基坑施工全過程對鄰近雙線隧道影響實測分析*

任東興,薛 鵬,高曉峰,黃 海,邵 康,王全超

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司,四川 成都 610023; 2.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031; 3.上海京海工程技術有限公司,上海 200137)

0 引言

近年來,在城市交通網絡的建設過程中,運營交通隧道周邊基坑開挖逐漸增加。在保證既有隧道安全運營的前提下,基坑開挖對周邊環境影響成為重點關注的問題之一[1-2]。

針對基坑開挖對鄰近隧道的影響,許多學者采用數值分析[3-9]、模型試驗[10-13]和理論分析[14-16]等方法開展相關研究。實際環境中,鄰近既有隧道受基坑開挖與多種周邊環境因素影響,基坑開挖變形的時間與空間特征在數值模擬、模型試驗和理論分析方法中并不能完整體現對既有隧道的影響。然而,實測分析既有隧道與開挖基坑相互影響的關系可較好地指導基坑施工,并維護既有隧道的安全運營。劉庭金[17]詳細分析了鄰近基坑開挖對地鐵隧道的位移、收斂和變形曲率的影響。王立峰等[18]利用基坑監測數據進行擬合,對鄰近隧道的變位進行評估。丁智等[19]分析了基坑施工全過程對隧道位移和收斂的影響,并歸納出地表最大水平側移與隧道水平位移、水平收斂的擬合關系。許四法等[20]詳細分析不同施工階段隧道的變形模式與機理,同時定量評價了基坑開挖前圍護結構施工對隧道變形的影響。

現有研究注重基坑開挖施工對鄰近隧道的影響[21-23],較少關注施工前圍護結構對施工的影響。本文結合實際案例,研究上海地區既有隧道受鄰近基坑開挖的影響,總結靠近既有隧道側基坑圍護結構的側向變形與地表沉降分布規律。最后定量評價施工各階段隧道位移與收斂變形的比重。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本項目位于上海市浦東新區,基坑形狀大致呈長方形,尺寸約為100m×60m,基坑總面積6 000m2,開挖深度20.8m。基坑南側(靠近公路隧道一側)邊長約為100m,采用1 000mm厚地下連續墻作基坑圍護結構,外側采用700mm厚TRD等厚度水泥土攪拌墻作為止水帷幕并使用槽壁加固,內側采用直徑850mm、間距600mm三軸水泥土攪拌樁[24]。三軸水泥攪拌樁被動區加固體與地下連續墻間隙采用直徑800mm、間距600mm的高壓旋噴樁填充[24]。

隧道位于基坑南側,隧道東線與圍護結構凈距約10m,隧道西線與圍護結構凈距約33.4m。隧道中心埋深為20.50～22.50m,雙線隧道直徑均為11.36m。基坑與雙線隧道相對位置關系與剖面如圖1,2所示。

圖1 基坑與雙線隧道剖面(單位:m)Fig.1 Profile of foundation excavation and double-line tunnel(unit:m)

1.2 水文地質概況

基坑開挖影響范圍內的土層主要物理力學性質參數[25]如表1所示。擬建場地主要地下水類型為淺部土層中的潛水與深部的承壓水,潛水位埋深1.23～1.47m,承壓水水位埋深5～7m。

表1 土層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

基坑采用順作法施工。從2019年7月15分別進行TRD、三軸攪拌樁、地下連續墻和被動區土體加固施工,基坑圍護結構施工和全過程開挖工況如表2所示。

表2 施工工況Table 2 Construction conditions

1.3 監測項目布置

監測項目布置如圖2所示。隧道布置測點區間長度約240m,基坑開挖長度約104m。東線隧道位移測點24個(D20W～D43W),收斂測量線9條。西線隧道位移測點21個(X19W～X39W),收斂測量線11條。

圖2 基坑與隧道平面位置關系(單位:m)Fig.2 Plane location of foundation excavation and tunnel(unit:m)

隧道豎向位移正值表示隧道向上隆起,負值表示隧道向下沉降;水平位移正值表示隧道朝靠近基坑方向偏移,負值表示隧道朝遠離基坑方向偏移;水平收斂正值表示隧道直徑比原始直徑更大,負值表示隧道直徑比原始直徑更小。

基坑南側測點布置如圖3所示。監測內容包括基坑南側地下連續墻側向位移隨深度變化(WL1～WL4),地下連續墻頂豎向位移(QD1～QD4)和基坑南側地表沉降(DB1～DB4)3個方面。

圖3 基坑南側監測點布置(單位:m)Fig.3 Layout of monitoring points on the south side of the foundation excavation(unit:m)

2 基坑與隧道實測分析

2.1 基坑實測

2.1.1地下連續墻側向位移

地下連續墻側向位移在不同階段的開挖曲線如圖4所示,可看出側向位移沿深度的分布呈肚脹形,與之前研究結果相吻合[26-27]。隨著開挖深度逐漸增加,肚脹形曲線形狀也越來越明顯,最大位移對應的基坑深度位置也逐漸下移。階段1中圍護結構基本無變形,這是由于第1道支撐底部以下在基坑開挖前被動區土體8.5m范圍內采用三軸水泥攪拌樁進行加固,被動加固區能在開挖側對地下連續墻提供較大的抗力。在階段2側向變形也較小,由于地下連續墻靠近基坑側被動區土體被挖走一部分,墻后的土壓力也較階段1更大。但階段3～5中,每個開挖階段的側向位移明顯增加,這是由于基坑土體被挖走,墻后土壓力進一步增加所致,反映出基坑開挖的深度效應[27]。

圖4 地下連續墻側向位移沿深度變化曲線Fig.4 Lateral displacement of underground diaphragm wall with depth

此外,基坑南側圍護結構側向變形也受到基坑空間位置的影響,從圖4中可看出靠近基坑邊角處的側向位移比遠離基坑邊角側的側向位移更小。因為基坑邊角側的約束更強,導致變形更小。基坑圍護結構隨深度方向的側向位移也將會影響隧道變形[5]。再次證明了在基坑開挖期間需對隧道進行監測來保障隧道的安全運營。

2.1.2地表豎向變形

地下連續墻頂處豎向位移與附近地表豎向位移隨著基坑開挖的變化規律如圖5所示。基坑圍護結構地表和墻頂位移隨著開挖深度的增加逐漸增加。這是由于基坑開挖后,土體卸荷回彈,地下連續墻有向上隆起趨勢,地下連續墻與周圍土的相互作用,帶動墻后一定范圍土體向上移動,因此在墻后一定范圍內的土體表現為隆起。但地下連續墻對墻后土體的影響范圍有限,本文案例中,地表隆起范圍未超過2m。

圖5 基坑外雙線隧道上方地表豎向變形Fig.5 Vertical deformation of the ground surface above the double-line tunnel outside the foundation excavation

在地下連續墻2m范圍外,地表的位移主要表現為沉降,沉降曲線呈V形,在距離地下連續墻約6.5m位置處,沉降值最大。其中距離基坑中心近的測點最大沉降值大于遠離基坑中心測點,體現基坑變形的空間特征。此外,在開挖階段1,2時,土層開挖深度小,圍護結構的側向變形也較小,因此地表沉降也小。地表沉降在階段3開始發生顯著變化,這是由于基坑開挖對周邊環境的影響存在明顯的深度效應。

地表沉降影響范圍是東線隧道所處位置上方,東線隧道上方地表沉降必然對隧道所處的應力場發生變化,導致東線隧道位移與結構變形,因此基坑開挖時對鄰近運營隧道的變形監測十分重要。

2.2 隧道實測

2.2.1隧道豎向位移

雙線隧道區間不同位置處豎向位移隨著開挖階段變化曲線如圖6所示。雙線隧道總體豎向位移變化并不大,東線隧道在-2.3～+5mm變化,西線隧道在-2.5～+3.6mm變化,東線隧道變化幅度更明顯,主要原因是東線隧道更加靠近基坑(距離10m)。

圖6 雙線隧道沿縱向豎向位移變化曲線Fig.6 Vertical displacement along the longitudinal direction of thedouble-line tunnel

雙線隧道沿縱向豎向位移對應基坑開挖范圍內變化明顯,且均表現為隆起,這是由于基坑開挖導致坑底土體回彈,同時坑外土體向坑內移動,隧道受到斜向上作用,使隧道在豎向產生上浮現象。東線隧道受土體回彈和土體側向位移的影響更大,因此豎向位移數值更大。西線隧道離開挖基坑位置距離更遠(凈距33.4m),豎向位移變化更小。隧道豎向位移受基坑與隧道間距影響較大。值得注意的是,階段5基坑底板施工完成使基坑圍護結構更具整體性,限制了基坑底部土體回彈。隧道豎向位移在基坑中心線位置向兩邊方向隆起值迅速回落。

根據相關單位要求,確定既有隧道豎向位移累積變形報警值為-10～+10mm。本案例中雙線隧道的實測豎向位移值均小于報警值,說明基坑開挖過程中位移控制措施合理。

2.2.2隧道水平位移

以東線隧道為例說明,其縱向水平位移變化如圖7所示。在階段1隧道水平位移由遠離基坑方向變為靠近基坑方向,可見隧道的水平位移對基坑開挖卸荷較敏感。階段3后開挖深度與隧道頂埋置深度接近,階段4隧道水平位移迅速增加,階段5開挖深度已達到隧道底部埋置深度,而且階段5中基坑底板施工完成,此時基坑圍護結構更具整體性,隧道水平位移在基坑中心東側呈小幅回落。此外,階段5中基坑圍護結構的側向變形最大值位置位于基坑以上范圍,基坑底部對應圍護結構側向變形相對更小,對鄰近隧道水平位移的影響也變小。

圖7 東線隧道縱向水平位移變化曲線Fig.7 Horizontal displacement along longitudinal direction of eastern tunnel

同時,根據相關單位討論確定雙線隧道豎向位移累積水平位移報警值為-10～+10mm。本案例中雙線隧道的實測水平位移值均小于要求報警值,說明基坑開挖時位移控制措施得當。

2.2.3隧道水平收斂

以東線隧道為例,沿縱向水平收斂值如圖8所示。從圖8可得,在階段1～3時,基坑開挖深度小于在隧道頂部埋置深度,隧道的水平收斂變化較小,對于隧道結構形狀影響較小。在階段4～5時,基坑開挖深度范圍在隧道埋置深度內,隧道水平收斂值開始明顯增加。

圖8 東線隧道沿縱向水平收斂變化曲線Fig.8 Horizontal convergence displacement along longitudinal direction of eastern tunnel

東線隧道水平收斂位移變化范圍為-0.8～3.6mm,西線隧道水平收斂位移變化范圍為-1.0～2.9mm。根據相關單位要求,隧道水平收斂累積位移報警值為-5～5mm。本案例中雙線隧道水平收斂位移滿足隧道正常運營要求。

3 隧道與基坑變形的關系

根據前面分析可知,東線隧道水平位移、豎向位移及水平收斂位移受基坑施工與開挖影響更大。以東線隧道為例,對基坑施工開挖階段中鄰近既有隧道各階段位移變化進行定量分析。

距基坑中心線東側9m位置基坑圍護結構最大位移與對應位置處東線隧道的位移關系如圖9a所示。其中,基坑圍護結構測點為WL3,東線隧道位移測點為D32W,水平收斂測線為D32S(見圖2)。從圖9a中可看出隧道豎向位移在階段1快速增加,在階段2～5均隨著圍護結構側向位移的增加而增加,趨勢也基本一致。水平位移與豎向位移變化趨勢相同,但水平位移整體上比豎向位移更小。水平收斂位移呈現基本相同變化趨勢,但是增加快慢有所不同。階段1～3隧道水平收斂值緩慢增加。階段4～5,水平收斂值快速增長,主要原因是基坑開挖深度達到隧道的埋置深度區間,而且圍護結構在深度區間內側向位移最大,同時最大側移對應圍護結構位置與隧道的凈距最小。靠近基坑側隧道受土體卸荷影響向坑內移動,隧道水平側土壓力迅速減小,對隧道的側向限制減小,而隧道豎向仍受坑底土回彈的影響,開挖深度越大,坑底回彈量也越大。隧道在豎向壓力增加,而水平壓力減小情況下,橫截面由圓形向扁平狀發展,因此隧道水平收斂值迅速增加。

圖9 地下連續墻頂豎向位移隨時間變化Fig.9 The vertical displacement of the top of the underground diaphragm wall varies with the construction stage

東線隧道在各施工時階段位移變化量占總位移百分比如圖9b所示。隧道水平位移變化量在未開挖階段占比較大(36%),說明基坑圍護結構施工產生擠土作用,對水平位移有較大影響,在基坑設計施工中應引起重視。階段1中隧道水平位移變化量占比也較大(51%),說明隧道水平位移受基坑開挖卸載影響較大,但基坑設計中在第1道支撐以下范圍內基坑被動區采用三軸水泥攪拌樁進行加固,在階段2～4水平位移變化量占比明顯減小。但在階段5由于基坑底板(底板厚1.1m)澆筑完成,限制基坑水平位移發展,隧道水平位移變化量占比也明顯降低。

隧道豎向位移變化量在基坑施工各階段主要受到基坑開挖后土體回彈影響,由于在開挖過程中及時進行混凝土支撐,豎向位移變化量在各階段(階段2～4)占比較一致(22%,24%和25%)。但是在階段5豎向位移變化量占比(12%)較前面階段明顯降低,是由于基坑底板澆筑形成,使基坑圍護結構形成整體,有效限制土體回彈。

隧道水平收斂位移變化量在基坑施工期間也受擠土作用的影響,隧道收斂直徑變化量占比-21%。但是隨著基坑開挖深度增加,圍護結構的側向變形逐漸增加。階段4～5中基坑開挖深度對應隧道埋置深度區間,隧道水平收斂位移變化量占比分別為31%和57%,可見基坑開挖深度與隧道埋置深度相對關系對隧道水平收斂位移具有重要影響。在基坑施工中,當基坑開挖深度與隧道埋置深度相同時,應密切關注隧道水平收斂位移發展。

4 結語

1)基坑地表位移與側向位移分布規律體現了基坑開挖過程中的空間效應和深度效應,同時基坑開挖變形影響范圍均與隧道的空間位置重合,因此,對隧道位移和水平收斂的監測十分重要。

2)距離基坑更近的隧道明顯受基坑施工影響更大。隧道水平位移與豎向位移均在基坑開挖范圍內變化顯著,在基坑中心線附近呈現最大值,且隨著開挖深度的增加,整體上位移也逐漸增加。此外,基坑圍護結構的施工對隧道水平位移的影響也不應被忽視。

3)水平位移在基坑圍護結構施工和初始開挖階段累積較快,豎向位移在各階段呈現較均勻累積,在基坑底板施工完成后,豎向位移和水平位移變化百分比均明顯減小。

4)隧道水平收斂不僅僅影響基坑開挖范圍,也影響基坑開挖以外的范圍,應引起工程技術人員的重視。隧道水平收斂值在基坑開挖到接近隧道埋置深度時快速增加,隧道逐漸趨向于壓扁變形。對于該階段基坑施工應密切關注隧道結構形狀對正常運營的影響。