邻近深基坑地铁隧道过大位移及保护措施

陈仁朋,孟凡衍,李忠超,叶跃鸿,胡　琦

(1.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058; 2.浙江大学 岩土工程研究所,浙江 杭州 310058;3.武汉市市政建设集团有限公司,湖北 武汉 430023; 4.浙江工业大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310014)



邻近深基坑地铁隧道过大位移及保护措施

陈仁朋1,2,孟凡衍1,2,李忠超3,叶跃鸿1,2,胡琦4

(1.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058; 2.浙江大学 岩土工程研究所,浙江 杭州 310058;3.武汉市市政建设集团有限公司,湖北 武汉 430023; 4.浙江工业大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

摘要:以紧邻宁波地铁1号线某区间的深基坑为例,基坑开挖导致邻近左线隧道产生明显的位移和变形,局部位置甚至出现渗漏和开裂.结合现场资料和室内试验,获得硬化土模型参数,建立基坑和隧道共同作用的三维有限元模型,对比基坑开挖影响下隧道位移计算值与现场实测值,通过探究基坑围护结构、周围土体位移规律,分析并比较基坑分块开挖、被动区土体加固以及隔断墙等几种典型隧道保护措施的效果.分析结果表明,基坑分块开挖对隧道保护具有明显作用,而被动区土体加固和隔断墙对隧道保护效果较差.

关键词：数值分析；基坑；隧道；过大位移；分块开挖

目前,地铁隧道建设进入快速发展时期,建设规模越来越大.同时,随着城市的发展,邻近地铁隧道的工程建设越来越频繁,不可避免地会对既有隧道产生影响.地层开挖活动会不同程度地改变地层应力状态并引起地层变形[1-3].邻近既有隧道的基坑开挖会使周围土体产生应力释放和变形,从而间接导致隧道受力特性改变并产生附加变形,甚至会威胁到隧道安全.另外,软黏土具有强度低和结构性强等特点,受扰动后工程特性会发生弱化.因而,修建于软土地层中的隧道在邻近基坑开挖影响下往往会产生较大的变形和附加内力[4-6].

基坑开挖会对周围土体产生卸载作用并引起相应变形[7-8].同时,作用在隧道结构上的土压力将发生变化,引起隧道结构内力改变,产生附加变形甚至出现开裂或渗漏等现象.针对基坑开挖对邻近隧道的影响,许多学者展开了研究[9-17].通过解析和半解析法并将隧道假设为弹性梁,Zhang等[9-10]研究了基坑-围岩-隧道相互作用机理.Ng等[11]通过离心模型试验研究了干砂地层中地下室开挖对已建隧道的影响,并通过三维数值分析对试验结果进行了验证.蔡建鹏等[12]从基坑变形预测曲线出发,提出了基坑开挖对邻近管线影响的DCFEM法.针对深基坑开挖对邻近隧道的影响,Huang等[13]利用三维有限元方法研究了隧道与基坑相对位置、隧道直径、开挖范围等因素的影响.然而,已有的研究大多为二维平面应变模型,而针对实际工程的三维分析模型较少.实际上,基坑开挖会使邻近隧道产生纵向不均匀变形,导致隧道结构受损,而在二维平面中是无法分析体现的.因此,针对基坑开挖引起邻近隧道变形的三维有限元分析是有必要的.

如何保证基坑开挖影响下的邻近既有隧道安全稳定是工程建设中的关键问题.为此,相关学者研究了分块开挖、土体加固以及隔断墙等措施对隧道保护的作用[16-17].Zhang等[9]研究了基坑分块开挖对地铁隧道变形的影响,发现分块开挖效果较好.然而,针对典型措施对隧道保护有效性的比较分析却不常见.

结合现场资料和土体本构模型参数室内试验,本文对某大面积基坑开挖对宁波地铁1号线某区间地铁隧道影响进行了数值分析研究.根据现场实测数据,验证了本文数值分析模型和计算参数的可靠性；结合计算获得的基坑围护结构和周围土体位移规律,比较了包括基坑分块开挖、被动区土体加固以及隔断墙等措施对保护邻近隧道的作用.

1工程概况

1.1区间隧道

宁波地铁1号线是连接宁波东西主城区的主要线路.如图1和2所示,区间双线隧道总长约746.5 m,双线隧道轴线间水平距离为12～15 m,拱顶埋深为9～15 m,平均埋深为11.9 m.隧道衬砌内外径分别为5.5 和6.2 m,衬砌环宽为1.2 m,厚35 cm,每环管片由6块管片通过弯螺栓连接而成,管片混凝土强度等级C50.

图1　基坑与邻近隧道平面示意图Fig.1　Plan view of excavation and nearby metro tunnels

左线隧道(紧邻基坑)自2011年2月28日始发掘进,至2011年5月30日贯通.右线隧道自2011年7月6日始发掘进,至2011年11月5日贯通.

1.2邻近基坑

邻近基坑位于双线隧道北侧,基坑围护结构由钻孔灌注桩结合两道钢筋混凝土内支撑组成,混凝土强度等级C30,设计参数及空间位置如图2所示.基坑开挖分为3步：分别开挖至-3.4 、-7.9 和-11.4 m,支撑分别设置于-2.9 和-7.4 m处.基坑开挖始于2011年12月1日,即约在右线隧道开挖完成1个月后；第2道支撑混凝土浇筑于2012年1月11日完成；随后,第3层土方开挖时间段为2012年3月11日至29日.

1.3工程地质条件

场地属典型的软土地层,广泛分布着海相沉积的厚层软土,地下水位位于地表以下约1 m.根据土体基本物理力学特性室内外试验,包括含水量、密度、旁压试验等[18],主要土层的物理性质指标如表1所示.表中e0为孔隙比，γ为容重，w为水的质量分数，Ip为塑性指数,K0为静止侧压力系数.②1淤泥和②2淤泥质黏土呈流塑状,属高灵敏度土,具易触变性,其灵敏度分别为5.4和5.8.区间盾构掘进主要穿越地层包括②1淤泥、②2淤泥质黏土、③1粉砂、③2粉质黏土夹粉砂和④2粉质黏土等.基坑底以下一定范围内为②1淤泥,开挖作用下易发生明显的坑底隆起.③1层粉砂为承压含水层,位于该地层内的隧道管片若发生贯穿裂缝,将不可避免地发生渗漏水.

图2　基坑与邻近隧道相对位置和地层剖面Fig. 2　Cross section of soil stratigraphy and the relative position between excavation and nearby metro tunnels

土层e0γ/(kN·m-3)w/%Ip/%K0①1填土0.9518.534.0—0.50①2黏土0.96618.434.319.90.48①3粉质黏土1.34417.148.318.60.62②1淤泥1.55816.555.620.70.66②2淤泥质黏土1.38116.949.019.40.62③1粉砂0.73019.125.5—0.35③2粉质黏土夹粉砂0.87118.530.011.50.5④1粉质黏土0.90818.431.513.10.52④2黏土1.14117.639.218.90.52⑤1黏土0.78119.227.317.30.30

2隧道结构实测变形及破坏

基坑开挖第3步期间(至-11.4 m),左线隧道底部出现纵向裂纹并伴有渗漏水.左线隧道40～414环管片均不同程度出现受损,包括错台加大、渗漏水、管片开裂、盾尾充填油脂渗出等现象.同时,现场监测数据也表明左线隧道发生了较大变形和位移.基坑开挖第3步期间,左线隧道水平位移增量最大值大小为33.5 mm,发生在163环处.第221环处监测到的水平收敛、竖向收敛和沉降增量分别为21.9 、16 和25.3 mm.

3数值分析模型

采用通用三维有限元软件PLAXIS 3D进行数值计算.模型中隧道与基坑相对位置关系如图1、2所示.为消除模型范围对计算结果的影响[19],计算边界取基坑4倍开挖深度以外,即模型范围取360 m×260 m×40 m.模型顶面自由,侧面设置水平约束,底面设置固定约束.在计算过程中,初始应力生成后和基坑开挖前位移均重置为零.

3.1分析工况

首先进行实际施工情况的模拟(工况1),然后再进行基坑分块开挖(工况2)、被动区土体加固(工况3)以及隔断墙(工况4)3种保护措施的模拟.

工况1：模拟实际施工过程及措施,验证数值模型和计算参数的可靠性.为与现场工况相符,基坑开挖模拟前先进行隧道施工的模拟.

工况2：基坑分块开挖.分析对基坑开挖第2步和第3步进行纵向分块,每块宽约20 m,共分为12块.

工况3：被动区土体加固.被动区土体加固沿邻近隧道一侧基坑边进行,加固宽度5 m,深度范围为基坑底以下8 m,加固于基坑开挖前完成.基于水泥土搅拌桩复合地基计算方法[20],取水泥土强度Su=1 MPa,加固后的复合地基弹性模量取120 MPa,有效黏聚力和内摩擦角分别取500 kPa和30°.

工况4：隔断墙加固.隔断墙设置于基坑围护桩和左线隧道中间,平面范围约为基坑边界长度的一

半,由Φ800@1 000钻孔灌注桩组成,桩长30 m.同时,为增加刚度,隔断桩与基坑围护桩通过钢筋混凝土梁连接,其刚度与隔断桩一致.

3.2材料参数

表2　土体计算参数

表3　围护桩、隧道衬砌和隔断墙计算参数

4计算模型验证

为验证数值模型和土体材料参数的可靠性,本文首先分析了工况1左线隧道拱底水平和竖向位移增量.如图3(a)所示,图中Vh为左线隧道水平位移,基坑开挖第3隧道水平位移增量计算值与监测值较接近，Y坐标为隧道在基坑纵向上的位置.同时,如图3(b)所示,图中Vv别为左线隧道竖向位移,基坑开挖第3步隧道第221环竖向位移增量计算值和实测值分别为25.3和23 mm,亦十分接近.因此,可以认为数值模型和材料参数可靠.另外,隧道水平位移和竖向位移均在基坑开挖范围中部位置处明显增大.

图3　左线隧道水平位移Vh和竖向位移VvFig.3　Horizontal and vertical displacement of left tunnel

5隧道保护措施有效性

5.1围护结构、周围土体和隧道水平位移

基坑分块开挖、被动区土体加固和隔断墙等3种措施将会改变基坑围护结构变形,间接地影响邻近地铁隧道.因此,为研究以上几种措施对保护邻近地铁隧道的作用,本文得到了不同措施下基坑开挖完成后B-B断面上围护桩侧向位移Vl,H为埋深.如图4所示,相比其他措施,基坑分块开挖使得相对深部区域即约埋深10 m以下区域的围护桩侧向位移明显下降,这将间接地减小邻近左线隧道的位移.

如图5所示, 计算得到了不同加固措施下B-B断面上距坑边d=0.5H处土体深层侧向位移.明显地,相比工况1,基坑分块开挖和被动区土体加固均不同程度地减小了浅部区域(左线隧道拱顶以上)土体的侧向位移.在相对深部区域(约隧道轴线埋深以下区域),基坑分块开挖明显地减小了土体深层水平位移.然而,隔断墙的设置明显地增大了该处土体深层侧向位移,其最大值由84.7 mm增至116.4 mm.这主要是因为位于相对深部区域的隔断桩水平侧移量大于原相应位置处土体的侧向位移,对其周围土体产生了“牵引作用”,从而增大了该处土体的深层侧向位移.

图4　不同措施下B-B断面上围护桩侧向位移VlFig.4　Lateral displacement of retaining piles at B-B under different measures

图5　d=0.5H处土体侧向位移VlFig.5　Lateral displacement of soils at d=0.5H

图6　不同措施下左线隧道水平位移VhFig. 6　Horizontal displacement of left tunnel under different measures

相应地,以上保护措施对基坑围护桩水平位移规律的改变将间接影响到邻近左线隧道.如图6所示,相比其他措施,基坑分块开挖有效地抑制了左线隧道的水平位移,这与其对围护桩和隧道周围土体侧向位移的抑制作用相关(图4和5).具体来看,相比工况1即未采取任何保护措施,分块开挖使左线隧道水平位移最大值由112 mm降至65.7 mm.以上基坑分块开挖对控制隧道位移的明显作用与前人研究结论一致[9].同时,被动区土体加固未能有效控制隧道水平位移.然而,隔断墙却增大了隧道水平位移,其最大值由112 mm增至137.2 mm,这与其对隧道周围土体位移的“牵引作用”有关.

5.2地表和隧道竖向位移

图7　不同措施下B-B断面上地表竖向位移VvFig.7　Vertical displacement of ground surface at B-B under different measures

类似地,不同保护措施也会改变地表竖向位移规律.本文分析了以上几种措施对B-B断面上地表竖向位移的影响.如图7所示为计算得到了不同措施下的B-B断面上地表竖向位移.从图7中可以发现,相比实际工况(工况1),被动区土体加固和分块开挖有效地限制了B-B断面上地表竖向位移.可能的原因是被动区土体加固和分块开挖减小了基坑底部隆起和围护桩水平位移,从而间接地减小了地表沉降.另外,隔断墙明显减小了基坑边界附近地表竖向位移,包括左线隧道上方地表.

如图8所示为不同措施下左线隧道竖向位移.从图8中可以发现,相比其他措施,基坑分块开挖有效地控制了左线隧道竖向位移,使其最大值由-60.8 mm降至-27.3 mm.另外,被动区土体加固和隔断墙降低了左线隧道纵向中部一定范围的竖向位移.以上现象与加固措施对隧道周围土体竖向位移抑制作用有关,这点从地表竖向位移变化规律(图7)可以看出.

图9　C处隔断墙(工况4)和土体(工况1)侧向位移VlFig.9　Lateral displacement of cut-off wall (case 4) and soils (case 1) at C

为研究隔断墙在控制左线隧道水平位移和竖向位移方面表现出的差异作用,如图9所示,分析了C处(图1)隔断墙(工况4)和土体(工况1)的侧向位移,此即前文中提到的“牵引作用”的来源.从图9中可以发现,隔断墙(工况4)在埋深为14.4～24.3 m内的侧向位移大于同位置处土体(工况1)的侧向位移.同时,隔断墙在基坑开挖作用下发生了明显的整体水平位移.以上是隔断墙增大左线隧道水平位移的主要原因.另外,隔断墙还发生了较明显的弯曲,这可能抑制了周围土体的竖向位移,从而间接地减小了左线隧道的竖向位移.

5.3基坑分块开挖下隧道位移发展规律

为更好地了解基坑分块开挖引起隧道位移发展规律,本文还研究了基坑分块开挖中每一小步(图1)引起的隧道水平位移和竖向位移增量.可以发现,如图10所示,基坑开挖第2步,每块土体的开挖都会引起一定的隧道水平和竖向位移增量.随着土体开挖区域向基坑中部移动,开挖引起的隧道峰值位移也相应地向中部移动.这是分块开挖顺序以及每块开挖变形效应累积的结果.并且,最后一块(即第6块)土体开挖引起的水平和竖向位移增量明显高于其他块,这与其位置位于基坑中部有关.

图10　基坑开挖第2步分块开挖下左线隧道水平位移Vh和竖向位移VvFig.10　Horizontal and vertical displacement of left tunnel under divided excavation during the 2nd excavation step

6结论

通过数值分析和现场实测,对软土地层中基坑开挖对邻近隧道影响进行了研究.比较了基坑分块开挖、被动区土体加固、隔断墙等几种措施对隧道保护的效果.主要结论如下：

(1)采用本文数值模型和材料参数分析得到的基坑开挖影响下左线隧道水平位移和竖向位移增量与相应实测值十分接近.隧道水平位移和竖向位移均在基坑中部位置明显增大,此区域应为隧道保护重点区域.

(2)基坑分块开挖、被动区土体加固以及隔断墙加固对控制隧道位移发展具有不同的作用.相对而言,基坑分块开挖对控制邻近隧道变形具有非常显著的效果,与Zhang等[9]的研究结论一致,.

(3)由于过大的整体位移和弯曲变形,隔断墙减小了邻近隧道的竖向位移却增大了其水平位移和径向位移.隔断桩的作用因其“牵引作用”导致其应用有局限.这一发现与已有的一些研究结论[16]有所区别.

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Considerable displacement and protective measures for metro tunnels adjacent deep excavation

CHEN Ren-peng1,2, MENG Fan-yan1,2, LI Zhong-chao3, YE Yue-hong1,2, HU Qi4

(1.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;3.WuhanMunicipalConstructionGroupCompanyLimited,Wuhan430024,China; 4.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China)

Abstract:Based on a case of a deep excavation adjacent a certain section of Ningbo Metro Line 1, left tunnel suffered considerable displacement and deformation, and cracks and water leakages were observed in certain areas. Combining with field data and laboratory tests, parameters for Hardening Soil model were obtained. Three dimensional finite element analysis (FEA) model considering excavation-tunnel interaction was built. The calculated and field monitored displacement of left tunnel induced by adjacent excavation was compared. Combing with the rule of displacement of retaining structures and surrounding soils, the effectiveness of several typical measures, including divided excavation, soil improvement and cut-off wall, on protecting the existing tunnel was analyzed and compared. The analysis results indicate that divided excavation achieves the most considerable effectiveness on protecting metro tunnel, while the effectiveness of soil improvement at passive zone and cut-off wall is relatively poor.

Key words:numerical analysis; excavation; tunnel; considerable displacement; divided excavation

收稿日期：2015-05-22.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51225804,U1234204,51478434).

作者简介：陈仁朋(1972-)，男，教授，从事岩土工程等研究.ORCID: 0000-0001-6968-4955.E-mail: chenrp@zju.edu.cn.通信联系人:胡琦,男,副教授. ORCID: 0000-0003-4438-3501.E-mail：huqi@zju.edu.cn.

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.007

中图分类号：TU 47

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)05-00856-08