金 怡, 顾晓卫, 叶 翔, 陆少琦, 胡 琦, 黄星迪, 邓以亮

(1 浙江建设职业技术学院建筑工程学院，杭州 311231；2 杭州杭港地铁有限公司，杭州 310018；3 浙江理工大学科技与艺术学院，杭州 312369；4 浙江浙峰工程咨询有限公司，杭州 310019；5 东通岩土科技股份有限公司，杭州 310019)

0 引言

随着城市地下交通的发展,临近地铁隧道的基坑工程也日益增多。基坑开挖会破坏土层原有的应力状态,不可避免地对临近地铁隧道造成影响。如何将其引起的隧道变形严格控制在合理范围内,是此类基坑工程的重难点。

针对基坑开挖对旁侧地铁隧道的影响,国内外进行了诸多研究。刘波等[1]汇总了隧道变形的预测方法。郑刚等[2]通过大量有限元模型并结合工程实例,对围护结构不同变形模式下的隧道变形影响区进行了划分。魏纲等[3]分析了旁侧盾构隧道围压变化机制并提出了附加围压的计算公式。卞荣等[4]通过位移控制有限元法分析了基坑与隧道不同的相对位置和基坑等级对隧道的影响,给出了基坑安全距离建议值。张娇等[5]通过三维有限元法分析了基坑分区施工对临近隧道变形的影响。

本文依托于杭州典型地层中的实际工程案例,分析了基坑及旁侧地铁隧道的监测数据,可为相似工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

项目位于杭州市上城区,设两层整体地下室。基坑呈长宽约110m×100m的方形,挖深9.90m。杭州地铁一号线位于基坑南侧20.8m,隧道直径6.2m,顶埋深8m。隧道走向与基坑边线近似平行。基坑与地铁隧道的平面相对位置关系见图1,基坑支护结构与隧道的剖面相对位置见图2。基坑开挖范围内主要土层及主要土层物理力学性质参数见表1。场地内地下水位埋深在0.90～1.30m。

表1 土体参数取值

图1 基坑与隧道平面关系图

图2 剖面图/m

2 基坑围护方案

2.1 基坑特点分析

根据该项目场地环境、土质条件等多种因素,基坑具有以下特点:

(1)基坑周边环境较为复杂,四周紧邻市政道路,距离道路边线最近处约5m。运营中的地铁一号线盾构隧道距离基坑南侧约20.8m,依据浙江省规范《城市轨道交通结构安全保护技术规程》(DB33/T 1139—2017)[6]位于基坑开挖影响区内。隧道中心距围护结构距离、隧道中心埋深与基坑深度的比值分别为2.4、1.1,参考郑刚等[2]对隧道变形影响区的研究,隧道位于基坑的微弱影响区。

(2)基坑开挖面积较大,基坑落地面积约11600m2,南侧沿地铁区间盾构最大长度约为112m。

(3)基坑坑底以上土层以粉土为主,土体渗透性好,基坑对止水帷幕质量要求高。而基坑坑底以下存在深厚的软弱土层,土体呈流塑状,灵敏度高,对基坑稳定性影响大。隧道位于②2黏质粉土层,隧道底即为软弱的淤泥质土层,对控制隧道变形非常不利。

2.2 基坑围护方案

基坑南侧邻近已建的地铁隧道,对基坑的变形要求高,为了有效控制该区段基坑开挖对邻近地铁隧道的影响,根据“时空效应”原理,采用分区分块施工方法,将基坑划分为邻近地铁侧的南区以及远离地铁侧的北区,南区再划分为南一区和南二区。先施工邻近地铁侧的南区,再施工远离地铁侧的北区,基坑分区示意图如图1所示。南区围护桩为钻孔灌注桩,内支撑为两道钢筋混凝土支撑,同时结合TRD墙与高压旋喷桩作为止水帷幕;北区采用内插型钢的TRD墙(渠式切割水泥土连续墙)+一道型钢支撑的围护方案,同时基坑东西两侧于TRD墙外侧增设高压旋喷桩增强止水效果。基坑南区支护剖面见图2。基坑施工各工况见表2。

表2 施工工况

3 基坑实测数据分析

基坑围护桩外侧深层土体水平位移如图3所示,正值代表朝向坑内。南一区和南二区的深层土体水平位移变形模式均为“复合型”[7]。截至支撑拆除完毕,最大水平位移为11mm,与开挖深度的比值为 0.1%,表明基坑近隧道侧变形控制良好。

图3 深层土体水平位移曲线

图3可见,在TRD墙与围护桩施工完成后,围护结构外侧土体侧移均不超过1mm,说明TRD施工工艺扰动较小,且可在一定程度上减少围护桩施工扰动带来的影响。基坑开挖到底后,最大土体侧移位于深度3m附近,随后曲线呈现整体向基坑内侧移动的外凹状。作为设置两道支撑的基坑,其深层土体侧移曲线并没有表现出典型的“鼓肚形”或“阶梯鼓肚形”[8]。可能的原因是基坑整体变形较小,采用的大直径围护桩刚度较大,而采用的钢筋混凝土支撑是被动型支撑,因此围护桩充当了主要的受力结构,即侧壁起到了主要的卸载作用,第二层支撑发挥的作用相对较小。考虑钢筋的折减效应,混凝土自身的收缩和徐变也是影响支撑轴力值的主要因素[9]。因此,对于变形控制要求严格的基坑,除了确保围护结构的刚度外,可以考虑采用主动控制型支撑进一步控制位移。通过轴力补偿伺服系统对支撑轴力进行调整,可实现围护结构变形精细化控制,减少支撑材料自身收缩与徐变带来的影响,使围护结构的实际变形趋于目标状态[10]。

4 隧道变形监测结果

4.1 地铁隧道竖向位移

地铁隧道竖向位移随工况的变化曲线如图4所示,正值表示隆起。基坑开挖影响范围内,隧道竖向位移以隆起为主,总体变化幅度较小。更靠近基坑的下行线隆起更为明显,最大值为2.5mm。从基坑开挖直到开挖至第二道支撑底,隧道顶位于基坑开挖面下方,下行线的竖向位移曲线在南一区、南二区对应范围内近似呈正态分布[11],符合下卧隧道的竖向变形特点。在这个阶段,下行线隆起最大值的位置范围分别对应基坑南一区、南二区中部附近,且在分隔桩处的隆起值明显减小,位移曲线呈现“M”形。由此可见设置分隔桩进行分区施工可有效减少隧道隆起。此阶段对上行线影响较小,位移较围护桩施工完毕无显著变化。基坑开挖至坑底时,开挖深度略深于隧道埋深,下行线竖向位移出现显著增长。由图5可见,此阶段的下行线隆起增长量约占全过程的30%,说明在基坑挖深接近或大于隧道埋深时,对隧道竖向位移的影响更大。分隔桩处竖向位移并未如前述阶段表现出明显减小,但竖向位移最大值出现在南一区中部位置,在一定程度上反映分隔桩的影响。上行线最大竖向位移为1.5mm,也出现在南一区中部位置。隧道两端(即基坑开挖对应范围外)出现较为明显的沉降,可能原因是此范围受到土体卸荷的直接影响较小,而隧道底部为深厚的流塑状土层,灵敏度高,受到扰动后土体强度下降,隧道在运营荷载及自重影响下产生沉降。

图4 地铁隧道竖向位移曲线

图5 地铁隧道竖向位移最大值随工况变化曲线

4.2 地铁隧道水平位移

地铁隧道水平位移随工况的变化曲线如图6所示,正值表示远离基坑。从图6中可以看出,围护桩施工完毕后,下行线隧道整体向靠近基坑方向移动,幅值为-1.7mm;上行线受到下行线隧道刚度影响,位移略小于下行线。由于隧道位于基坑的微弱影响区[2],水平位移总体变动幅度较小,幅值为-2.2mm,开挖前的水平位移量占了总量的77%。为更好地分析基坑开挖过程对隧道的影响,将开挖阶段的水平位移减去围护桩施工完成时的水平位移,即取开挖后的变化数值进行分析。从图7曲线可知,在开挖阶段,下行线隧道逐渐向基坑方向靠近,底板浇筑完成后,小幅度减少了隧道朝向坑内的位移。由于空间效应,水平位移幅值位于南一区、南二区基坑中部位置,同样可见分隔桩处的水平位移相对较小。

图6 地铁隧道水平位移曲线

图7 开挖过程中地铁隧道水平位移曲线

4.3 地铁隧道水平收敛

地铁隧道水平收敛随工况的变化曲线如图8所示,正值表示横向直径变大。围护桩施工完成后,下行线隧道出现了明显的横向直径扩大,这也与4.2节所述下行线隧道在围护桩施工完成后产生了较大的朝向基坑的水平位移相符。随着基坑开挖,水平收敛不断增长,这是由于基坑卸荷作用导致隧道围压改变,而基坑开挖侧围压减小量多于另一侧[3]。下行线的水平收敛数值大于上行线,最大值为2.6mm。其中围护桩施工完成阶段收敛量占整体的52%,可见围护桩施工扰动是该基坑工程引起隧道横梁收敛的主要原因。从图9可见,上、下行线开挖第二道支撑底至坑底阶段的收敛量增长较快,分别占整体的27%与23%。基坑开挖0～1.6m、1.6～6.3m引起的水平收敛值均小于基坑开挖6.3～9.9m的收敛值,说明基坑挖深大于隧道埋深时,更易引起隧道水平收敛变化。

图8 地铁隧道水平收敛曲线

图9 地铁隧道水平收敛最大值随工况变化曲线

5 结论

本文对杭州典型地层中某临近地铁隧道基坑项目的实测数据进行分析,该基坑采用分坑顺作法,地铁侧采用大直径灌注桩及两道钢筋混凝土支撑,并采用TRD工法桩止水同时减少围护桩施工扰动,满足了隧道变形控制的严格要求,并得到以下结论:

(1)隧道位于基坑的微弱影响区时,围护结构的施工扰动是引起的隧道变形的主要原因之一,因此位于地铁隧道保护区内的基坑工程,宜优先选用微扰动施工工艺;对于变形控制要求严格的基坑,除了确保围护结构的刚度外,可以考虑采用主动控制型支撑进一步控制位移;设置分隔桩进行分区施工可有效减少基坑的时空效应,有利于控制隧道变形。

(2)基坑卸荷引起的旁侧隧道竖向变形以隆起为主,但当隧道底部为深厚的软弱土层,且基坑挖深大于隧道埋深时,由于施工扰动及旁侧基坑卸荷产生影响,土体强度降低,隧道自重荷载及运营荷载可能导致隧道局部产生沉降,设计时可予以适当关注。

(3)当隧道产生朝向基坑的水平位移时,隧道横向直径倾向于变大。基坑开挖后,隧道竖向位移及水平收敛在基坑挖深大于隧道埋深的阶段变化更为明显。