學參數

表2 基坑施工工況

1.2 基坑監測點布置

圖4為基坑監測點布置圖。其中,CX表示基坑邊坡變形監測點,埋置于圍護結構后方土體內; DB表示地表沉降監測點,位于基坑頂部周邊; W表示墻頂垂直、水平位移監測點; ZC表示支撐軸力監測點。隧道右線75～260環為監測范圍,在基坑正投影區域每5環布設1個監測斷面,兩端外擴40環區域每10環布設1個監測斷面,右線共布設30個斷面。監測斷面布置如圖5所示。其中,隧道兩側1#和2#棱鏡監測隧道水平收斂,3#和4#棱鏡監測道床差異沉降,4#棱鏡監測道床沉降和水平位移。

2 基坑監測結果和分析

2.1 墻/樁頂垂直、水平位移

圖6為A和C區開挖階段墻頂垂直以及水平位移圖。A區由于施工場地原因,監測點W2、W4、W5、W6在開挖期間長期處于覆蓋狀態,數據缺失嚴重,因此僅選擇監測點W1、W3和W7數據。圖中垂直位移正值代表隆起,水平位移正值代表向基坑側變形,后同。

由圖6可知,監測點W1由于A區北側空地材料堆放的原因,呈現出與其他監測點不一致的垂直位移發展趨勢,在A區底板澆筑完成后墻頂垂直位移仍表現為沉降。除監測點W1外,A和C區第1層土方開挖后墻頂均呈現沉降變形趨勢,而隨著基坑的進一步開挖,墻頂變形逐漸發展為隆起變形。原因是: 第1層土方開挖時,挖深較小,基坑底部卸荷有限,不足以抵消圍護結構自重的影響,因此墻頂表現為沉降;而隨著基坑的進一步開挖,坑底卸荷量進一步增大,坑底回彈增加,圍護結構逐漸上抬。程康等[16]在分析杭州市某基坑開挖性狀時也得到了同樣的結論。基坑開挖導致圍護結構承受主動土壓力,墻頂呈現向基坑內側位移的趨勢。C區各測點墻頂水平位移均隨著基坑挖深的增加而逐漸增加,各層土方開挖后,墻頂最大水平位移分別為5、9、12 mm;而在澆筑底板后,墻頂水平位移均有一定程度的減小。

圖4 基坑監測點布置圖

圖5 盾構隧道監測斷面布置圖

圖6 A和C區開挖階段墻頂垂直及水平位移圖

圖7示出了B和E區開挖階段墻頂垂直及水平位移。A、C區于2020年11月底開挖,而B區在2021年9月底才開挖,此時B區圍護結構自重引起的沉降已基本穩定,因此,與A、C區不同,B區墻頂沉降隨著開挖的進行,始終呈現隆起狀態,且隨著挖深的增加,墻頂隆起呈現增加的趨勢。由于A、C區結構的隔斷作用,B區南側測點W21、W22、W23以及西側測點W24在開挖階段的水平位移均較小。針對分區開挖施工,要注意控制優先開挖分區的變形,同時在支護方案設計階段也應考慮施工順序的影響。

圖8示出了D和F區開挖階段墻頂垂直及水平位移。由圖可看出,F區開挖引起的變形較小; D區W35隨著基坑挖深的增加,墻頂沉降逐漸增大的同時,墻頂向基坑內側偏移。

基坑開挖時,圍護結構自重會對圍護結構頂部沉降產生影響,當開挖卸荷量小于圍護結構自重時,圍護結構發生沉降;當卸荷量發展到足以抵消圍護結構自重時,則發生隆起。

2.2 地表沉降

圖9—11示出A、B、C區開挖期間不同工況、不同監測點的地表沉降變形曲線,圖中工況對應表2中的工況,負值表示沉降。圖9—11所示的地表沉降規律與2.1節中所述的墻頂位移規律一致。A區開挖期間,大部分地表監測點均發生了不同程度的沉降;B區開挖過程中,地表監測點首先呈現沉降的趨勢,隨后發生一定的隆起變形,最終趨于穩定;而C區開挖過程中,大部分監測點呈現隆起變形。

圖7 B和E區開挖階段墻頂垂直及水平位移圖

圖8 D和F區開挖階段墻頂垂直及水平位移圖

圖9 A區開挖階段地表沉降

圖10 B區開挖階段地表沉降

2.3 深層土體水平位移

選取典型土體監測點(CX1、CX10、CX17、CX24、CX26、CX27)進行深層土體水平位移分析。圖12示出了典型深層土體水平位移曲線,其中正值表示向基坑內位移。

由圖12(a)可知,監測點CX1的水平位移不斷增大。隨著基坑開挖深度的增加,土體變形最大位置逐漸下移,且都在開挖深度附近,變形主要呈現復合型模式(中間大、兩邊小)。底板澆筑完成后,監測點CX1最大變形為49.24 mm,略大于報警值40 mm。

由圖12(b)可知,土體監測點CX10在基坑開挖前期表現為懸臂型變形模式。與CX1有所區別,監測點CX10淺層土體在開挖期間頂部表現為向坑外變形,這可能是A、C區相對開挖卸荷引起的。西側A區開挖體量大,則土體卸荷應力大,導致C區東側圍護結構發生向坑外變形,底板澆筑完成后,CX10最大變形約35 mm。

由圖12(c)可知,由于C區結構已經完成,且B區尺寸較小,監測點CX17的變形較CX1和CX10小,最大水平位移為25 mm左右。監測點CX1、CX10、CX17的變形都隨著基坑開挖深度的增加,變形最大位置逐漸下移,且都在開挖深度附近。

由圖12(d)可知,E區開挖期間監測點CX24的深層土體變形呈現復合型模式,隨著基坑開挖深度的增加,變形逐漸增加。與前面不同的是,其變形的最大位置始終在第2道支撐附近,這可能與監測點CX24所處的土體分層情況有關。與CX1、CX17、CX24一樣,基坑開挖到底后,均進行了及時封底,控制了土體進一步變形。

(a) 監測點CX1 (b) 監測點CX10

(c) 監測點CX17 (d) 監測點CX24

(e) 監測點CX26 (f) 監測點CX27

由圖12(e)可知,F區挖深較小,監測點CX26最大水平位移僅為12.5 mm左右。由于D區鄰近的A、B、C、E區結構均已完成,當D區開挖到底時,CX27的變形較小,最大變形僅為27 mm左右。但是由于開挖到底后未及時封底,底板澆筑完成時,CX27的最大變形區發展到35 mm。

2.4 支撐軸力分析

考慮到數據的完整性,以C區為例分析開挖期間支撐軸力變化。圖13為C區開挖期間支撐軸力變化。第1層土方開挖期間,圍護結構上土體卸荷應力主要由第1道支撐承受;隨著挖深的增加,第1道支撐的軸力逐漸增加,第1層土方開挖完成時,第1道支撐最大軸力達到3 286 kN。第2道支撐架設后,在第2層土方開挖過程中,第2道支撐承擔了主要的土體卸荷應力,此階段第1道支撐軸力不再進一步發展,第2道支撐軸力則隨著開挖深度的增加而逐漸增大。同樣,第3道支撐架設之后,隨著第3層土方的開挖,第3道支撐軸力逐漸增大,而第1道和第2道支撐軸力則趨于穩定。

圖13 C區支撐軸力實測分析

3 隧道監測結果和分析

3.1 隧道道床沉降分析

地鐵右線隧道監測區域為75～260環,圖14示出了基坑不同施工階段右線道床沉降變形曲線,其中負值表示沉降。

如圖14所示,A、C區開挖直至底板封閉施工,地鐵右線隧道產生了一定的道床沉降,且集中在基坑對應區域。其中,A區對應的區域(170～220環)距基坑邊界更近,道床沉降普遍大于C區對應的區域(105～140環)。A、C區底板澆筑完成后到B區開挖區間為A、C區結構施工階段,值得注意的是,在此階段,右線隧道道床發生了顯著的沉降。這與邵華等[12]提出的“挖土支撐階段是對地鐵結構影響最大的階段”有所出入,結構施工對隧道道床沉降的影響甚至大于開挖階段。因此,在結構施工階段,應控制基坑內材料以及設備的堆積,避免進一步加劇鄰近地鐵隧道的沉降。

圖14 基坑不同施工階段右線道床沉降曲線

B、E區開挖期間,已完成的結構并未對隧道產生封閉隔離作用,隧道道床沉降進一步發展,變形主要集中在140～225環。E區結構完成后,由于A、C區和B、E區的結構對隧道產生隔離效應,因此D區開挖期間,隧道道床沉降變化較小,基本穩定。隧道道床最終沉降接近20 mm,因此在施工完成之后,對局部變形過大的盾構區間進行了修復和鋼環加固。

選取4個有代表性的隧道監測位置(120環、155環、190環、215環),分析隧道道床沉降隨著開挖時間的變化規律,如圖15所示。A、C區開挖期間,隧道道床沉降有一定的發展,但是變化不大。而在結構施工階段,隧道道床沉降有顯著的變化,原因有: 1)由于軟土在受力變形過程中存在時間效應,即土體變形延遲,因此,基坑開挖產生的土體位移無法在隧道變形上得到瞬時響應; 2)結構施工階段,大自重結構的施工相當于坑底堆載,進一步增大了隧道的道床沉降變形。與A、C區類似,B、E開挖期間,隧道道床沉降得到進一步發展。120環斷面的道床沉降變化幅度不大,是因為120環對應C區開挖區域,而此時C區結構已完成,對該區域的土體起到較好的支撐作用,因此B、E區開挖對120環斷面的道床沉降影響不大。同樣地,在結構施工階段,道床沉降有進一步發展。由于F區基坑挖深小于隧道埋深,因此D、F區開挖期間,隧道有一定的上抬,但由于F區基坑開挖尺寸較小,對隧道的上抬作用并不明顯。

圖16為典型隧道監測點在不同施工階段的道床沉降增量圖。A、C區結構施工階段是隧道道床沉降發展最快的階段,而在D、F區開挖期間,各點均有一定的隆起。

3.2 隧道水平位移分析

圖17為基坑不同施工階段右線隧道水平位移曲線,其中正值表示向基坑方向位移。如圖17所示,與一般案例中基坑開挖引起的鄰近隧道水平位移呈正態分布不同[11, 17],本項目基坑開挖完成后,隧道水平位移呈現“高低雙峰”狀。75～125環為低峰,150～250環為高峰。而雙峰之間的低谷對應環號為125～150環,對應C區開挖區域環號。由圖17可知,高低峰落差產生主要集中在A、C區底板澆筑完成到B區開挖前這一階段,距離較近的A區對應的隧道區域水平位移發展遠大于距離較遠的C區對應的隧道區域水平位移發展。因此,在A、C區結構施工至B區開挖前,鄰近隧道產生差異性水平位移的原因是由前文提到的軟土變形時間效應以及基坑分區與隧道相對位置2個因素疊加造成的。

圖15 右線隧道道床沉降隨開挖時間變化

圖16 右線隧道道床沉降增量圖

由圖18示出的右線隧道水平位移隨開挖時間的變化曲線可知,各點變化趨勢一致,水平位移均隨著基坑開挖時間逐漸增大。與圖15道床沉降變化規律類似,在A、C區結構施工階段,各點水平位移有較大的變化,190環隧道斷面水平位移由1.3 mm增加到5.3 mm,結構施工期間增加的水平位移約是開挖階段的3倍。因此,要盡量縮短結構施工時間,避免隧道變形進一步發展。

圖17 基坑不同施工階段右線水平位移曲線

圖18 右線隧道水平位移隨開挖時間變化

圖19為右線隧道典型監測點在不同施工階段的水平位移增量圖。與圖16相同,各個點均在A、C區結構施工階段水平位移發展最快。

圖19 右線隧道水平位移增量

3.3 隧道水平收斂分析

圖20為基坑不同施工階段右線水平收斂曲線,正值表示水平拉伸,負值表示水平壓縮。與道床沉降以及水平位移不同,隧道水平收斂曲線在A、C施工階段并未呈現變形滯后性。原因是: 隧道管片結構為剛性材料,基坑卸荷應力作用在管片結構上時,會即刻反應在管片收斂變形上。隨著基坑施工步驟的進行,右線隧道呈現水平拉伸狀,且水平收斂越來越大,這與黃迅等[18]得到的規律一致。

圖20 基坑不同施工階段右線水平收斂曲線

圖21為右線隧道水平收斂隨開挖時間的變化情況。由圖可知,在A、C區開挖階段,基坑側壁卸荷應力作用在隧道管片結構上,隧道水平位移有較大的發展。但是與隧道水平位移及道床沉降不同,水平收斂在A、C區結構施工階段并未進一步增大,而是趨于穩定,這是因為: 管片結構的水平收斂對附加應力的響應是瞬時的。因此在結構施工期間,水平收斂已達到穩定。而隨著B、E區開挖,附加荷載進一步作用在管片結構上,水平收斂進一步發展,由于B、E區開挖的附加應力較小,水平收斂增大的幅度并不大。后續施工階段,水平收斂與道床沉降以及水平位移變形規律一致,皆趨于穩定。

圖21 右線隧道水平收斂隨開挖時間的情況變化

3.4 隧道與基坑監測數據聯合分析

聯合基坑以及隧道變形數據,總結基坑開挖對隧道影響模式。基坑施工各階段隧道水平變形如圖22所示。本工程基坑圍護結構和隧道均向基坑側位移,A、C區施工時,臨近隧道側監測點CX1和CX9的土體深層水平位移分別為49.24 mm(深度19 m)、34.02 mm(深度16 m)。由于近隧道側圍護結構變形量的不同以及A、C區與隧道水平距離的不同,導致A、C區施工后,隧道出現“雙峰”形水平位移曲線。由于B區更靠近盾構隧道,且對應“小峰”區域,而E區與隧道間隔著已完成結構的A區,因此B、E區施工時,“小峰”發展程度大于“大峰”,但隧道變形曲線仍呈現“雙峰”狀。F區開挖深度小,D區與隧道間隔著已完成結構的B區,因此D、F區施工對隧道縱向變形影響有限,最終隧道縱向變形仍呈現“雙峰”狀。

圖22 基坑施工各階段隧道水平變形示意圖

基坑開挖后,圍護結構在坑內外壓力差的作用下向基坑內側變形,且在坑底卸荷的作用下,圍護結構發生一定的隆起,坑外土體同時沿著一定的位移路徑隨著圍護結構向坑內位移,此時地表發生沉降,旁側盾構隧道不僅發生沉降,還向基坑側產生了位移。從隧道橫向變形來看,在土體位移的作用下,隧道呈現水平向拉伸的“橫鴨蛋”狀,如圖23所示。

圖23 基坑開挖變形示意圖

以A區為例,分析土體測斜與隧道水平位移的時程關系。盾構隧道在A區對應區段埋深約15 m,土體及對應的隧道斷面在同樣深度下的位移時程曲線如圖24所示。如圖24所示,在開挖40 d以后,土體監測點CX1和CX2的位移均有明顯的提升。監測點CX1從40 d的3.73 mm發展到100 d的46.64 mm;監測點CX2從40 d的1 mm發展到100 d的23.91 mm。然而,對應的隧道210環和180環水平位移在40～100 d波動不大;直至100 d之后,隧道水平位移才有相應的增大,相比于土體而言,隧道水平位移變形有60 d左右的滯后性;隧道沉降時程規律與水平位移規律一致,同樣較土體而言大致有60 d左右的滯后性。原因是前文所說的軟土變形時間效應,導致土體應變無法對應力做出即時響應。因此,基坑開挖結束后仍需關注鄰近隧道的變形數據。

圖24 A區土體和對應隧道位移時程曲線

4 結論與建議

1)基坑開挖時,圍護結構自重會對圍護結構頂部沉降產生影響。當開挖卸荷量小于圍護結構自重時,圍護結構發生沉降;當卸荷量發展到足以抵消圍護結構自重時,則發生隆起。

2)基坑結構施工階段產生的鄰近盾構隧道道床沉降及水平位移增量顯著大于基坑開挖階段,結構施工期間增加的水平位移約是開挖階段的3倍。應盡量縮短結構施工時間,避免隧道變形進一步發展。

3)軟土變形的時間效應可能導致基坑旁側地鐵隧道的道床沉降及水平位移響應滯后60 d左右,應重視隧道道床沉降及水平位移的工后變形。

限于實際工程的客觀原因,本文未能分析基坑各分區間開挖互相影響,未能收集坑底隆起、圍護結構側向土壓力、孔隙水壓力等數據,也未能完整分析基坑開挖對鄰近隧道的變形機制,后續可進一步開展相關現場監測研究。