黃土地區(qū)給排水工程深基坑施工對臨近地鐵隧道影響分析

楊罡 YANG Gang

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院，西安 710043）

1 研究背景

伴隨著我國城市化進(jìn)程和軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量深基坑工程位于地鐵運(yùn)營結(jié)構(gòu)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，針對基坑工程緊鄰運(yùn)營地鐵線路的情況，國內(nèi)外專家進(jìn)行了大量研究論證并取得了一系列研究成果。如吳龍梁等[1]對軟土地層深基坑開挖對地鐵隧道變形影響進(jìn)行實(shí)測和分析。武永康等[2]依托實(shí)際工程，對在不利工程條件下的深基坑開挖對周圍土體水平位移變化規(guī)律和既有地鐵隧道變形規(guī)律進(jìn)行了分析。何忠明等[3]依托廣州地鐵11 號線基坑工程，對基坑降水開挖及回填過程中臨近地鐵隧道和地下連續(xù)墻的變形規(guī)律進(jìn)行分析。

近年來，眾多學(xué)者對基坑開挖臨近地鐵隧道展開系列研究并取得了一定成果。但是針對黃土地區(qū)給排水工程深基坑開挖及運(yùn)營階段對臨近地鐵隧道影響方面的研究仍有待完善。黃土地區(qū)深基坑工程開挖具有施工環(huán)境復(fù)雜多變、施工技術(shù)復(fù)雜、不可遇見風(fēng)險(xiǎn)因素多、工程事故造成損失大等特點(diǎn)。本文以西安某排水項(xiàng)目深基坑工程臨近地鐵四號線大雁塔站～大唐芙蓉園區(qū)間為依托，依靠數(shù)值模擬、實(shí)地監(jiān)測等手段，對分段基坑開挖及排水工程運(yùn)營反復(fù)蓄水過程對地鐵隧道影響規(guī)律，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性、數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果的吻合性等展開研究。

2 工程概況

西安某排水項(xiàng)目泵站基坑南北向長度約72.7m，東西向長度約14.2/21m，基坑設(shè)計(jì)深度為15.07～21.35m。擬建泵站基坑工程開挖邊線與隧道正線結(jié)構(gòu)最小水平凈距為20.33m，其中基坑施工需破除豎井橫通道局部結(jié)構(gòu)（6.8m×0.78m），出水箱涵基坑工程位于隧道正線結(jié)構(gòu)正上方，最小豎向凈距約為11.83m。出水箱涵基坑長度約98m，基坑寬度11.9m，基坑深度約4.02～4.68m。位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目基坑與區(qū)間隧道平面關(guān)系

泵站主基坑采用坑內(nèi)降水+圍護(hù)樁+內(nèi)支撐+止水帷幕，支護(hù)采用五道內(nèi)支撐和換撐，樁徑1000mm，樁間距1500mm，樁長27m，止水帷幕采用高壓旋噴樁成樁直徑700mm，搭接350mm。出水箱涵上跨地鐵段采用放坡+土釘+掛網(wǎng)素噴砼支護(hù)形式，放坡坡率為1:0.3，土釘：水平間距1.3m，長9m，孔徑120，鋼筋1 根直徑18mm，傾角10°；基底采用高壓旋噴樁進(jìn)行預(yù)加固，加固范圍豎向3m。根據(jù)現(xiàn)場鉆探結(jié)果，勘察場地地地層在20.0m 深度范圍內(nèi)主要由①雜填土、②黃土、③古土壤、④黃土等地層構(gòu)成。地下水均屬潛水類型，主要以大氣降水和地下徑流補(bǔ)給為主，以地下徑流和人工開采排泄為主。地下水位年變幅約2m。

3 泵站基坑開挖時對臨近已運(yùn)營地鐵隧道數(shù)值計(jì)算分析

3.1 三維數(shù)值模型建立

為了定量分析擬建項(xiàng)目泵站基坑開挖時既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全影響，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型尺寸為155m×143m×55m（長×寬×高），巖土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)體均采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)詳細(xì)勘察報(bào)告各土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)推薦值，確定的數(shù)值模擬參數(shù)如表1 所示。迭代計(jì)算方法采用Newton-Raphson 法，收斂標(biāo)準(zhǔn)采用力和位移雙重收斂標(biāo)準(zhǔn)。最終建立的有限元模型如圖2 所示。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)表

表2 監(jiān)測結(jié)果對比

圖2 泵站基坑段三維數(shù)值模擬模型軸側(cè)視圖

為確保計(jì)算結(jié)果合理，數(shù)值計(jì)算全過程模擬分析施工過程對既有結(jié)構(gòu)的影響，主要工況如下：①將坑內(nèi)降水至基坑底部1m。②開挖至-2m 施做第一道支撐。③開挖至-6.7m 施做第二道支撐。④開挖至-11.9m 施做第三道支撐。⑤開挖至-17.5m 施做第四道支撐。⑥開挖至-20m 施做第五道支撐。⑦開挖至-21.35m（坑底）。⑧施做泵房底板及側(cè)墻拆除第五道撐。⑨施做泵房中板拆除第四道撐、換撐。⑩施做負(fù)一層側(cè)墻及頂板拆除第三、第二、第一道撐。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

①地層變形分析：基坑開挖后，基坑底部出現(xiàn)隆起和水平位移；降水后地層變形主要表現(xiàn)為豎向沉降，最大沉降值為9mm；整個施工過程，基坑周邊地層出現(xiàn)了最大12.2mm 的沉降，地層水平位移最大達(dá)到了17.1mm。同時對地層總位移進(jìn)行包絡(luò)分析，根據(jù)地層總位移包絡(luò)面可知，各施工步過程地層位移大于5mm 的區(qū)域均未覆蓋地鐵隧道結(jié)構(gòu)，部分施工步地層位移大于2mm 的區(qū)域已覆蓋地鐵隧道結(jié)構(gòu)。（圖3）

圖3 各施工步地層位移包絡(luò)面

②圍護(hù)結(jié)構(gòu)及既有4 號線地鐵結(jié)構(gòu)位移分析：如圖4所示，三維模型顯示：在基坑挖至基坑底、拆撐施作底板側(cè)墻時結(jié)構(gòu)變形最大。基坑開挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大豎向位移出現(xiàn)在基坑?xùn)|側(cè)，最大沉降值為13.01mm；水平位移最大值17.30mm。既有地鐵結(jié)構(gòu)位移隨基坑開挖深度不斷變大，基坑開挖至底部時位移最大；基坑開挖完成后，既有地鐵結(jié)構(gòu)的最大豎向位移出現(xiàn)在豎井橫通道處，最大值為豎向2.34mm；水平位移最大值為3.83mm。

圖4 各施工步結(jié)構(gòu)最大位移云圖

4 泵站結(jié)構(gòu)蓄水、排水對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響

4.1 三維數(shù)值模型建立

進(jìn)一步分析泵站運(yùn)營狀態(tài)即反復(fù)蓄水與排空過程對既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響，建立的有限元模型如圖5 所示。

圖5 泵站排空（蓄水）狀態(tài)數(shù)值模型

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算了2 次蓄水2 次排水工況，根據(jù)地層總位移包絡(luò)面可知，兩次蓄水過程地層位移大于1mm 的區(qū)域均未覆蓋地鐵隧道結(jié)構(gòu)，部分施工步地層位移大于0.5mm的區(qū)域已覆蓋地鐵隧道結(jié)構(gòu)。兩次蓄水過程既有隧道結(jié)構(gòu)豎向最大為0.71mm，水平位移最大值為0.67mm，均不大于1mm。（圖6-圖7）

圖6 泵站蓄水、排水狀態(tài)地層包絡(luò)位移

圖7 泵站蓄水、排水狀態(tài)隧道結(jié)構(gòu)最大位移云圖

5 現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，監(jiān)測范圍應(yīng)包含本項(xiàng)目自身基坑監(jiān)測及地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、軌道監(jiān)測。結(jié)合基坑影響范圍及三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對地鐵隧道監(jiān)測采用自動化監(jiān)測，監(jiān)測范圍隧道總長130m。

主要監(jiān)測結(jié)果如下：整個施工過程，基坑周邊地層最大豎向9.15mm 的沉降，地層水平位移最大達(dá)到了17.1mm。既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向位移2.06mm；水平位移最大值為3.52mm。對比數(shù)值模擬結(jié)果，兩者數(shù)據(jù)相差較小，吻合度較高，誤差分別為21%、16%、28%、26%。

6 結(jié)論

①建立了三維有限元模型，得到了基坑分步開挖后的地層變形規(guī)律，基坑開挖后基坑底部出現(xiàn)隆起和水平位移，降水引起的地形變形主要為豎向沉降。各施工步過程地層位移大于5mm 的區(qū)域均未覆蓋地鐵隧道結(jié)構(gòu)，基坑周邊最大地形沉降為12.2mm，最大水平位移為17.1mm。②數(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)構(gòu)顯示，本工程采取的圍護(hù)樁+內(nèi)支撐+止水帷幕的支護(hù)體系可有效控制地層變形，結(jié)構(gòu)的最大豎向位移出現(xiàn)在基坑?xùn)|側(cè)，最大沉降值為13.01mm；水平位移最大值17.30mm。既有地鐵結(jié)構(gòu)的最大豎向位移出現(xiàn)在豎井橫通道處，最大值為豎向2.34mm；水平位移最大值為3.83mm。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)自身以及引起的隧道結(jié)構(gòu)變形均滿足制定的變形標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求。③通過數(shù)值模擬，分析了泵站建成運(yùn)營反復(fù)蓄水過程對地鐵隧道影響，兩次蓄水過程既有隧道結(jié)構(gòu)豎向最大為0.71mm，水平位移最大值為0.67mm，運(yùn)營期間產(chǎn)生的附加荷載對地鐵結(jié)構(gòu)影響極小。④對監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，地層沉降和地鐵隧道沉降誤差僅為21%、28%。