多分区基坑开挖及旁侧盾构隧道变形实测分析

魏 纲, 郭丙来, 吴海峰, 王 哲, *, 陈 博, 孙 博

(1. 浙大城市学院 浙江省城市盾构隧道安全建造与智能养护重点实验室, 浙江 杭州 310015;2. 浙大城市学院 城市基础设施智能化浙江省工程研究中心, 浙江 杭州 310015;3. 浙江工业大学土木工程学院, 浙江 杭州 310014; 4. 浙江城建勘察研究院有限公司, 浙江 杭州 311112;5. 浙江工业大学信息工程学院, 浙江 杭州 310014)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展,位于既有盾构隧道旁侧的基坑工程越来越常见。如上海某建筑基坑与轨道交通1号线区间隧道最近距离仅7 m[1];杭州地铁1号线西侧建筑基坑与地铁区间隧道最近距离约11 m[2]。位于盾构隧道旁侧的基坑在施工过程中,侧壁卸荷作用会导致围护结构变形,进而通过土体传递给旁侧盾构隧道,在隧道衬砌上引起附加荷载,最终导致既有盾构隧道产生变形,而隧道变形过大则会影响地铁隧道运营安全。Chang等[3]报道了在台北捷运系统建设过程中,Panchiao Line隧道区间由于邻近基坑开挖而破坏的工程案例。为了避免基坑开挖导致既有盾构隧道发生安全事故,既有盾构隧道对变形的要求相当严格。《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[4]明确规定盾构隧道竖向、水平位移以及径向收敛不得大于20 mm。因此有必要针对基坑开挖引起的盾构隧道变形规律进行研究。

目前,国内外已有不少学者开展了基坑开挖引起邻近盾构隧道变形的相关研究。在理论研究方面,ZHANG等[5]、魏纲等[6-7]基于两阶段分析法,首先,计算出基坑开挖引起的侧壁卸荷应力;然后,利用Mindlin应力解,得到作用在盾构隧道上的附加荷载,建立位移平衡微分方程,求解得到隧道位移。数值模拟方面,戚科骏等[8]以上海某临近隧道的基坑工程为例,利用有限元模拟软件分析了开挖期间隧道变形规律,发现基坑底部的加固深度和开挖过程中的时间因素都影响着隧道的最终变形;郑刚等[9]利用数值模拟分析方法划分了基坑旁侧盾构隧道的变形影响区;王利军等[10]基于FLAC3D模拟了超大深基坑开挖对旁侧盾构隧道的影响,发现地铁隧道整体变形呈对称分布,变形以水平位移为主,沉降较小,水平位移呈倒八字形。

由于基坑工程的复杂性以及隐蔽性,理论研究以及数值模拟方法均无法精确反映施工现场实际情况,而实测分析则能较好地揭示基坑开挖以及邻近盾构隧道变形机制。魏纲等[11]基于杭州2号线地铁旁侧某基坑施工实测数据,提出分区开挖施工应先开挖远离隧道侧基坑,后开挖近隧道侧基坑,并给出了地铁隧道水平位移计算公式。邵华等[12]分析了上海裕年国际商务大厦基坑开挖期间旁侧上海1号线的变形数据,同样提出先开挖非地铁侧土方能有效减小盾构隧道变形;王立峰等[13]基于实测数据,提出基坑分块开挖应考虑时空效应对临近盾构隧道变形的影响,并提出隧道变位估算的预测公式。沈雯等[14]发现邻近基坑开挖的区间隧道呈现沉降变形,水平向基坑侧发生位移,且横向发生水平收敛。许四法等[15]基于实际工程探究了基坑开挖全过程对旁侧盾构隧道的变形影响。

以往学者多对实测分析方面开展研究,目前多分区大型深基坑工程案例比较少见,且针对开挖过程中基坑自身以及旁侧隧道变形的协同分析也鲜有报道。基坑开挖过程中,基坑为扰动源,盾构隧道为作用对象,土体则是两者之间的介质,基坑与隧道应视为一个系统。因此,探究基坑与旁侧隧道的联合变形规律对控制旁侧盾构隧道的变形具有重要意义。

以杭州某邻近地铁7号线区间隧道基坑工程为背景,分析开挖期间基坑以及旁侧盾构隧道的变形规律,探讨基坑以及旁侧盾构隧道两者之间变形的协同响应机制。

1 工程概况和监测布置

1.1 工程概况

杭州市某基坑工程临近既有7号线地铁区间隧道,基坑地下3层区域呈方形,开挖长度约130 m,宽度约105 m,开挖深度14.81～15.95 m。地下3层基坑北侧外挂一长条形地下1层小基坑,开挖长度为约69 m,宽度约7.1 m,开挖深度6.65 m。

地下1层和地下3层基坑围护结构外边线距北侧地铁7号线的最小净距分别为7.96 m和12.5 m,如图1所示。基坑分为A、B、C、D、E、F 6个区块,其中F分为F1、F2。

隧道顶距离地下1层基坑底7.35～9.10 m,距地下3层基坑底-1.61～0.30 m。地下1层基坑(F区)采用钻孔桩+三轴水泥搅拌桩+2道内支撑(1道钢筋混凝土支撑、1道钢支撑);近地铁侧(A区、B区)采用地下连续墙+3道钢筋混凝土支撑+地中壁支护形式,其它区块则采用钻孔桩+三轴水泥搅拌桩+3道钢筋混凝土支护形式,同时采用三轴搅拌桩施作止水帷幕、槽壁加固及被动区加固,如图2所示。

图2 基坑与隧道剖面图

基坑开挖范围内主要有填土、砂质粉土、淤泥质粉质黏土夹粉土;隧道主要位于淤泥质粉质黏土夹粉土和淤泥质粉质黏土夹粉土中如图3所示。基坑坑底及隧道主要位于淤泥质粉质黏土夹粉土土层,局部为淤泥质黏土,干强度中等、压缩性高、韧性中等。土层物理力学参数如表1所示。

基坑采用分层分块开挖形式,施工顺序总体为: 先同步开挖A、C区;待A和C区结构施工完成后,开挖B、E区;最后开挖D、F1和F2区。基坑从2020年10月22日开挖,具体工况和施工时间如表2所示。

图3 基坑与隧道地质剖面图

表1 各土层物理力学参数

表2 基坑施工工况

1.2 基坑监测点布置

图4为基坑监测点布置图。其中,CX表示基坑边坡变形监测点,埋置于围护结构后方土体内; DB表示地表沉降监测点,位于基坑顶部周边; W表示墙顶垂直、水平位移监测点; ZC表示支撑轴力监测点。隧道右线75～260环为监测范围,在基坑正投影区域每5环布设1个监测断面,两端外扩40环区域每10环布设1个监测断面,右线共布设30个断面。监测断面布置如图5所示。其中,隧道两侧1#和2#棱镜监测隧道水平收敛,3#和4#棱镜监测道床差异沉降,4#棱镜监测道床沉降和水平位移。

2 基坑监测结果和分析

2.1 墙/桩顶垂直、水平位移

图6为A和C区开挖阶段墙顶垂直以及水平位移图。A区由于施工场地原因,监测点W2、W4、W5、W6在开挖期间长期处于覆盖状态,数据缺失严重,因此仅选择监测点W1、W3和W7数据。图中垂直位移正值代表隆起,水平位移正值代表向基坑侧变形,后同。

由图6可知,监测点W1由于A区北侧空地材料堆放的原因,呈现出与其他监测点不一致的垂直位移发展趋势,在A区底板浇筑完成后墙顶垂直位移仍表现为沉降。除监测点W1外,A和C区第1层土方开挖后墙顶均呈现沉降变形趋势,而随着基坑的进一步开挖,墙顶变形逐渐发展为隆起变形。原因是: 第1层土方开挖时,挖深较小,基坑底部卸荷有限,不足以抵消围护结构自重的影响,因此墙顶表现为沉降;而随着基坑的进一步开挖,坑底卸荷量进一步增大,坑底回弹增加,围护结构逐渐上抬。程康等[16]在分析杭州市某基坑开挖性状时也得到了同样的结论。基坑开挖导致围护结构承受主动土压力,墙顶呈现向基坑内侧位移的趋势。C区各测点墙顶水平位移均随着基坑挖深的增加而逐渐增加,各层土方开挖后,墙顶最大水平位移分别为5、9、12 mm;而在浇筑底板后,墙顶水平位移均有一定程度的减小。

图4 基坑监测点布置图

图5 盾构隧道监测断面布置图

图6 A和C区开挖阶段墙顶垂直及水平位移图

图7示出了B和E区开挖阶段墙顶垂直及水平位移。A、C区于2020年11月底开挖,而B区在2021年9月底才开挖,此时B区围护结构自重引起的沉降已基本稳定,因此,与A、C区不同,B区墙顶沉降随着开挖的进行,始终呈现隆起状态,且随着挖深的增加,墙顶隆起呈现增加的趋势。由于A、C区结构的隔断作用,B区南侧测点W21、W22、W23以及西侧测点W24在开挖阶段的水平位移均较小。针对分区开挖施工,要注意控制优先开挖分区的变形,同时在支护方案设计阶段也应考虑施工顺序的影响。

图8示出了D和F区开挖阶段墙顶垂直及水平位移。由图可看出,F区开挖引起的变形较小; D区W35随着基坑挖深的增加,墙顶沉降逐渐增大的同时,墙顶向基坑内侧偏移。

基坑开挖时,围护结构自重会对围护结构顶部沉降产生影响,当开挖卸荷量小于围护结构自重时,围护结构发生沉降;当卸荷量发展到足以抵消围护结构自重时,则发生隆起。

2.2 地表沉降

图9—11示出A、B、C区开挖期间不同工况、不同监测点的地表沉降变形曲线,图中工况对应表2中的工况,负值表示沉降。图9—11所示的地表沉降规律与2.1节中所述的墙顶位移规律一致。A区开挖期间,大部分地表监测点均发生了不同程度的沉降;B区开挖过程中,地表监测点首先呈现沉降的趋势,随后发生一定的隆起变形,最终趋于稳定;而C区开挖过程中,大部分监测点呈现隆起变形。

图7 B和E区开挖阶段墙顶垂直及水平位移图

图8 D和F区开挖阶段墙顶垂直及水平位移图

图9 A区开挖阶段地表沉降

图10 B区开挖阶段地表沉降

2.3 深层土体水平位移

选取典型土体监测点(CX1、CX10、CX17、CX24、CX26、CX27)进行深层土体水平位移分析。图12示出了典型深层土体水平位移曲线,其中正值表示向基坑内位移。

由图12(a)可知,监测点CX1的水平位移不断增大。随着基坑开挖深度的增加,土体变形最大位置逐渐下移,且都在开挖深度附近,变形主要呈现复合型模式(中间大、两边小)。底板浇筑完成后,监测点CX1最大变形为49.24 mm,略大于报警值40 mm。

由图12(b)可知,土体监测点CX10在基坑开挖前期表现为悬臂型变形模式。与CX1有所区别,监测点CX10浅层土体在开挖期间顶部表现为向坑外变形,这可能是A、C区相对开挖卸荷引起的。西侧A区开挖体量大,则土体卸荷应力大,导致C区东侧围护结构发生向坑外变形,底板浇筑完成后,CX10最大变形约35 mm。

由图12(c)可知,由于C区结构已经完成,且B区尺寸较小,监测点CX17的变形较CX1和CX10小,最大水平位移为25 mm左右。监测点CX1、CX10、CX17的变形都随着基坑开挖深度的增加,变形最大位置逐渐下移,且都在开挖深度附近。

由图12(d)可知,E区开挖期间监测点CX24的深层土体变形呈现复合型模式,随着基坑开挖深度的增加,变形逐渐增加。与前面不同的是,其变形的最大位置始终在第2道支撑附近,这可能与监测点CX24所处的土体分层情况有关。与CX1、CX17、CX24一样,基坑开挖到底后,均进行了及时封底,控制了土体进一步变形。

(a) 监测点CX1 (b) 监测点CX10

(c) 监测点CX17 (d) 监测点CX24

(e) 监测点CX26 (f) 监测点CX27

由图12(e)可知,F区挖深较小,监测点CX26最大水平位移仅为12.5 mm左右。由于D区邻近的A、B、C、E区结构均已完成,当D区开挖到底时,CX27的变形较小,最大变形仅为27 mm左右。但是由于开挖到底后未及时封底,底板浇筑完成时,CX27的最大变形区发展到35 mm。

2.4 支撑轴力分析

考虑到数据的完整性,以C区为例分析开挖期间支撑轴力变化。图13为C区开挖期间支撑轴力变化。第1层土方开挖期间,围护结构上土体卸荷应力主要由第1道支撑承受;随着挖深的增加,第1道支撑的轴力逐渐增加,第1层土方开挖完成时,第1道支撑最大轴力达到3 286 kN。第2道支撑架设后,在第2层土方开挖过程中,第2道支撑承担了主要的土体卸荷应力,此阶段第1道支撑轴力不再进一步发展,第2道支撑轴力则随着开挖深度的增加而逐渐增大。同样,第3道支撑架设之后,随着第3层土方的开挖,第3道支撑轴力逐渐增大,而第1道和第2道支撑轴力则趋于稳定。

图13 C区支撑轴力实测分析

3 隧道监测结果和分析

3.1 隧道道床沉降分析

地铁右线隧道监测区域为75～260环,图14示出了基坑不同施工阶段右线道床沉降变形曲线,其中负值表示沉降。

如图14所示,A、C区开挖直至底板封闭施工,地铁右线隧道产生了一定的道床沉降,且集中在基坑对应区域。其中,A区对应的区域(170～220环)距基坑边界更近,道床沉降普遍大于C区对应的区域(105～140环)。A、C区底板浇筑完成后到B区开挖区间为A、C区结构施工阶段,值得注意的是,在此阶段,右线隧道道床发生了显著的沉降。这与邵华等[12]提出的“挖土支撑阶段是对地铁结构影响最大的阶段”有所出入,结构施工对隧道道床沉降的影响甚至大于开挖阶段。因此,在结构施工阶段,应控制基坑内材料以及设备的堆积,避免进一步加剧邻近地铁隧道的沉降。

图14 基坑不同施工阶段右线道床沉降曲线

B、E区开挖期间,已完成的结构并未对隧道产生封闭隔离作用,隧道道床沉降进一步发展,变形主要集中在140～225环。E区结构完成后,由于A、C区和B、E区的结构对隧道产生隔离效应,因此D区开挖期间,隧道道床沉降变化较小,基本稳定。隧道道床最终沉降接近20 mm,因此在施工完成之后,对局部变形过大的盾构区间进行了修复和钢环加固。

选取4个有代表性的隧道监测位置(120环、155环、190环、215环),分析隧道道床沉降随着开挖时间的变化规律,如图15所示。A、C区开挖期间,隧道道床沉降有一定的发展,但是变化不大。而在结构施工阶段,隧道道床沉降有显著的变化,原因有: 1)由于软土在受力变形过程中存在时间效应,即土体变形延迟,因此,基坑开挖产生的土体位移无法在隧道变形上得到瞬时响应; 2)结构施工阶段,大自重结构的施工相当于坑底堆载,进一步增大了隧道的道床沉降变形。与A、C区类似,B、E开挖期间,隧道道床沉降得到进一步发展。120环断面的道床沉降变化幅度不大,是因为120环对应C区开挖区域,而此时C区结构已完成,对该区域的土体起到较好的支撑作用,因此B、E区开挖对120环断面的道床沉降影响不大。同样地,在结构施工阶段,道床沉降有进一步发展。由于F区基坑挖深小于隧道埋深,因此D、F区开挖期间,隧道有一定的上抬,但由于F区基坑开挖尺寸较小,对隧道的上抬作用并不明显。

图16为典型隧道监测点在不同施工阶段的道床沉降增量图。A、C区结构施工阶段是隧道道床沉降发展最快的阶段,而在D、F区开挖期间,各点均有一定的隆起。

3.2 隧道水平位移分析

图17为基坑不同施工阶段右线隧道水平位移曲线,其中正值表示向基坑方向位移。如图17所示,与一般案例中基坑开挖引起的邻近隧道水平位移呈正态分布不同[11, 17],本项目基坑开挖完成后,隧道水平位移呈现“高低双峰”状。75～125环为低峰,150～250环为高峰。而双峰之间的低谷对应环号为125～150环,对应C区开挖区域环号。由图17可知,高低峰落差产生主要集中在A、C区底板浇筑完成到B区开挖前这一阶段,距离较近的A区对应的隧道区域水平位移发展远大于距离较远的C区对应的隧道区域水平位移发展。因此,在A、C区结构施工至B区开挖前,邻近隧道产生差异性水平位移的原因是由前文提到的软土变形时间效应以及基坑分区与隧道相对位置2个因素叠加造成的。

图15 右线隧道道床沉降随开挖时间变化

图16 右线隧道道床沉降增量图

由图18示出的右线隧道水平位移随开挖时间的变化曲线可知,各点变化趋势一致,水平位移均随着基坑开挖时间逐渐增大。与图15道床沉降变化规律类似,在A、C区结构施工阶段,各点水平位移有较大的变化,190环隧道断面水平位移由1.3 mm增加到5.3 mm,结构施工期间增加的水平位移约是开挖阶段的3倍。因此,要尽量缩短结构施工时间,避免隧道变形进一步发展。

图17 基坑不同施工阶段右线水平位移曲线

图18 右线隧道水平位移随开挖时间变化

图19为右线隧道典型监测点在不同施工阶段的水平位移增量图。与图16相同,各个点均在A、C区结构施工阶段水平位移发展最快。

图19 右线隧道水平位移增量

3.3 隧道水平收敛分析

图20为基坑不同施工阶段右线水平收敛曲线,正值表示水平拉伸,负值表示水平压缩。与道床沉降以及水平位移不同,隧道水平收敛曲线在A、C施工阶段并未呈现变形滞后性。原因是: 隧道管片结构为刚性材料,基坑卸荷应力作用在管片结构上时,会即刻反应在管片收敛变形上。随着基坑施工步骤的进行,右线隧道呈现水平拉伸状,且水平收敛越来越大,这与黄迅等[18]得到的规律一致。

图20 基坑不同施工阶段右线水平收敛曲线

图21为右线隧道水平收敛随开挖时间的变化情况。由图可知,在A、C区开挖阶段,基坑侧壁卸荷应力作用在隧道管片结构上,隧道水平位移有较大的发展。但是与隧道水平位移及道床沉降不同,水平收敛在A、C区结构施工阶段并未进一步增大,而是趋于稳定,这是因为: 管片结构的水平收敛对附加应力的响应是瞬时的。因此在结构施工期间,水平收敛已达到稳定。而随着B、E区开挖,附加荷载进一步作用在管片结构上,水平收敛进一步发展,由于B、E区开挖的附加应力较小,水平收敛增大的幅度并不大。后续施工阶段,水平收敛与道床沉降以及水平位移变形规律一致,皆趋于稳定。

图21 右线隧道水平收敛随开挖时间的情况变化

3.4 隧道与基坑监测数据联合分析

联合基坑以及隧道变形数据,总结基坑开挖对隧道影响模式。基坑施工各阶段隧道水平变形如图22所示。本工程基坑围护结构和隧道均向基坑侧位移,A、C区施工时,临近隧道侧监测点CX1和CX9的土体深层水平位移分别为49.24 mm(深度19 m)、34.02 mm(深度16 m)。由于近隧道侧围护结构变形量的不同以及A、C区与隧道水平距离的不同,导致A、C区施工后,隧道出现“双峰”形水平位移曲线。由于B区更靠近盾构隧道,且对应“小峰”区域,而E区与隧道间隔着已完成结构的A区,因此B、E区施工时,“小峰”发展程度大于“大峰”,但隧道变形曲线仍呈现“双峰”状。F区开挖深度小,D区与隧道间隔着已完成结构的B区,因此D、F区施工对隧道纵向变形影响有限,最终隧道纵向变形仍呈现“双峰”状。

图22 基坑施工各阶段隧道水平变形示意图

基坑开挖后,围护结构在坑内外压力差的作用下向基坑内侧变形,且在坑底卸荷的作用下,围护结构发生一定的隆起,坑外土体同时沿着一定的位移路径随着围护结构向坑内位移,此时地表发生沉降,旁侧盾构隧道不仅发生沉降,还向基坑侧产生了位移。从隧道横向变形来看,在土体位移的作用下,隧道呈现水平向拉伸的“横鸭蛋”状,如图23所示。

图23 基坑开挖变形示意图

以A区为例,分析土体测斜与隧道水平位移的时程关系。盾构隧道在A区对应区段埋深约15 m,土体及对应的隧道断面在同样深度下的位移时程曲线如图24所示。如图24所示,在开挖40 d以后,土体监测点CX1和CX2的位移均有明显的提升。监测点CX1从40 d的3.73 mm发展到100 d的46.64 mm;监测点CX2从40 d的1 mm发展到100 d的23.91 mm。然而,对应的隧道210环和180环水平位移在40～100 d波动不大;直至100 d之后,隧道水平位移才有相应的增大,相比于土体而言,隧道水平位移变形有60 d左右的滞后性;隧道沉降时程规律与水平位移规律一致,同样较土体而言大致有60 d左右的滞后性。原因是前文所说的软土变形时间效应,导致土体应变无法对应力做出即时响应。因此,基坑开挖结束后仍需关注邻近隧道的变形数据。

图24 A区土体和对应隧道位移时程曲线

4 结论与建议

1)基坑开挖时,围护结构自重会对围护结构顶部沉降产生影响。当开挖卸荷量小于围护结构自重时,围护结构发生沉降;当卸荷量发展到足以抵消围护结构自重时,则发生隆起。

2)基坑结构施工阶段产生的邻近盾构隧道道床沉降及水平位移增量显著大于基坑开挖阶段,结构施工期间增加的水平位移约是开挖阶段的3倍。应尽量缩短结构施工时间,避免隧道变形进一步发展。

3)软土变形的时间效应可能导致基坑旁侧地铁隧道的道床沉降及水平位移响应滞后60 d左右,应重视隧道道床沉降及水平位移的工后变形。

限于实际工程的客观原因,本文未能分析基坑各分区间开挖互相影响,未能收集坑底隆起、围护结构侧向土压力、孔隙水压力等数据,也未能完整分析基坑开挖对邻近隧道的变形机制,后续可进一步开展相关现场监测研究。