黄土区基坑开挖引起下卧地铁隧道变形分析及控制措施研究*

杨 焜,朱武卫,刘 义,席 宇,王宝玉,杨 晓

(陕西省建筑科学研究院有限公司,陕西 西安 710082)

0 引言

地铁出行是城市通勤最重要的交通方式,近年来发展快速,地下纵横交错的地铁管线与城市地下空间开发的矛盾日益激烈。如何避免或预测地下工程对既有运营地铁的影响,以及如何在施工过程中进行既有地铁的保护和变形控制,成为顺应时代发展、推动城市建设的重大研究课题。

基坑开挖将诱发近接地铁隧道的变形,其受基坑与隧道的相对位置、基坑的开挖面积与深度、土体属性等的影响,并可采取技术措施加以控制。国内学者及工程技术人员业已进行了一系列的研究工作,吴加武[1]基于DCFEM法提出了基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的预测方法,并通过Midas GTS NX对紧邻深基坑的地铁隧道进行了开挖影响分析,研究了基坑与隧道的相互作用机理。邓旭[2]通过有限元模拟对比分析了不同围护结构变形模式下既有地铁隧道的变形特性,并按深度对隧道的变形影响区进行了划分。魏纲等[3]基于Mindlin位移解和叠加原理提出了基坑开挖时邻近隧道的位移计算公式,通过算例分析了隧道位置、基坑开挖尺寸及加固控制措施改变对既有地铁隧道位移的影响。张书丰等[4]依据施工监测资料研究了长江漫滩地区深基坑施工时邻近隧道变形的主要影响因素,并通过修正惯用法进行了定量分析,提出了隧道的应急保护措施。

通过数值计算进行基坑开挖过程中邻近隧道变形的特征和敏感性分析,评估外部作业或隧道变形控制措施的可行性,已成为地下工程近接地铁隧道安全性评估的重要手段,是规范中推荐使用的方法之一。本文以西安火车站北广场基坑工程为例,研究了黄土区基坑开挖对下卧地铁隧道的变形影响,分析了采用基坑分区开挖、隧道周边土体加固等措施时隧道的变形控制效果。

1 工程概况

西安火车站北广场综合改造项目位于西安市新城区。其基坑工程的部分开挖区域位于既有地铁4号线正上方,如图1所示。图中地下1层、地下2层基坑分别开挖至地下-8.000 m和-13.500 m,坑底与下卧既有地铁隧道竖向距离分别为6.5 m和1 m。在此情况下,如何在施工过程中控制隧道变形,确保地铁4号线的运行安全是本项目施工作业的重难点。

图1 基坑开挖范围Fig.1 Excavation range of foundation excavation

2 工程地质条件

根据项目的工程地质勘察报告,场地地形基本平坦,整体呈西低东高之势,平均标高403.500 m。地貌单元属黄土梁洼,场地土自上而下分为杂填土、黄土、古土壤和粉质黏土。按土性可划分为7层,各层土体的物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

3 有限元模型

3.1 模型尺寸

以基坑和隧道作为研究对象建立三维有限元模型,考虑到基坑开挖对土体的扰动范围,计算边界自基坑边往外延伸约5倍的基坑深度[5],整体模型尺寸为260 m×180 m×50 m,如图2所示。

图2 基坑数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model of foundation excavation

3.2 单元类型及材料参数

土体选用3D实体单元及修正莫尔-库伦本构模型。在基坑开挖时,土体处于卸荷状态,修正莫尔-库伦本构能够较好地体现其加、卸荷时的刚度差异,避免出现使用莫尔-库伦本构时坑底回弹量过大的问题[6-7]。连排的支护桩根据刚度等效原则考虑成地下连续墙[8],与隧道盾构管片均采用2D板单元,锚杆采用1D植入式桁架单元[9]。各结构材料参数如表2所示。

表2 结构材料参数Table 2 Parameters of structural materials

3.3 荷载及边界条件

模型所受荷载为土体、结构自重及地面超载,其中超载按均布荷载20 kPa考虑。模型上方为自由面,底部为固定约束,四面约束法向位移[10]。

4 隧道变形分析

按照不分区开挖方案进行施工阶段数值模拟,在开挖前先施工地下1层基坑的支护桩,而后进行基坑整体开挖,每次开挖深度为2 m,直至地下1层坑底;底下2层基坑施工同样按先支护后开挖的方式进行。据此设置模型的分析工况,并对施工完成后的基坑及隧道变形加以分析。基坑开挖完成后的竖向变形如图3所示。

图3 基坑竖向变形Fig.3 Vertical deformation of foundation excavation

基坑因开挖卸荷而产生坑底隆起,这是引起基坑下卧地铁隧道变形的主要原因,图中坑底的最大隆起点位于地下2层基坑“┐”形拐角处,达到23.24 mm。

基坑开挖过程中,下卧地铁隧道主要发生隆起变形,水平向变形较小。选取隧道拱券顶部沿轴线方向的若干节点,得到各节点的竖向变形在基坑开挖过程中的发展趋势如图4所示,其中横坐标表示与模型中隧道最南端的距离,横坐标的最小值、最大值表示的位置分别为隧道的南端和北端。

图4 不同开挖工况下隧道竖向变形Fig.4 Vertical deformation of tunnel under different excavation conditions

由图4可以看出,开挖范围内的下卧隧道在基坑开挖过程中产生不均匀的整体抬升,隧道的隆起变形在地下1层基坑开挖过程中增长迅速,在地下2层基坑开挖过程中增长放缓,其中隧道两端的沉降变形是由地面超载引起的。

隧道最大隆起变形在施工过程中的增长趋势如图5所示。其中横坐标表示开挖工况,s1为初始状态,s2～s5为底下1层基坑分别开挖2,4,6,8 m时,s6～s8为地下2层基坑分别开挖2,4,5.5 m时。

图5 开挖过程中隧道最大竖向变形发展趋势Fig.5 Development trend of maximum vertical deformation of tunnel during excavation

从图5可以看到,左线隧道的最大隆起变形在整个施工过程中均大于右线隧道;隧道的变形在地下1层基坑开挖过程中发展较快,当地下1层基坑开挖完成后,左、右线隧道的隆起已经达到了其最终变形的85.3%,79.8%。

基坑开挖完成后,隧道的竖向最终变形如图6所示。

图6 隧道竖向变形Fig.6 Vertical deformation of tunnel

图中左、右线隧道的最大隆起部位位于基坑南部,分别为11.09 mm和10.29 mm,已经超出了城市轨道交通结构安全控制的预警值。

5 隧道变形控制措施研究

文中下卧既有地铁隧道在基坑开挖过程中发生了较大的隆起变形。对于隧道的变形控制,常有两种方式:①减小基坑变形,可通过加强基坑支护或开挖方案优化等来实现;②提升隧道周边土体的整体性和抗变形能力,可通过注浆或搅拌桩加固、设置抗拔桩来实现。本文将分别研究基坑开挖方案优化及隧道周边土体加固对隧道变形的控制效果。

5.1 开挖方案优化分析

基坑的变形具有显著的时空效应,通过对基坑进行分区开挖以控制单次开挖卸荷的范围和路径,可以更好地发挥基坑的时空效应,减小土体扰动,在敏感环境中尤其适用[11-12]。

5.1.1分区开挖方案

根据基坑的平面形状和施工技术要求,拟定了分区跳仓开挖方案,分区施工如图7所示。图中地下1层基坑共有9个分区,开挖深度为8 m,施工时开挖顺序如下: ① ③开挖→ ②开挖→ ④ ⑥开挖→ ⑤开挖→⑦ ⑨开挖→ ⑧开挖,施工过程中需对开挖分区相邻的未开挖分区进行临时支护。图中黑色粗线围成的区域为地下2层基坑,开挖深度为5.5 m,由于开挖面积较小,待地下1层基坑开挖到底后直接进行不分区开挖。

图7 分区开挖施工Fig.7 Construction of zoned excavation

按分区施工图进行适当简化后,将基坑模型划分成9个网格组,如图8所示。

图8 分区基坑模型Fig.8 Model of zoned foundation excavation

5.1.2隧道变形对比分析

按上述分区开挖方案调整施工步序,得到了分区开挖施工的隧道变形,其竖向最终变形如图9所示。

图9 隧道竖向变形Fig.9 Vertical deformation of tunnel

从隧道的竖向变形来看,分区开挖完成后左、右线隧道的最大隆起值为9.50 mm和8.86 mm,相比不分区开挖时分别降低了1.59 mm和1.43 mm,降幅为14.3%和13.9%。由此可见,分区开挖对隧道的变形控制是有利的,但其控制效果一般。究其原因,一方面是该基坑的开挖面积和深度并不大,而时空效应则主要是在大面积深基坑中发挥着显著作用;另一方面,要想充分发挥基坑的时空效应,需尽量缩短坑底土体的暴露时间,并及时浇筑底板和施作主体结构,本文中未考虑施作主体结构。

相较不分区开挖,分区开挖除了使隧道变形减小之外,施工过程中隧道沿其轴向的竖向变形发展趋势亦有所不同,如图10所示。

图10 不同开挖工况下隧道竖向变形Fig.10 Vertical deformation of tunnel under different excavation conditions

通过与图4的对比可以看出,隧道的竖向变形呈现明显的施工相关性。分区开挖时,左线隧道的隆起变形在开挖第①③分区、第④⑥分区和地下2层基坑时发展迅速;右线隧道在开挖第①③分区、第⑤分区和地下2层基坑时发展较快。隧道的大部分隆起变形发生在第①～⑥分区开挖过程中,且集中在距离隧道南端60～80 m。相较不分区开挖,虽然两者在最终开挖完成后沿轴线方向的竖向变形分布基本一致,但分区开挖在初期阶段的变形就较为集中,隧道中部沿轴向的差异沉降较大。第⑦～⑨分区的开挖对隧道的最大隆起变形部位基本无影响,但一定程度上减小了隧道中部的差异沉降。

综上所述,分区开挖可以减小隧道的隆起变形,但在开挖初期隧道沿轴向的隆起变形较不分区开挖时更加集中。根据不同卸荷路径下的隧道变形规律,可对分区方案进行调整,应先开挖基坑南北两侧的第①～③分区和第⑦～⑨分区,而将位于基坑中部的第④～⑥分区放至最后开挖。

5.2 隧道加固措施研究

通过注浆或水泥土搅拌桩的方式进行地层加固,可使原本的松散土粒胶结在一起,增强土体的整体性,提高其物理力学性质。还可在管线两侧打设抗拔桩从而依靠桩侧摩阻力来抵抗开挖卸荷产生的竖向拉应力,两种方法均可实现对施工过程中地下管线的变形控制[13-14]。

5.2.1隧道加固方案

在基坑不分区开挖的基础上,拟对隧道周边土体进行搅拌桩加固处理。因基坑位于既有地铁隧道正上方,故对隧道上方条形范围内的土体进行加固是必要措施。将隧道横截面上的底部两端作为起点,以与水平线成45°+φ/2的角度向上延伸至基坑底部,其间距即为隧道上方合理加固宽度,如图11a所示,本文中隧道上方土体加固宽度b取为27 m。由于隧道顶部距离地下1层基坑坑底仅有6.5 m,在扣除隧道顶部的保护区域后其上方土体的最大加固深度取5 m,故在方案1、方案2中隧道上方土体加固深度h分别取2.5 m和5 m,以分析其不同加固深度时隧道的变形控制效果。加固土的材料属性如表3所示。

表3 加固土力学参数Table 3 Mechanical parameters of reinforced soil

鉴于隧道上方土体的加固深度受限,且局部加固土在地下2层基坑开挖时即被挖除,遂在隧道上方土体加固的前提下又提出了在隧道侧方进行土体加固和设置抗拔桩的强化控制措施。根据规范中明挖外部作业的工程影响区划分[5],将抗拔桩长度和侧方土体加固范围从坑底向下延伸至基坑开挖的一般影响区外,故侧方土体加固深度取12 m,抗拔桩长度取18 m。方案3为隧道上方及侧方土体加固结合使用的门式加固方案,如图11b所示;方案4为隧道上方土体加固及两侧设置抗拔桩结合使用的板凳式加固方案,如图11c所示;方案5是前述3种加固措施叠加应用的混合加固方案,如图11d所示。加固时隧道周边1 m范围内为保护区域,不进行处理。

5.2.2加固效果对比

按前述加固方案进行模型分析,各方案对隧道变形的控制效果如表4所示。

从表4可以看出,进行隧道上方、侧方土体加固和设置抗拔桩,都能达到抑制隧道变形的效果,其中按方案2～5进行加固后均可使隧道最大隆起值小于规范中的预警值。

通过未加固方案与方案1、方案2的对比,在隧道上方进行土体加固的变形控制效果与加固深度成正比,当加固深度达到5 m时,隧道的最大隆起变形降低约15%,与分区开挖效果相当。由于局部加固土在地下2层基坑开挖过程中被挖除,这在一定程度上削弱了上方土体加固对隧道的变形控制效果。采用了两种及以上加固措施的方案3、方案4和方案5相比未加固时可分别使隧道最大隆起变形降低约33%,43%和56%,加固效果显著。

方案3相较方案2,隧道最大隆起变形减小了约18%,这说明对隧道进行侧方土体加固同样可以抑制基坑开挖时下卧隧道的竖向变形。但在隧道侧方加固深度达12 m的情况下,其变形控制效果仅与隧道上方加固5 m时相当。故针对基坑下卧隧道的竖向变形控制,进行隧道侧方土体加固没有上方土体加固有效,可在上方加固深度不足的情况下再考虑侧方土体加固。

方案4相较方案2,隧道最大隆起变形减小了约28%,这说明在隧道两侧设置抗拔桩的加固效果明显优于隧道侧方土体加固。

方案5相较方案2,隧道最大隆起变形减小了约41%,其隧道加固效果小于方案3、方案4分别相对于方案2的提升效果的叠加(46%),这说明多种加固措施的耦合使用虽然仍能进一步抑制隧道的变形,但却产生了效用损失。

5.3 施工效果评价

在综合考虑经济性及工期要求的基础上,西安火车站改扩建项目位于地铁4号线上方的基坑区域,采用优化后的分区开挖方式进行施工,并在开挖前对4号线隧道采取了板凳式加固方案,即采用水泥土搅拌桩对隧道上方土体进行加固,并沿隧道长度方向在其两侧打设隔离桩。在基坑开挖过程中对4号线左、右线隧道的顶部位移进行监测。监测数据显示,左、右线隧道在施工过程中仅发生了轻微隆起,开挖到底时左、右线的监测点最大竖向变形分别为4.12 mm,2.57 mm,远小于城市轨道交通结构安全控制的预警值。这表明,采用分区开挖和板凳式隧道加固方案,对隧道变形具有良好的控制效果。

6 结语

1)下卧地铁隧道因基坑开挖卸荷而产生变形响应,在基坑不分区开挖时左、右线隧道的最大隆起值分别为11.09 mm和10.29 mm,已超出城市轨道交通结构安全控制指标的预警值。

2)对本工程采取分区跳仓开挖方案,可使隧道最大隆起变形相比不分区开挖时降低约14%。基于不同卸荷路径下隧道的变形规律,对原分区开挖方案进行了调整,将位于基坑平面位置中部的分区调整至最后阶段开挖。

3)对比5种隧道加固方案,结果表明:进行隧道上方土体加固对隧道的变形控制效果较好,且与加固深度成正比。在隧道上方土体加固的前提下,结合侧方土体加固的门式加固方案、结合抗拔桩设置的板凳式加固方案及综合运用3种措施的混合加固方案,均可显著抑制下卧隧道竖向变形且加固效果依次提高。在隧道上方土体加固的基础上增加其他加固措施时,设置抗拔桩优于进行侧方土体加固,建议优先选择单一加固措施,混合加固方案可在单一加固措施无法满足变形控制要求时选用。

4)在实际施工时采用了分区开挖和板凳式隧道加固方案,其隧道变形控制效果良好,确保了施工过程中的地铁运行安全。