软土地区深大基坑紧邻高铁隧道施工影响研究

张春雷

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

基坑工程紧邻既有高铁施工难度大,安全风险高。在软土地区,深大基坑施工易引起隧道水平变形过大、变形不均匀,进而导致隧道开裂及错位,严重影响隧道结构安全[1-3]。

针对基坑邻近施工问题,已有许多学者开展相关研究,张治国等提出一种邻近开挖对既有软土隧道纵向受力变形影响的简化计算方法[4];HUANG 等利用实测资料和工程记录建立半经验回弹量公式,估算基坑开挖中的隧道回弹量[5];杜一鸣基于国内外邻近隧道进行基坑开挖的典型工程案例,推导坑外隧道水平位移的变形简化计算公式[6];欧雪峰等基于附加荷载两阶段法,结合土体有效应力原理,探讨基坑施工对下卧既有隧道的影响[7-8];陈仁朋等运用离心试验的方式,获得基坑开挖引起的隧道周围地层水平向土压力、地表沉降、隧道沉降和弯矩响应规律[9];杨波等采用自主设计的非相似性模型,模拟隧道旁基坑开挖过程引起的隧道结构响应规律[10];高广运等通过数值模拟与实际监测对比的方法,分析基坑工程临近地铁区间隧道施工的影响[11-15]。 以往研究成果为基坑工程实施积累了一定经验,但对于软土地区深大基坑施工引起的既有高铁隧道安全保护措施,还需进一步讨论。

以天津某基坑工程紧邻高铁隧道施工为研究背景,采用数值模拟计算结合现场实测,对软土地区深大基坑紧邻高铁隧道的施工影响进行研究。

1 工程概况

1.1 基坑及隧道概况

天津滨海新区某基坑工程紧邻京津城际解放路隧道,基坑周长约640 m,总面积约24 600 m2,形状为不规则四边形,基坑沿隧道方向长约270 m,分两期开挖,最大深度为6.6 m。

京津城际解放路隧道已通车运营,高铁隧道采用盾构法、明挖法施工。 盾构隧道管片内径10.6 m,外径11.6 m;明挖隧道结构宽13.2 m,围护结构采用1.0 m 厚、58 m 深地下连续墙。

1.2 工程地质及水文地质

基坑位于天津滨海新区,场地属滨海冲积平原,场地范围内地层主要为杂填土、素填土、粉质黏土、粉土、淤泥质黏土等。 基坑主要位于人工填土、全新统海相沉积层淤泥质黏土、粉质黏土层中。 填土厚0.70～5.70 m,土质较软,结构松散;全新统海相沉积层淤泥质黏土、粉质黏土厚度较大,天然含水率高,压缩性强,强度低,固结程度差。 地下稳定水位埋深0.5～1.7 m。

2 基坑与高铁隧道位置关系

基坑工程东侧与隧道近似平行,基坑与既有高铁隧道中线平面距离为24.0～51.2 m,基坑位于高铁隧道的保护区范围内,基坑与隧道平面位置关系见图1。

图1 基坑与高铁隧道平面关系示意(单位:m)

基坑底距盾构隧道管片顶约8.0 m,距离明挖隧道主体结构顶约7.8 m。 基坑与隧道横断面位置关系见图2。

图2 基坑与高铁隧道横断面位置关系(高程单位:m,其余均为mm)

3 施工安全保护措施

既有高铁隧道正在运营中,安全控制要求高。 根据相关规范要求,结合类似工程经验,隧道结构水平、竖向位移预警值为3 mm,允许最大变形值为5 mm。考虑基坑开挖对隧道的影响,基坑施工采用如下措施。

3.1 施工方案优化

(1)工程桩体改良

本项目高层建筑采用桩基础,承载桩采用静压预制混凝土方桩,施工会造成既有隧道产生较大水平位移。 结合现场监测情况,经论证,决定将预制桩改为钻孔灌注桩,并采取分区域施作,以降低“挤土效应”。

(2)优先施作承载桩

为有效控制基坑开挖坑底隆起造成的隧道变形,应在基坑开挖之前完成全部承载桩施工;待承载桩施工完成并达到设计强度后,再进行基坑分期、分阶段开挖。

(3)基坑分块开挖

基坑开挖按照“分层、分块、对称、平衡”的原则[16-18],控制基坑隆起及侧向变形对既有隧道的影响。 开挖顺序为先二期后一期,基坑二期施工时从两端到中间依次进行,每次开挖范围不超过1 000 m2,基坑分块开挖顺序见图3。 一期基坑开挖时优先施工局部挖深比较大的区域,待其封底后再进行其他区域开挖。

图3 基坑分块开挖顺序示意

3.2 辅助措施

(1)信息化施工

基坑工程施工过程中,对基坑施工影响范围内的隧道进行自动化实时监测,并结合现场监测数据及时调整施工步序及工程措施。

(2)地下水位实时监测

邻近高铁隧道侧需布设承压水观测井及回灌井,采用自动化监测设备对承压井内水位变化实时观测,当承压水位变化超过0.5 m 时需及时回灌。

(3)科学降水

结合基坑开挖步序,制定合理的降水分区,土方开挖前进行有针对性的区域分层降水,降水井采用“浅井、密排”的原则布设,当降水期间土层中有冒水、涌砂点时,应及时进行高压注浆封堵,以避免影响承压水。

4 基坑施工影响计算分析

4.1 计算模型

采用MIDAS/GTS 建立三维有限元模型进行计算分析。 考虑计算模型边界效应,水平方向取350 m,垂直方向取350 m,深度取60 m。 计算时约束土体四周和底部的法向位移,顶部边界为自由面。 隧道结构、盾构管片及基坑围护结构均采用面单元,基坑承载桩采用线单元,土体为三维实体单元,共划分140 750 个节点,717 926 个单元。 地应力场按自重应力场考虑,计算模型见图4。

图4 计算模型

4.2 计算参数

土体采用摩尔-库伦本构模型,土体计算参数取值见表1。 盾构管片、盾构井结构、明挖隧道结构、基坑围护结构、承载桩等均采用弹性本构模型。

表1 土体计算参数

4.3 计算工况

计算时将基坑降水、承载桩施工、土方开挖及地下室结构、地面建筑施工分为6 个施工步骤,土体开挖和结构施作通过激活和钝化单元实现[19]。

表2 施工步序

4.4 计算结果分析

根据计算结果,分别对基坑内静压预制桩施工、基坑开挖、高层建筑加载等关键施工阶段隧道变形情况进行分析。

(1)静压预制桩施工影响

坑内静压预制桩施工期间,位于基坑中部区域盾构隧道最大水平位移3.00 mm,明挖隧道最大水平位移3.3 mm,均远离基坑方向;竖向位移较小,盾构隧道最大为0.7 mm,明挖隧道最大为0.27 mm,隧道结构水平位移见图5。 静压预制桩施工引起隧道最大变形位于盾构与明挖结构相接处,该处结构整体性较差,受坑内静压预制桩对地层的挤压影响,结构易发生远离基坑方向的水平变形,但隧道埋深大,竖向位移受施工影响小。

图5 静压预制桩完成后隧道结构水平位移云图

(2)基坑开挖施工影响

坑内静压预制桩施工完成后,按顺序分别进行二期、一期基坑开挖,根据计算结果,基坑开挖引起的盾构隧道最大水平位移为2.97 mm,明挖隧道最大水平位移为3.13 mm,方向朝向基坑内侧;盾构隧道竖向位移为0.62 mm,明挖隧道竖向位移为0.26 mm,隧道结构水平位移见图6。

图6 基坑开挖引起的隧道结构水平位移云图

(3)地下室结构及地面建筑施工影响

地下室结构及高层建筑施工引起的高铁隧道水平位移略有变化,竖向位移基本未变,项目实施后,隧道累计位移均不超过1 mm。 主要施工阶段引起的隧道结构变形统计见表3。

表3 主要施工阶段隧道变形统计mm

5 高铁隧道变形规律分析

5.1 隧道变形监测概况

基坑施工影响范围隧道共设置24 个监测断面,盾构井与两侧隧道连接处监测断面加密(见图7(a)),每个监测断面布置6 个测点,分别位于结构侧墙、道床结构中心线(见图7(b))。 基坑施工期间,对隧道水平、竖向及纵向位移进行自动化实时监测。

图7 隧道监测点布置

5.2 基坑施工引起的隧道结构变形分析

选取盾构隧道、明挖隧道典型监测断面,分析高铁隧道结构变形规律(见图8)。

图8 基坑施工引起的隧道结构位移变化规律

(1)图8(a)、图8(b)分别为基坑施工引起的盾构隧道、明挖隧道最大位移变化实测结果。 分析表明,基坑施工过程中,盾构隧道与明挖隧道结构变形规律基本一致,基坑施工主要引起隧道结构产生水平位移,竖向位移较小,未超过1 mm,且随基坑施工变化很小;同一施工节点,明挖隧道较盾构隧道水平位移值大。

(2)基坑内静压预制桩施工具有“挤土效应”,引起隧道产生远离基坑方向的水平位移,预制桩施工后,隧道水平位移迅速增大,超过预警值3 mm;静压预制桩调整为钻孔灌注桩后,水平位移不再增大,钻孔桩施工完成后,隧道结构水平位移由4.14 mm 减小至3.12 mm,竖向最大位移为0.92 mm。

(3)本工程所处地层主要为黏性土,地层渗透系数小,静压预制桩施工引起的“超孔隙水压力”消散周期较长,隧道水平位移超过报警值长达6 个月;随着基坑开挖后地层卸载,坑内地下室主体结构、地面建筑施工完成后,隧道水平位移逐步回落至0.8 mm。

(4)盾构隧道、明挖隧道现场实测最大水平位移分别为3.45,4.14 mm,数值计算结果分别为3.0,3.3 mm;基坑施工引起的隧道位移数值计算结果与现场实测值基本一致,基坑施工完成后,隧道位移均在高铁安全控制标准要求范围内。

6 结论

对软土地区基坑紧邻高铁隧道施工影响进行分析,研究既有高铁隧道的变形规律及安全保护措施,得出如下结论。

(1)软土地区静压预制桩施工“挤土效应”明显,施工过程中引起既有高铁隧道产生的水平位移较大,竖向位移较小;同一条件下,盾构隧道位移较明挖隧道小。

(2)承载桩采用钻孔灌注桩后,施工对既有高铁隧道的施工影响减小, “分期、分块、分层”进行开挖卸载,地下室结构及地面建筑施作可有效控制既有隧道位移。

(3)采取数值模拟计算及现场实测等信息化手段,动态调整高铁隧道的安全保护措施,可确保基坑施工期间高铁隧道的运营安全。