基坑分塊開挖對鄰近地鐵隧道變形影響實(shí)測分析

蘇鳳陽，許 磊，葛金明，韓亞飛，朱林輝，董毓慶

（1. 杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310017；2. 杭州地鐵運(yùn)營有限公司，浙江杭州 310017；3. 上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200063；4. 杭州巖通科技有限責(zé)任公司，浙江杭州 310005）

1 研究背景

基坑工程施工導(dǎo)致隧道周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，鄰近盾構(gòu)隧道道床產(chǎn)生沉降，同時(shí)管片的橫、縱截面都會產(chǎn)生收斂變形。為保證基坑開挖過程鄰近運(yùn)營隧道的安全，需研究基坑開挖對鄰近運(yùn)營地鐵隧道變形影響程度。

畢書琦[1]等以南寧某基坑工程為背景，通過實(shí)測分析研究基坑開挖施工對下臥隧道的影響，得出基坑分區(qū)開挖不能減小管片的凈空收斂的結(jié)論。呂秋玲[2]等通過數(shù)值模擬研究基坑開挖對鄰近地鐵軌道的變形影響，驗(yàn)證抗拔樁可以有效減少軌道側(cè)移，在進(jìn)行基坑開挖時(shí)，軌道水平向有較大影響而豎向無影響，在開挖過程中，軌道側(cè)移最大的位置并不是出現(xiàn)在離基坑最近的位置。張治國等[3]對上海某基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究周邊地表在基坑不同開挖階段的變化情況，得出周邊地表總體呈下沉趨勢，大致呈拋物線形分布的規(guī)律。趙志孟等[4]運(yùn)用MIDAS/GTS有限元軟件模擬基坑開挖的支護(hù)方案，研究基坑開挖對隧道位移及應(yīng)力的影響，使用“地連墻+三道內(nèi)環(huán)撐”進(jìn)行基坑支護(hù)可以有效控制變形。魏綱[5]收集14個(gè)國內(nèi)基坑工程實(shí)例的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)類比分析得出盾構(gòu)隧道的最大豎向位移均為隆起，并提出隧道最大隆起值的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式，通過基坑開挖對下方某地鐵線路盾構(gòu)隧道變形的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性。劉庭金[6]對某區(qū)間隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究建筑群基坑施工對隧道區(qū)間的變形影響，解析誘發(fā)道床開裂和水溝翻漿冒泥病害的原因。丁智等[7]通過對鄰近已運(yùn)營地鐵隧道的基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出基坑開挖全階段施工過程的深層土體側(cè)向位移與鄰近地鐵隧道變形之間的規(guī)律，研究基坑開挖的施工危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)與重點(diǎn)影響區(qū)域，對其加強(qiáng)監(jiān)測并設(shè)置保護(hù)措施。陳仁朋[8]等對下臥盾構(gòu)隧道的基坑進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)隧道的上浮變形與卸載率近似呈線性關(guān)系。劉天正[9]分析了U形槽基坑開挖對隧道的影響，發(fā)現(xiàn)開挖卸荷導(dǎo)致隧道受水平壓縮、豎向拉伸的力，收斂為“豎橢圓”形狀。李長安[10]通過數(shù)值軟件發(fā)現(xiàn)基坑開挖會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的水平位移和彎矩增大，軸力減小。

目前，學(xué)者對于基坑開挖對隧道產(chǎn)生影響的研究已有一定的成果，但是對于基坑分塊開挖對鄰近運(yùn)營隧道影響的研究還相對較少。本文以杭州某鄰近已運(yùn)營地鐵隧道的基坑為背景，對基坑分塊開挖過程的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究基坑分塊開挖對周圍環(huán)境及地鐵隧道影響，為今后類似工程提供設(shè)計(jì)思路與施工指導(dǎo)建議。

2 工程概況

2.1 工程簡介

該工程由5個(gè)地塊組成，其中2#地塊位于隧道區(qū)間以及整個(gè)車站的東側(cè)。基坑面積約20 210 m2，周長約761 m，場地標(biāo)高5.30 m，開挖深度10.4～10.9 m，開挖過程分8個(gè)坑進(jìn)行開挖。基坑采用圍護(hù)墻 +止水帷幕的復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置2道混凝土支撐，支撐間距約10.0 m。坑內(nèi)外無降水，坑內(nèi)坑外采用排水溝、集水井明排。隧道頂部埋深約9.9～10.6 m，與基坑開挖深度相近，2#地塊與地鐵隧道的最近距離為13.1 m，基坑及隧道的位置關(guān)系如圖1所示，圖1中深綠色為700 mm厚的水泥加固土地下連續(xù)墻，桔黃色為800 mm厚的地下連續(xù)墻，淺綠色為直徑850 mm的三軸攪拌樁。

圖1 基坑與地鐵隧道的位置關(guān)系（單位：m）

2.2 水文地質(zhì)條件

基坑開挖深度范圍內(nèi)主要分布3層地下水，上層地下水性質(zhì)屬孔隙潛水，下層地下水性質(zhì)屬承壓水和基巖裂隙水，地下水位深度為1.5～3.0 m。土層信息如表1所示，基坑坑底位于4-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層，圍護(hù)樁樁底位于5-1粉質(zhì)黏土、5-2粉質(zhì)黏土夾黏土層。

表1 土層信息

3 監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

基坑的監(jiān)測內(nèi)容主要為深層土體水平位移及地表沉降。隧道監(jiān)測主要工作內(nèi)容包括：隧道結(jié)構(gòu)道床水平位移、隧道結(jié)構(gòu)道床豎向位移、管片收斂、道床差異沉降。監(jiān)測點(diǎn)具體布置情況如圖2所示，其中DBC2-X為各地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，CX2-18、CX2-19及CX2-20為各分坑深層土體監(jiān)測點(diǎn)，其余編號為隧道監(jiān)測斷面，每5環(huán)一個(gè)斷面，各分坑的開挖順序?yàn)锽1→C2→B2。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

4 土體變形分析

4.1 深層土體水平位移分析

由于CX2-19監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，故只分析B1、B2分坑開挖過程中深層土體水平位移，如圖3所示，其中縱坐標(biāo)為深度，橫坐標(biāo)為水平位移，正值為土體向坑內(nèi)移動(dòng)，負(fù)值為土體向坑外移動(dòng)。從整體上看，基坑開挖過程中地下連續(xù)墻外側(cè)土體深層水平變形曲線表現(xiàn)為向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，各測點(diǎn)的最大水平位移均出現(xiàn)在基坑底面上3.9 m至底面下2.1 m區(qū)間內(nèi)。

圖3 深層土體水平位移曲線圖

結(jié)合不同工況下地下連續(xù)墻外側(cè)深層土體水平位移的變化趨勢可知，開挖階段曲線為中間大兩端小的“鼓肚型”，隨著開挖深度的增加，基坑外側(cè)土體向坑內(nèi)移動(dòng)愈加明顯，深層土體的水平位移變化不斷增大。在底板澆筑及拆撐階段，深層土體的水平位移變化很大，這是因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)較長時(shí)間無支撐，約束土體變形的效果削弱，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平向位移，引起地層進(jìn)一步側(cè)向移動(dòng)。該階段CX2-18的曲線仍為“鼓肚型”而CX2-20曲線呈一大一小的“雙峰型”，這是由于施工順序引起的。B2基坑開挖致6.9 m時(shí)，B1基坑已經(jīng)澆筑完底板、C2基坑在開挖第3層土體，整個(gè)基坑已開挖面積相對較大且相互連通導(dǎo)致支撐對土體變形的約束效果削弱，而B1基坑的底板限制坑底土體的位移，所以，B2基坑土體的最大水平位移出現(xiàn)在第2道支撐處，而B1基坑土體的最大水平位移出現(xiàn)在坑底且第2道支撐處位移相對較少。因此，實(shí)際工程中基坑開挖應(yīng)盡量合理采用分層、分塊開挖。

4.2 基坑外側(cè)地表沉降分析

圖4 為基坑外側(cè)地表沉降變化曲線，橫坐標(biāo)為施工階段，縱坐標(biāo)為地表沉降值，正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。由圖4可知，基坑開挖初始階段的深度較小，坑外土體向坑內(nèi)移動(dòng)并不劇烈，坑外地表沉降都較小，隨著開挖深度的增加，坑外地表沉降逐漸增大。這是由于開挖深度增大引起坑外土體的主動(dòng)土壓力增大，土體向坑內(nèi)移動(dòng)劇烈，導(dǎo)致坑外土體發(fā)生較大的沉降變形，而拆撐時(shí)地表沉降的增大是由無支撐狀態(tài)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)約束效應(yīng)減小引起的。對比測點(diǎn)DBC2-20、DBC2-21、DBC2-22可以發(fā)現(xiàn)，靠近隧道一側(cè)的地表變形相對較小，筆者認(rèn)為這是由于隧道自身的結(jié)構(gòu)剛度在一定程度上能夠減少土體變形。

圖4 基坑外側(cè)地表沉降曲線圖

5 隧道變形分析

5.1 隧道道床沉降分析

圖5為基坑開挖時(shí)隧道道床的沉降曲線圖，橫坐標(biāo)為隧道環(huán)號，縱坐標(biāo)為道床沉降值，正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。由圖5可知，上、下行線的道床沉降相差不大，在-2.1～2 mm間波動(dòng)。基坑開挖至1.2 m時(shí)隧道道床沒有產(chǎn)生較大變形，隨著開挖的進(jìn)行，道床產(chǎn)生明顯隆起，這說明隧道頂部與基坑底部之間的土層越薄，基坑卸荷引起的擾動(dòng)傳遞越明顯，道床的隆起變形越大。對比2條隧道的道床沉降可以發(fā)現(xiàn)，下行線離基坑較近，道床變形以隆起為主，且開挖過程中隆起變形相對較大；上行線道床變形在基坑范圍內(nèi)以隆起為主，但基坑范圍外的道床變形以沉降為主，且底板澆筑及拆撐階段變形相對較大。

圖5 隧道道床沉降曲線圖

5.2 隧道道床差異沉降分析

圖6 為基坑開挖時(shí)隧道道床差異沉降隨各工況變化曲線圖，縱坐標(biāo)為道床差異沉降值。由圖6可知，道床差異沉降主要發(fā)生在70～130環(huán)，隨著開挖深度的增加差異沉降更為明顯，同時(shí)拆撐階段差異沉降變化也很大。對比上、下行線的差異沉降曲線可以發(fā)現(xiàn)，基坑范圍內(nèi)下行線的差異沉降值更大，這說明距離基坑越近，隧道道床受到的變形影響越劇烈。

圖6 隧道道床差異沉降曲線圖

5.3 隧道道床水平位移分析

圖7為基坑開挖時(shí)各工況下隧道道床水平位移曲線圖，縱坐標(biāo)為道床水平位移值，正值代表隧道向坑外移動(dòng)，負(fù)值代表隧道向坑內(nèi)移動(dòng)。由圖7可知，隨著開挖的進(jìn)行，隧道道床向坑內(nèi)移動(dòng)。基坑開挖卸荷改變土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，隨著開挖的進(jìn)行，卸載量增大，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土層發(fā)生向基坑內(nèi)的移動(dòng)，引發(fā)鄰近隧道的水平變形，且隧道側(cè)向土壓力逐漸減小，造成隧道道床的水平位移持續(xù)增長。對比上、下行線的道床水平位移，開挖階段，2條隧道的道床水平位移值相差不大，而底板澆筑及拆撐階段，下行線的道床水平位移明顯較大，由此可知底板澆筑及拆撐時(shí)，距離基坑越近，受到的影響越大。

圖7 隧道道床水平位移曲線圖

5.4 隧道管片收斂分析

圖8 為隧道管片收斂隨工況的變化曲線，縱坐標(biāo)為管片收斂值，正值代表隧道橫向直徑變大，負(fù)值代表隧道橫向直徑變小。由圖8可知，未開挖前，上、下行線隧道管片均已產(chǎn)生較大的水平收斂變形，說明施工前的各種施工措施產(chǎn)生的擾動(dòng)會造成隧道發(fā)生變形。隨著基坑開挖工作的進(jìn)行，隧道上、下行線的隧道橫向直徑增加，但整體來看管片收斂主要發(fā)生在開挖前。

圖8 隧道管片收斂曲線圖

6 結(jié)論

本文以杭州某鄰近已運(yùn)營地鐵隧道的基坑工程為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測，對周圍土體及地鐵隧道變形進(jìn)行實(shí)測分析，主要結(jié)論如下。

（1）土體及地表變形主要發(fā)生在基坑開挖及拆撐階段，因此，基坑開挖應(yīng)盡量合理采用分層、分塊開挖，避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)較長時(shí)間無支撐。后開挖的分坑需加強(qiáng)第2道支撐的剛度。

（2）隧道自身的結(jié)構(gòu)剛度在一定程度上能夠減少基坑開挖引起的土體變形。

（3）基坑范圍內(nèi)道床變形以隆起為主，但基坑范圍外的道床變形會隨基坑與隧道距離的增大由隆起變?yōu)槌两担揖嚯x基坑越近，隧道道床受到的影響越劇烈。

（4）基坑開挖前圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工對管片收斂變形影響很大，需重視開挖前隧道的收斂變形。開挖過程中，對道床水平和豎向位移的影響效果相同，應(yīng)同時(shí)重視道床水平和豎向變形。