邻近地铁隧道的深基坑开挖中实测位移数据分析及数值模拟

2018-04-04 03:38胡德军

建筑施工 2018年12期

胡德军王帅王卿

1. 浙江耀厦控股集团有限公司浙江杭州 310000；2. 浙江大学建筑工程学院浙江杭州 310058

1 研究背景

近几十年来，中国经济快速发展，随着城市化进程的不断加深，人们对用地的需求也越来越紧迫。在土地资源不可再生的残酷现状下，向高空和地下发展便成了目前最合理的选择，如地下商场、地下停车场以及作为公共交通设置的地铁等各种地下民用和工业设施[1]。

频繁的深基坑开挖工程也带来了诸如相邻建筑物开裂、管道破裂等严重问题，这些问题出现的根本原因在于基坑开挖破坏了土体原有的应力平衡状态，周围地层随之产生扰动，产生了水平位移和竖向沉降，从而对周边产生影响。盾构法因其环境相对安全等优点在地下工程尤其是城市地铁隧道建设中广为应用[2]。但同时地铁盾构隧道公共设施的特质及其安全等级使隧道对变形的控制非常严格，例如杭州地区根据GJJ/T 202—2013《城市轨道交通轨道结构安全保护技术规范》要求及杭州地铁集团相关规定，某工程地铁隧道垂直位移累计值≤4 mm、水平位移累计值≤4 mm、水平收敛累计值≤4 mm。因此，深基坑开挖对相邻地铁隧道的影响一直是现阶段研究的重点[3-4]，尤其是针对杭州西湖周边软黏土地块，在控制标准相当严格的条件下的变形控制研究更有其必要性。

不少学者在理论研究[5-6]、离心实验[7]、实测数据分析[8-9]、数值模拟[10-13]等方面进行了大量的研究并改进施工组织方法[14]。

在理论研究方面，周泽林[15]基于开挖卸荷下隧道与周围土体的相互作用的整体耦合方法推导了砂质土体条件下基坑开挖引起的下卧隧道竖向变形弹性解，并推导了黏质土体条件下开挖引起的隧道变形黏-弹性解。

伍尚勇等[16]利用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值分析模型，分别对深基坑进行逆作法和顺作法的全过程动态模拟，研究不同施工工艺对围护结构的变形和紧邻地铁结构的影响。

赵笑男[17]利用ANAYS有限元软件建立基坑开挖模型，定量分析基坑及隧道各位置的位移量，研究了地铁隧道不同埋深、周围土质等影响因素对隧道位移的影响规律，并得出隧道变形随地铁埋深的增大而逐渐变小等结论。

葛兆源等[18]在作业于地铁隧道正上方的上海广场项目中，采用“先浅后深”开挖施工顺序以及基坑加固等方式控制隧道位移。

陈仁朋等[19]提出采用分步开挖、隔断墙及地基加固等变形控制措施，以数值模拟分析验证技术措施的合理性。

基于以上，本文根据杭政储出15号地块项目西湖电影院的深基坑开挖工程，深入分析实测邻近地铁1号线隧道位移数据，同时利用数值模拟研究深基坑开挖对邻近地铁隧道位移的影响规律。

2 工程概况

2.1 基坑周边环境

杭政储出（2015）15号地块项目位于浙江省杭州市上城区，平海路南侧，延安路与东坡路之间。项目地上4层，高18 m，局部21 m，钢框架结构，地下3层，框架结构。

本基坑东侧紧邻延安路，道路下设置大量市政管线。该侧与湖滨二期项目延安路1层地下过街通道已建成附近范围已作三轴水泥搅拌桩加固处理。东侧延安路下布有地铁1号线盾构隧道，围护体系与盾构片外边界最小距离7.65 m，盾构隧道埋深约12 m。

隧道外直径约6.2 m，顶标高约为地表下9.2 m，与基坑水平距离最近为7.6 m，隧道主体部分位于④-1淤泥、④-2淤泥质粉质黏土以及⑤粉质黏土中，这些土层压缩性高，对变形敏感（图1）。

图1 项目与地铁剖面关系

2.2 基坑开挖布置

本工程地下室开挖深度约15.4 m，基坑开挖面积约为3 400 m2，围护结构采用厚800 mm“两墙合一”的地下连续墙，在基坑内⑧轴及轴侧设置厚800 mm的纵横地下连续墙，将基坑分为3部分。

项目采用逆作法施工，现阶段基坑围护体系及工程桩已全部施工完毕，上部主体结构已结顶，项目主要施工内容为暗挖土方、结构板施工及养护、坑内地下连续墙隔墙的凿除等。临时隔墙将基坑划分为1期、2期进行分块开挖，首先开挖1、2期地下1层，随后进行远离隧道的2期开挖，再进行1期开挖（图2）。施工过程建立地下1～3层楼板作为支撑，地下连续墙与临时隔墙均采用C35混凝土，地铁隧道盾构片采用C50混凝土。

图2 项目与东侧地铁及人行通道平面关系

2.3 工程地质条件

根据外业勘探和室内土工试验成果，结合场地土成因类型，在地表向下52 m勘探深度范围内岩土层可分为9个工程地质层，细分为14个工程地质亚层，自上而下依次为：①1杂填土、①2素填土、③黏质粉土、④1淤泥、④2淤泥质粉质黏土、⑤粉质黏土、⑥粉质黏土、⑨砾砂、⑩a全风化安山玢岩、⑩b强风化安山玢岩。

3 监测数据分析

3.1 监测概况

地铁盾构隧道内自动化监测项目包括盾构隧道道床沉降、盾构隧道水平位移、盾构隧道竖向位移、盾构隧道水平收敛和盾构隧道轨间高差。整个系统采用无人值守的自动化变形监测系统，测量机器人徕卡TM30测角精度0.5''，测距精度约0.6 mm。监测隧道布点沿隧道长度由北向南每12 m布置1个测点，共设置22个点，其中7～17节点由于正对基坑，其节点间距设为6 m（图3）。

3.2 数据分析

图3 监测布点

将隧道水平位移及沉降监测数据按时空分布制作成三维曲线图，x轴为按时间分布的各节点262期监测数据，y轴为按隧道长度分布的各时间段1～22节点监测数据，z轴为相应监测值，水平位移正值为向基坑方向变形，沉降正值为隧道隆起。下行线为靠近基坑一侧地铁隧道。

由下行线累计水平位移监测数据（图4）可看出：

1）总体而言，隧道的水平位移变化情况符合预估，基本为正值且基本处于7～17节点范围的基坑开挖区域。

2）自2期地下3层开挖开始，7～13节点范围出现明显的水平正向位移，且在随后的1期开挖过程中出现峰值。可以明确该位置人行通道的加固措施对抑制形变有积极作用。随后由于基坑1期的开挖，其更靠近隧道使水平位移量大幅上升。

图4 下行线累计水平位移与累计沉降

值得注意的是，随着基坑开挖进程的深入，各节点沉降标准差越来越大。

上行线累计水平位移规律（图5）与下行线类似，随隧道开挖进程推进，隧道整体向基坑靠近，且由于上行线更为远离基坑，因此变形峰值小于下行线。值得注意的是，7～13节点即人行通道位置在2期地下2层开挖伊始出现了明显的负值，即远离基坑的现象。与下行线一致的是，上行线13节点附近出现明显的隧道隆起，除此之外，隧道其余区域经历了由隆起至沉降最后趋于稳定的过程，上行线累计沉降值不明显，基本趋向于零。

隧道端部由于远离基坑未进行足够的加固措施，因此下行线的日水平位移变化波动更为剧烈（图6～图8）。上行线日均水平位移与下行线类似，均在隧道两端出现较大的波动，整体而言，隧道的日均水平位移值变化不规律且数值大小接近零。上行线日沉降值表现出较多的不规则性。

图5 上行线累计水平位移与累计沉降

图6 下行线水平位移最值日变化

图7 下行线隆起最值日变化

图8 下行线沉降最值日变化

3.3 总结

1）隧道水平位移更符合预期且规律明显，位移峰值出现在靠近基坑的下行线上。值得注意的是，由于人行通道三轴搅拌桩的加固措施，隧道下行线7～13节点位置隧道位移开挖初期接近0 mm，而上行线该位置隧道反而向基坑靠近。

2）隧道沉降标准差则随开挖推进不断增大，即隧道的隆起与沉降愈加显著。考虑到本工程为控制位移进行了满堂加固且在地下连续墙周围也进行水泥搅拌桩加固，实际工况压力作用下隧道会出现隆起。

3）隧道水平位移最值随开挖进程逐步攀升，2期地下3层钢筋绑扎时出现4 mm警戒值，随后位移最值大幅下降至2期地下3层混凝土浇筑完成时的位移。

4）地下1层开挖完成时隧道隆起及沉降最值较大，当进行远离隧道的2期开挖时，隧道隆起及沉降最值均稳步下降，且在之后进行1期地下2层开挖时二者又迅速回升。综合以上结论，表明分区分块开挖能有效控制隧道沉降与隆起最值的增长，但对水平位移的影响不显著。

4 数值模拟

4.1 模型尺寸及参数选取

采用Plaxis3D有限元软件进行地基开挖隧道变形分析。设置模型东西方向长度185 m，南北方向长度150 m，深度40 m，满足基坑开挖影响的宽度范围为3～5倍开挖深度（45～75 m），影响的深度范围为2～4倍开挖深度（30～60 m）的要求，基坑开挖对墙后土体位移影响范围为2～3倍的开挖深度。支撑楼板、地下连续墙及临时隔墙采用板单元、HS有限元模型模拟。

根据地质勘察报告，由于西湖附近为典型的软黏土环境，因此采用HSS有限元模型进行分析，以更好地考虑小应变状态的影响（图9、表1）。