基坑施工全过程对邻近双线隧道影响实测分析*

任东兴,薛 鹏,高晓峰,黄 海,邵 康,王全超

(1.中冶成都勘察研究总院有限公司,四川 成都 610023; 2.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031; 3.上海京海工程技术有限公司,上海 200137)

0 引言

近年来,在城市交通网络的建设过程中,运营交通隧道周边基坑开挖逐渐增加。在保证既有隧道安全运营的前提下,基坑开挖对周边环境影响成为重点关注的问题之一[1-2]。

针对基坑开挖对邻近隧道的影响,许多学者采用数值分析[3-9]、模型试验[10-13]和理论分析[14-16]等方法开展相关研究。实际环境中,邻近既有隧道受基坑开挖与多种周边环境因素影响,基坑开挖变形的时间与空间特征在数值模拟、模型试验和理论分析方法中并不能完整体现对既有隧道的影响。然而,实测分析既有隧道与开挖基坑相互影响的关系可较好地指导基坑施工,并维护既有隧道的安全运营。刘庭金[17]详细分析了邻近基坑开挖对地铁隧道的位移、收敛和变形曲率的影响。王立峰等[18]利用基坑监测数据进行拟合,对邻近隧道的变位进行评估。丁智等[19]分析了基坑施工全过程对隧道位移和收敛的影响,并归纳出地表最大水平侧移与隧道水平位移、水平收敛的拟合关系。许四法等[20]详细分析不同施工阶段隧道的变形模式与机理,同时定量评价了基坑开挖前围护结构施工对隧道变形的影响。

现有研究注重基坑开挖施工对邻近隧道的影响[21-23],较少关注施工前围护结构对施工的影响。本文结合实际案例,研究上海地区既有隧道受邻近基坑开挖的影响,总结靠近既有隧道侧基坑围护结构的侧向变形与地表沉降分布规律。最后定量评价施工各阶段隧道位移与收敛变形的比重。

1 工程概况

1.1 基坑概况

本项目位于上海市浦东新区,基坑形状大致呈长方形,尺寸约为100m×60m,基坑总面积6 000m2,开挖深度20.8m。基坑南侧(靠近公路隧道一侧)边长约为100m,采用1 000mm厚地下连续墙作基坑围护结构,外侧采用700mm厚TRD等厚度水泥土搅拌墙作为止水帷幕并使用槽壁加固,内侧采用直径850mm、间距600mm三轴水泥土搅拌桩[24]。三轴水泥搅拌桩被动区加固体与地下连续墙间隙采用直径800mm、间距600mm的高压旋喷桩填充[24]。

隧道位于基坑南侧,隧道东线与围护结构净距约10m,隧道西线与围护结构净距约33.4m。隧道中心埋深为20.50～22.50m,双线隧道直径均为11.36m。基坑与双线隧道相对位置关系与剖面如图1,2所示。

图1 基坑与双线隧道剖面(单位:m)Fig.1 Profile of foundation excavation and double-line tunnel(unit:m)

1.2 水文地质概况

基坑开挖影响范围内的土层主要物理力学性质参数[25]如表1所示。拟建场地主要地下水类型为浅部土层中的潜水与深部的承压水,潜水位埋深1.23～1.47m,承压水水位埋深5～7m。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

基坑采用顺作法施工。从2019年7月15分别进行TRD、三轴搅拌桩、地下连续墙和被动区土体加固施工,基坑围护结构施工和全过程开挖工况如表2所示。

表2 施工工况Table 2 Construction conditions

1.3 监测项目布置

监测项目布置如图2所示。隧道布置测点区间长度约240m,基坑开挖长度约104m。东线隧道位移测点24个(D20W～D43W),收敛测量线9条。西线隧道位移测点21个(X19W～X39W),收敛测量线11条。

图2 基坑与隧道平面位置关系(单位:m)Fig.2 Plane location of foundation excavation and tunnel(unit:m)

隧道竖向位移正值表示隧道向上隆起,负值表示隧道向下沉降;水平位移正值表示隧道朝靠近基坑方向偏移,负值表示隧道朝远离基坑方向偏移;水平收敛正值表示隧道直径比原始直径更大,负值表示隧道直径比原始直径更小。

基坑南侧测点布置如图3所示。监测内容包括基坑南侧地下连续墙侧向位移随深度变化(WL1～WL4),地下连续墙顶竖向位移(QD1～QD4)和基坑南侧地表沉降(DB1～DB4)3个方面。

图3 基坑南侧监测点布置(单位:m)Fig.3 Layout of monitoring points on the south side of the foundation excavation(unit:m)

2 基坑与隧道实测分析

2.1 基坑实测

2.1.1地下连续墙侧向位移

地下连续墙侧向位移在不同阶段的开挖曲线如图4所示,可看出侧向位移沿深度的分布呈肚胀形,与之前研究结果相吻合[26-27]。随着开挖深度逐渐增加,肚胀形曲线形状也越来越明显,最大位移对应的基坑深度位置也逐渐下移。阶段1中围护结构基本无变形,这是由于第1道支撑底部以下在基坑开挖前被动区土体8.5m范围内采用三轴水泥搅拌桩进行加固,被动加固区能在开挖侧对地下连续墙提供较大的抗力。在阶段2侧向变形也较小,由于地下连续墙靠近基坑侧被动区土体被挖走一部分,墙后的土压力也较阶段1更大。但阶段3～5中,每个开挖阶段的侧向位移明显增加,这是由于基坑土体被挖走,墙后土压力进一步增加所致,反映出基坑开挖的深度效应[27]。

图4 地下连续墙侧向位移沿深度变化曲线Fig.4 Lateral displacement of underground diaphragm wall with depth

此外,基坑南侧围护结构侧向变形也受到基坑空间位置的影响,从图4中可看出靠近基坑边角处的侧向位移比远离基坑边角侧的侧向位移更小。因为基坑边角侧的约束更强,导致变形更小。基坑围护结构随深度方向的侧向位移也将会影响隧道变形[5]。再次证明了在基坑开挖期间需对隧道进行监测来保障隧道的安全运营。

2.1.2地表竖向变形

地下连续墙顶处竖向位移与附近地表竖向位移随着基坑开挖的变化规律如图5所示。基坑围护结构地表和墙顶位移随着开挖深度的增加逐渐增加。这是由于基坑开挖后,土体卸荷回弹,地下连续墙有向上隆起趋势,地下连续墙与周围土的相互作用,带动墙后一定范围土体向上移动,因此在墙后一定范围内的土体表现为隆起。但地下连续墙对墙后土体的影响范围有限,本文案例中,地表隆起范围未超过2m。

图5 基坑外双线隧道上方地表竖向变形Fig.5 Vertical deformation of the ground surface above the double-line tunnel outside the foundation excavation

在地下连续墙2m范围外,地表的位移主要表现为沉降,沉降曲线呈V形,在距离地下连续墙约6.5m位置处,沉降值最大。其中距离基坑中心近的测点最大沉降值大于远离基坑中心测点,体现基坑变形的空间特征。此外,在开挖阶段1,2时,土层开挖深度小,围护结构的侧向变形也较小,因此地表沉降也小。地表沉降在阶段3开始发生显著变化,这是由于基坑开挖对周边环境的影响存在明显的深度效应。

地表沉降影响范围是东线隧道所处位置上方,东线隧道上方地表沉降必然对隧道所处的应力场发生变化,导致东线隧道位移与结构变形,因此基坑开挖时对邻近运营隧道的变形监测十分重要。

2.2 隧道实测

2.2.1隧道竖向位移

双线隧道区间不同位置处竖向位移随着开挖阶段变化曲线如图6所示。双线隧道总体竖向位移变化并不大,东线隧道在-2.3～+5mm变化,西线隧道在-2.5～+3.6mm变化,东线隧道变化幅度更明显,主要原因是东线隧道更加靠近基坑(距离10m)。

图6 双线隧道沿纵向竖向位移变化曲线Fig.6 Vertical displacement along the longitudinal direction of thedouble-line tunnel

双线隧道沿纵向竖向位移对应基坑开挖范围内变化明显,且均表现为隆起,这是由于基坑开挖导致坑底土体回弹,同时坑外土体向坑内移动,隧道受到斜向上作用,使隧道在竖向产生上浮现象。东线隧道受土体回弹和土体侧向位移的影响更大,因此竖向位移数值更大。西线隧道离开挖基坑位置距离更远(净距33.4m),竖向位移变化更小。隧道竖向位移受基坑与隧道间距影响较大。值得注意的是,阶段5基坑底板施工完成使基坑围护结构更具整体性,限制了基坑底部土体回弹。隧道竖向位移在基坑中心线位置向两边方向隆起值迅速回落。

根据相关单位要求,确定既有隧道竖向位移累积变形报警值为-10～+10mm。本案例中双线隧道的实测竖向位移值均小于报警值,说明基坑开挖过程中位移控制措施合理。

2.2.2隧道水平位移

以东线隧道为例说明,其纵向水平位移变化如图7所示。在阶段1隧道水平位移由远离基坑方向变为靠近基坑方向,可见隧道的水平位移对基坑开挖卸荷较敏感。阶段3后开挖深度与隧道顶埋置深度接近,阶段4隧道水平位移迅速增加,阶段5开挖深度已达到隧道底部埋置深度,而且阶段5中基坑底板施工完成,此时基坑围护结构更具整体性,隧道水平位移在基坑中心东侧呈小幅回落。此外,阶段5中基坑围护结构的侧向变形最大值位置位于基坑以上范围,基坑底部对应围护结构侧向变形相对更小,对邻近隧道水平位移的影响也变小。

图7 东线隧道纵向水平位移变化曲线Fig.7 Horizontal displacement along longitudinal direction of eastern tunnel

同时,根据相关单位讨论确定双线隧道竖向位移累积水平位移报警值为-10～+10mm。本案例中双线隧道的实测水平位移值均小于要求报警值,说明基坑开挖时位移控制措施得当。

2.2.3隧道水平收敛

以东线隧道为例,沿纵向水平收敛值如图8所示。从图8可得,在阶段1～3时,基坑开挖深度小于在隧道顶部埋置深度,隧道的水平收敛变化较小,对于隧道结构形状影响较小。在阶段4～5时,基坑开挖深度范围在隧道埋置深度内,隧道水平收敛值开始明显增加。

图8 东线隧道沿纵向水平收敛变化曲线Fig.8 Horizontal convergence displacement along longitudinal direction of eastern tunnel

东线隧道水平收敛位移变化范围为-0.8～3.6mm,西线隧道水平收敛位移变化范围为-1.0～2.9mm。根据相关单位要求,隧道水平收敛累积位移报警值为-5～5mm。本案例中双线隧道水平收敛位移满足隧道正常运营要求。

3 隧道与基坑变形的关系

根据前面分析可知,东线隧道水平位移、竖向位移及水平收敛位移受基坑施工与开挖影响更大。以东线隧道为例,对基坑施工开挖阶段中邻近既有隧道各阶段位移变化进行定量分析。

距基坑中心线东侧9m位置基坑围护结构最大位移与对应位置处东线隧道的位移关系如图9a所示。其中,基坑围护结构测点为WL3,东线隧道位移测点为D32W,水平收敛测线为D32S(见图2)。从图9a中可看出隧道竖向位移在阶段1快速增加,在阶段2～5均随着围护结构侧向位移的增加而增加,趋势也基本一致。水平位移与竖向位移变化趋势相同,但水平位移整体上比竖向位移更小。水平收敛位移呈现基本相同变化趋势,但是增加快慢有所不同。阶段1～3隧道水平收敛值缓慢增加。阶段4～5,水平收敛值快速增长,主要原因是基坑开挖深度达到隧道的埋置深度区间,而且围护结构在深度区间内侧向位移最大,同时最大侧移对应围护结构位置与隧道的净距最小。靠近基坑侧隧道受土体卸荷影响向坑内移动,隧道水平侧土压力迅速减小,对隧道的侧向限制减小,而隧道竖向仍受坑底土回弹的影响,开挖深度越大,坑底回弹量也越大。隧道在竖向压力增加,而水平压力减小情况下,横截面由圆形向扁平状发展,因此隧道水平收敛值迅速增加。

图9 地下连续墙顶竖向位移随时间变化Fig.9 The vertical displacement of the top of the underground diaphragm wall varies with the construction stage

东线隧道在各施工时阶段位移变化量占总位移百分比如图9b所示。隧道水平位移变化量在未开挖阶段占比较大(36%),说明基坑围护结构施工产生挤土作用,对水平位移有较大影响,在基坑设计施工中应引起重视。阶段1中隧道水平位移变化量占比也较大(51%),说明隧道水平位移受基坑开挖卸载影响较大,但基坑设计中在第1道支撑以下范围内基坑被动区采用三轴水泥搅拌桩进行加固,在阶段2～4水平位移变化量占比明显减小。但在阶段5由于基坑底板(底板厚1.1m)浇筑完成,限制基坑水平位移发展,隧道水平位移变化量占比也明显降低。

隧道竖向位移变化量在基坑施工各阶段主要受到基坑开挖后土体回弹影响,由于在开挖过程中及时进行混凝土支撑,竖向位移变化量在各阶段(阶段2～4)占比较一致(22%,24%和25%)。但是在阶段5竖向位移变化量占比(12%)较前面阶段明显降低,是由于基坑底板浇筑形成,使基坑围护结构形成整体,有效限制土体回弹。

隧道水平收敛位移变化量在基坑施工期间也受挤土作用的影响,隧道收敛直径变化量占比-21%。但是随着基坑开挖深度增加,围护结构的侧向变形逐渐增加。阶段4～5中基坑开挖深度对应隧道埋置深度区间,隧道水平收敛位移变化量占比分别为31%和57%,可见基坑开挖深度与隧道埋置深度相对关系对隧道水平收敛位移具有重要影响。在基坑施工中,当基坑开挖深度与隧道埋置深度相同时,应密切关注隧道水平收敛位移发展。

4 结语

1)基坑地表位移与侧向位移分布规律体现了基坑开挖过程中的空间效应和深度效应,同时基坑开挖变形影响范围均与隧道的空间位置重合,因此,对隧道位移和水平收敛的监测十分重要。

2)距离基坑更近的隧道明显受基坑施工影响更大。隧道水平位移与竖向位移均在基坑开挖范围内变化显著,在基坑中心线附近呈现最大值,且随着开挖深度的增加,整体上位移也逐渐增加。此外,基坑围护结构的施工对隧道水平位移的影响也不应被忽视。

3)水平位移在基坑围护结构施工和初始开挖阶段累积较快,竖向位移在各阶段呈现较均匀累积,在基坑底板施工完成后,竖向位移和水平位移变化百分比均明显减小。

4)隧道水平收敛不仅仅影响基坑开挖范围,也影响基坑开挖以外的范围,应引起工程技术人员的重视。隧道水平收敛值在基坑开挖到接近隧道埋置深度时快速增加,隧道逐渐趋向于压扁变形。对于该阶段基坑施工应密切关注隧道结构形状对正常运营的影响。