密貼運營地鐵隧道兩側基坑合理開挖步序研究*

雷文革,周子涵,王林楓,周小涵

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,湖北 武漢 430056; 2.重慶大學土木工程學院,重慶 400045)

0 引言

隨著地下空間日趨復雜,城市新建隧道、地下商場等與周圍環境相互影響的情況越來越多,工程施工面臨極大挑戰[1-4]。新建基坑緊鄰既有運營隧道時,基坑施工必然會對既有地鐵隧道產生擾動,影響既有地鐵線的正常運營,甚至造成嚴重的安全事故[5-6]。

對此,國內外已有豐富的相關研究。Sun等[7]、張治國等[8]基于兩階段分析法對基坑開挖引起的鄰近地鐵隧道變形進行深入研究;張玉成等[9]、高廣運等[10]利用數值模擬的方法,分別分析了既有地鐵隧道上方和一側基坑開挖對既有地鐵盾構隧道的卸荷隆起變形和不對稱變形及其應力關系;Ye等[11]采用數值模擬的方法,對工程實例進行優化及安全性評價,發現基坑開挖對隧道的影響與距離、基坑一次開挖步深、工程地質條件等密切相關;鄒偉彪等[12]結合現場監測數據和數值模擬結果,發現基坑開挖對隧道不僅產生縱向沉降,也使隧道結構本身產生一定的橫向變形;胡海英等[13]對廣州某深基坑鄰近地鐵隧道工程進行了動態監測和數值模擬分析,表明基坑開挖可能增大隧道圍壓,與基坑位置、支護體系等有關;劉繼強等[14]總結了既有地鐵隧道近接基坑群開挖產生的隆沉變形規律。

然而,上述研究多是關于單個基坑或單側基坑對既有隧道的影響,對于既有地鐵運營隧道兩側基坑近接施工問題研究較少,更鮮有基坑密貼既有隧道施工的相關報道。此外,既有線兩側基坑常無法保證同時開挖,目前對其開挖合理步序研究仍比較缺乏。在建廣州地鐵12號線赤崗站被既有地鐵8號線隧道貫穿,既有線兩側車站基坑與隧道密貼,且施工期間隧道不停運。受施工設計、基坑尺寸與地質條件影響,兩側基坑開挖不同步,對基坑及隧道變形影響未知。

因此,本文采用數值計算方法,探究密貼既有運營地鐵隧道兩側基坑不同步開挖對基坑及隧道變形的影響,結合現有地鐵隧道及基坑工程變形控制標準,提出基坑合理開挖步序。

1 工程概況

1.1 工程背景

廣州地鐵12號線赤崗站位于海珠區核心區,車站西側為獵德大橋,東側為新港中路,北側為黃埔涌,南側為既有8號線赤崗站。受場地限制,車站局部站廳層上跨、站臺層下穿既有8號線明挖段磨碟沙站—赤崗站區間。車站主體為地下4層(局部5層)島式站臺車站,車站總長169.5m,標準段寬23.7m,車站采取分期分段的施工方式。

既有地鐵8號線區間隧道為矩形斷面,列車采用6節編組的A型列車,最高設計時速為80km/h,車站基坑開挖期間不停運。既有線西側1號基坑寬23.71m,長51.68～67.67m,開挖深度26.70～27.79m;既有線東側2號基坑寬約35.50m,長27.97～45.15m,開挖深度26.79～27.88m。基坑與隧道的相對位置及基坑周邊環境如圖 1所示。圖中陰影覆蓋部分為地鐵12號線赤崗站范圍,其中紅色陰影表示本文研究的既有隧道兩側基坑,基坑圍護結構與隧道限界距離僅為0.5m;藍色陰影為新建12號線赤崗站其余部分,本文研究的工程階段該區域暫未開始施工。基坑及新建地鐵車站沿東西方向局部斷面如圖 2所示,既有地鐵8號線隧道貫穿新建地鐵車站,基坑開挖完成后,進行主體結構施工。

1.2 基坑支護形式

西側1號基坑與東側2號基坑的圍護結構均采用(φ1 200+φ1 000)@1 800鉆孔咬合樁+內支撐的支護形式,5道內支撐均為鋼筋混凝土支撐,其中第1道支撐尺寸為800mm×800mm,其余4道支撐尺寸均為900mm×1 000mm,1號基坑和2號基坑內5道支撐的尺寸及標高一致。基坑支護形式及地層巖性鉆孔如圖 3所示。

1.3 場區工程地質條件

場區地下水按賦存方式劃分為第四系松散層孔隙水和塊狀基巖裂隙水,地表水和地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性,對混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。

2 數值計算模型

2.1 計算模型的建立

運用3D建模軟件Rhino ceros 6.0建立三維仿真模型并生成網格,然后將網格導入FLAC3D 6.0有限差分軟件對基坑開挖過程進行模擬。為避免模型邊界條件對基坑開挖產生額外影響,考慮圣維南原理,模型尺寸由基坑邊緣向外擴展3～5倍基坑深度,取基坑深度為27.1m,基坑邊緣距模型邊緣應不小于81.3m。綜合考慮后,取模型總尺寸為長×寬×高=258.0m×201.0m×80.0m。計算模型如圖4～6所示。

計算過程中,巖土體、隧道結構、基坑圍護結構均采用實體單元,其中淤泥、淤泥質土、粉質黏土和殘積粉質黏土等軟土的本構模型選用修正劍橋彈塑性模型(Modified-Cam-Clay),其他巖土體的本構模型選用莫爾-庫倫彈塑性模型(Mohr-Coulomb)模擬,隧道結構、基坑圍護結構的本構模型選用完全線彈性模型。內支撐系統(支撐、立柱和樁)采用FLAC3D提供的梁單元及樁單元。

2.2 材料參數選取

參考《赤崗站主體結構詳細勘察階段巖土工程勘察報告》選取地層主要計算參數,隧道結構及基坑圍護結構主要計算參數按鋼筋混凝土結構參數選取,內支撐系統參數按實際設計尺寸計算選取。勘察報告中部分地層物理力學參數指標如表1所示,結構計算參數如表2所示。

表1 地層物理力學參數

表2 結構計算參數

2.3 列車動荷載實現

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》表4.1.5,廣州地鐵8號線所用A型列車每節車廂共4軸,固定軸距2.2～2.5m,最大軸重16t,車鉤連接中心點間距22.8m。在模擬中實現既有隧道列車運營動荷載,可將列車荷載簡化為靜荷載[15-16]。本文采用《地鐵設計規范》10.3.4條,將列車動荷載轉化為豎向活荷載(包括豎向靜活載及列車動力作用),即列車豎向靜活載乘以動力系數(1+μ),其中μ按TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規范》規定的值乘以0.8。由該規范4.3.8可知,本模型隧道頂覆土深度超過3m,不考慮列車動力作用,故μ取0。

2.4 模擬施工步驟及計算工況

為方便數值模擬的實現,將現場施工中每個基坑的施工工藝簡化為如表 3所示的施工工序,采用FLAC3D中的“空單元”模擬基坑土體開挖。模擬基坑開挖前,需先依次進行原始地應力平衡和隧道開挖的模擬,計算至平衡后對模型位移清零,然后再模擬基坑施工。每側基坑在正式開挖(步驟1)前,均先進行圍護結構及中格構柱的施工(步驟0)。

為研究既有地鐵隧道兩側基坑合理開挖步序,設計數值計算工況如表4所示,表中所述每個施工步如表3所示,表示開挖1層且施作相應支撐。需要說明的是,其中工況1表示既有隧道兩側基坑同時開挖,并同時開挖到底;工況7表示西側1號基坑開挖到基底并計算至平衡后,東側2號基坑才開始開挖;工況13表示東側2號基坑開挖到基底并計算至平衡后,西側1號基坑才開始開挖。

表3 模擬中單個基坑施工步驟

表4 計算工況

3 基坑與既有線變形特征分析

3.1 基坑圍護結構側移

兩基坑南側與北側圍護結構最大側移曲線如圖7所示。可以看出,不同開挖工況對基坑南北兩側的圍護結構側移幾乎沒有影響,側移曲線幾乎重合。其中圖7a為西側1號基坑圍護結構側移曲線,南側與北側圍護結構產生了對稱變形,最大側移量約為23.0mm,最大側移深度約為13.2m,在第3道支撐附近。圖7b為東側2號基坑圍護結構側移曲線,南側圍護結構側移較大,最大值約為23.0mm,北側圍護結構由于長度較短,側移較小,最大值約為14.0mm,最大側移深度約為14.0m。

1號基坑和2號基坑與既有地鐵隧道平行相近的圍護結構最大側移曲線如圖8所示。由圖8可知,1號基坑側的圍護結構在兩邊同時開挖(工況1)與2號基坑領先開挖的工況下(工況8～13),最大側移相差不大,為5.1mm左右;在1號基坑領先2號基坑開挖的工況下(工況2～7),1號基坑側移量隨領先步數變多而逐漸變大,工況7(1號基坑領先6步開挖)出現最大側移,約為7.0mm,比最小工況增長了約37.3%。在2號基坑領先的情況下(工況8～13),1號基坑圍護結構上部側移量隨2號基坑領先步數增多而減少,可以看出1號基坑上部圍護結構隨開挖步差的增大有向2號基坑偏移的趨勢。2號基坑側圍護結構側移規律與1號基坑類似,最大側移量出現在工況13(2號基坑領先6步),約為8.5mm,比最小工況的約7.0mm增長了約21.4%。

由于圖 8是開挖過程中的最大側移曲線,此時并不一定處于開挖至基底的時刻。因此還可看出,1號基坑和2號基坑在兩側同時開挖的工況下(工況1),最大側移曲線均是在靠近基底位置(-26.000m左右)趨于0,下部由于嵌固至中風化巖層,側移量較小。而1號基坑在工況2～7中的大多數工況下(除工況6,7),曲線在-23.000m左右趨近于0,表明此刻該基坑還未開挖至基底。這說明在1號基坑領先開挖的情況下,其圍護結構側移量會隨著2號基坑的開挖而增長減緩直至數值降低,以至于在側移達到最大后,隨著2號基坑的開挖(此時1號基坑繼續向基底開挖),1號基坑側移減小。2號基坑同理,在工況8～13中的大多數工況下,未開挖至基底便達到了最大值,隨后隨著1號基坑的開挖,2號基坑圍護結構向1號基坑偏移,圍護結構側移減小。

3.2 坑外地表沉降

各工況下既有隧道上方地表最大沉降曲線如圖9所示,坐標軸所述中心點表示兩基坑中軸線與既有隧道縱向中軸線的交點所在的位置。可以看出,既有隧道上方地表存在兩個沉降槽,兩沉降槽最大沉降點分別位于中心點兩側5m左右,使沉降曲線呈“W”形。由圖9a可知,兩邊同時開挖工況(工況1)下地表沉降最大,約為1.2mm,最大沉降位置靠近1號基坑。隨著1號基坑領先步數的增加,總體沉降呈先減小后增大的趨勢,且2號基坑附近沉降槽變化量大于1號基坑附近的沉降槽,1號基坑領先4步時(工況5)地表最大沉降量最小,為0.9mm左右。圖9a中,每種工況最大沉降位置均在1號基坑附近。由圖9b可知,2號基坑領先開挖的工況沉降量均小于工況1,2號基坑領先4步(工況11)沉降最小,約0.65mm。除工況8外,每種工況最大沉降位置均靠近2號基坑,這是因為工況8 2號基坑僅領先1步,曲線和工況1同時開挖仍具有較大的相似性。總體而言,2號基坑領先開挖的工況地表最大沉降量小于1號基坑領先開挖的沉降量。

3.3 既有隧道變形

既有地鐵隧道在不同工況下沿隧道縱斷面的最大豎向位移曲線如圖10所示,坐標軸上中心點表示兩基坑中軸線與既有隧道縱向中軸線的交點所在位置。由圖10可知,既有隧道在基坑附近的豎向變形表現為沉降,且不同工況下隧道在中心點處沉降量均最大,在距中心點40～50m的位置逐漸由沉降變為輕微隆起,在遠端豎向變形趨于0。工況1兩端同時開挖的情況下,既有隧道沉降量最大,約0.8mm;隨著開挖步差的增大,既有隧道的最大沉降量依次減小,最小約為0.6mm,這是由于隧道側移趨勢增大,降低了豎向位移。隧道最大差異沉降出現在中心點與距離基坑60m處,隧道最大沉降量差值約0.9mm。

圖1 基坑平面及周邊環境

圖2 基坑及新建地鐵車站結構斷面

圖4 整體計算模型

圖5 模型中既有隧道及基坑相對位置

圖6 既有隧道及基坑模型

圖7 基坑南側、北側圍護結構最大側移曲線

圖8 既有地鐵隧道兩側基坑圍護結構側移曲線

圖9 各工況下既有隧道上方地表最大沉降曲線

圖10 既有隧道豎向位移曲線

既有地鐵隧道在不同工況下沿隧道縱斷面的最大水平位移曲線如圖11所示。由圖11可知,在工況1兩側基坑同時開挖的情況下,隧道呈“S”形向兩側基坑偏移的趨勢,分別向1號基坑和2號基坑偏移1.3mm和2.8mm左右,可見2號基坑由于寬度較大,對既有隧道側移影響較大。在1號基坑領先施工的情況下(工況2～7),隧道以向1號基坑偏移為主,并隨開挖步差的增大,向1號基坑的偏移量增大,最大為工況7,約3.0mm。在2號基坑領先施工的情況下(工況8～13)同理,并在工況13時側移最大,約為4.5mm。值得注意的是,在1號基坑領先1步開挖的工況(工況2)下,向1號基坑的偏移量與同步施工時相比增長不大(約1.4mm),但大大減小了向2號基坑的偏移(約0.1mm),隧道結構變形較小;而2號基坑領先開挖的所有工況隧道的側移量均較大,可能會引發工程事故或影響既有地鐵隧道的運行。

圖11 既有隧道水平位移曲線

4 基坑開挖步序分析

一般條件下,在進行既有運營隧道兩側基坑近接施工時,常依據經驗盡量保證兩側基坑同步開挖。然而在工程中由于前期準備、周邊環境、人員安排等因素,有時難以保證兩側基坑同步開挖,而是兩側以一定的步差開挖;且由于兩側基坑形狀大小不同等原因,其與既有線之間的相互影響程度也不同,按經驗難以確定具體的安全步差,因此,本文依據相關規范給出基坑合理開挖的步序建議,為工程施工提供一定的依據。

4.1 既有隧道變形控制標準

既有廣州地鐵8號線隧道為運營期地鐵隧道,日均客運量60萬次以上,在兩側基坑與隧道結構近接施工時,必須保證既有線的正常運營,保障城市基本交通生活的順利進行。GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》第9.3.5條規定,城市軌道交通既有線隧道結構變形控制值可按規范確定。該規范除規定了既有隧道變形最大累積值,還包括明挖法基坑支護結構及周圍巖土體監測控制值,規范規定的最大變形累積值如表5所示,表中Ls表示沿隧道軸向兩監測點間距離。本文結合地方經驗,在滿足規范規定值的基礎上,劃定隧道變形控制值,并取控制值的70%為預警值。

表5 既有隧道結構、支護結構及地表變形控制指標

4.2 基坑合理開挖步序

根據數值模擬結果,對于基坑圍護結構而言,1號基坑和2號基坑不平行于既有隧道的圍護結構受開挖步序影響不大,如圖12所示。基坑南北側圍護結構側移量隨開挖步序相差不大,1號基坑南北側、2號基坑南側圍護結構側移量接近,約23.0mm,略大于水平位移預警值(21.0mm),但小于控制值(30.0mm);2號基坑北側圍護結構側移量最大約14.0mm,小于預警值。緊鄰既有隧道的圍護結構側移曲線如圖13所示。由圖13可知,受開挖工況影響,兩邊同步開挖時兩側側移量均最小,分別約為5.1mm和7.0mm;兩邊各自領先開挖6步(即各自領先開挖至基底)的工況,對應側的側移量最大,分別約為7.0mm和8.5mm,均遠小于預警值。

圖12 基坑南北側圍護結構最大側移

圖13 緊鄰既有隧道圍護結構最大側移

對既有地鐵隧道上部地表沉降而言,兩邊同時開挖時地表沉降最大,約為1.2mm,且最大沉降靠近1號基坑。隨著兩邊領先開挖的步差增大,地表最大沉降量先減小后略有回增,且最大沉降點靠近領先開挖的一側;總體而言,2號基坑領先開挖的工況地表沉降量小于1號基坑領先的工況,各自領先4步開挖時,地表最大沉降量最小,分別約為0.9mm和0.65mm。上述各工況地表沉降量均遠小于預警值(14.0mm)。

對既有隧道結構變形而言,各工況下隧道豎向位移以沉降為主,沉降最大值均位于中心點附近,各工況下隧道沉降最大值曲線如圖14所示。兩側同時開挖時沉降量最大,約為0.78mm,隨兩側各自開挖步差增大,沉降量略有減小,最小約為0.57mm,均遠小于沉降控制值(2.1mm)。最大差異沉降0.9mm,小于差異沉降控制值。既有隧道水平位移隨開挖工況影響較大,各工況下水平側移最大值如圖15所示,同時開挖的工況下隧道呈“S”形變形,分別向兩側側移1.3mm和2.8mm。隨著一側領先開挖步差的增大,側移向領先側偏移的量越大。工況7和工況13(兩側基坑分別領先另一側6步),隧道向兩側基坑側移最大,分別約為2.9mm(接近控制值)和4.5mm(超過控制值);對于1號基坑領先的工況,領先兩步時(工況3)隧道向1號基坑的最大側移量約2.1mm,接近預警值,工況4～7則均超過預警值,未達到控制值;而2號基坑領先開挖的所有工況隧道側移量均超過控制值,可能會引發工程事故或影響既有地鐵隧道的運行。

圖14 既有隧道最大沉降曲線

圖15 既有隧道最大側移曲線

綜上所述,基坑開挖合理步序應以既有隧道水平位移為控制指標。兩側同步開挖的工況下,既有隧道側向變形均在預警值范圍內,對施工影響不大;1號基坑領先開挖1步和2步的工況下,最大側移值均未超過預警值,可以認為安全,其中1號基坑領先1步施工時,與兩側同步施工相比,隧道向1號基坑的側移量差異不大,同時大大減小了隧道向2號基坑的側移量,略微減小了隧道沉降量,施工過程對既有隧道影響較小,是較優開挖步序;而2號基坑領先開挖的工況由于既有隧道變形均超過控制值,因此在工程中應盡量避免,否則應采取必要監測措施重點監測,在超過預警值后及時處理。

5 結語

通過對兩側基坑不同開挖步差工況下基坑及既有地鐵隧道變形分析,得出以下結論。

1)隨著兩側基坑開挖步差的增大,領先開挖側基坑的鄰近既有隧道的圍護結構最大側移值增大,另一側最大側移值幾乎沒有影響,但隨著落后側開始開挖,領先側圍護結構側移有向另一側偏移的趨勢,側移最大時刻出現在落后側開始開挖之前。基坑開挖步差對不鄰近既有隧道的圍護結構最大側移幾乎沒有影響。

2)既有隧道上方地表沉降存在兩個沉降槽,呈“W”形變形,且隨著某側領先開挖步差的增大,地表沉降最大值呈先降低后稍有增加的趨勢,最大沉降點的位置靠近領先開挖側。

3)既有隧道沉降在兩邊同時開挖的工況下沉降量最大,其余工況由于有側移的趨勢,而沉降量減小。隧道水平方向呈“S”形變形,向較寬基坑側移量較大。隨著某側領先開挖的步差增大,隧道向該側側移量增大,另一側側移量減小。

4)既有隧道水平位移受開挖步差影響較大,基坑開挖合理步差應以既有隧道水平位移為控制指標,在兩側同時開挖或1號基坑領先1～2步時,所有指標均未超過預警值,是較為合理的開挖步差,其中以1號基坑領先1步為最優。