长距离深大基坑开挖下卧隧道上浮控制措施研究

2018-03-22祁恒远叶跃鸿吴熠文

山西建筑 2018年6期

祁恒远叶跃鸿吴熠文

(1.深圳市交通公用设施建设中心，广东深圳 518040； 2.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州 310058； 3.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082)

0 引言

基坑开挖不可避免的会对周边土体产生不同程度的扰动和破坏，由此产生地层位移和变形，而位于基坑开挖影响区的隧道则会受到相应的影响，在管片上产生附加应力，使隧道发生变形，严重的可导致隧道管片开裂破坏、漏水，威胁既有隧道的运营安全[1]。基坑与隧道相对位置对邻近隧道变形存在影响。基坑下卧隧道变形以上浮变形为主[2]。因此研究基坑开挖期间隧道上浮的控制措施对实际施工有较好的指导作用。

为控制基坑开挖过程中邻近既有地铁隧道的变形，国内普遍采用数值模拟方法从地基加固、基坑分块开挖、堆载以及抗拔桩等方面研究控制隧道变形的措施[2]。但现有研究多集中于邻近基坑开挖下隧道变形控制措施的研究，长距离共线基坑开挖下卧隧道变形控制措施的研究较少。

本文以深圳南山区某城市道路快速化改造明挖基坑一期项目为背景，基于典型剖面和地层条件采用Plaxis 3D开展三维数值分析，研究了地基加固、隧道注浆对控制基坑下方隧道上浮变形的效果，可为控制长距离共线下卧地铁隧道上浮变形的实际施工提供了一定的参考。

1 项目概况

1.1 明挖基坑

某道路两侧多为居民区、工业区，建筑物密集，且下卧深圳地铁隧道主要位于基坑北侧，共线段全长约3.09 km。明挖地下通道基坑一期项目共分为三个标段，其中东段闭合框架全长1 408.5 m，路堑U型槽全长147 m。起点为U槽段，采用标准U槽断面。其采用双孔、单孔和三孔矩形闭合框架结构。明挖基坑均采用围护桩形式开挖。

1.2 场地地层条件

桂庙路快速化改造项目长度范围内原始地貌为滨海滩涂地貌单元及海冲积平原，后经人工改造为现有现状场地，其地势平坦，两侧主要为居民区，商住楼等，建筑物密集，地表下浅部市政管线复杂。场地范围内的分布普遍且与工程较为相关的地层如下：

人工填土层(①1素填土、①2填砂、①3填石)：呈松散～稍密状，范围内层厚为0.3 m～7.8 m不等。⑧砾质粘性土层层厚4.00 m～31.10 m，属Ⅱ级普通土。⑨1全风化粗粒花岗岩层为Ⅲ级硬土。

地铁隧道主要位于砾质粘土和全风化花岗岩中。场地地面标高普遍为4 m左右，场地地下水位多位于标高1 m～2 m处。隧道所处的地层主要为⑧砾质粘性土层和⑨1全风化粗粒花岗岩层。

2 三维有限元数值模拟

本文采用Plaxis 3D有限元软件对项目进行三维数值模拟，考虑边界条件的影响，模型高度取50 m,宽度取150 m。

2.1 建模剖面介绍

考虑剖面地层条件及基坑开挖后下卧隧道变形主要受隧道所处地层及下卧地层回弹变形影响，故建模时将地层简化为上部27 m砾质粘土，下部23 m全风化花岗岩两层。建模剖面基坑宽度46.6 m，围护结构为φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩，并由φ600 mm高压旋喷桩咬合止水。基坑设三道支撑：第一道为800×1 000 mm钢筋混凝土支撑，纵向间距7.2 m；第二道和第三道为16 mm厚φ609 mm钢支撑，纵向间距3.6 m。地铁隧道为错缝拼装盾构隧道，内外径分别为6.0 m和6.7 m，拱顶埋深22.5 m。分析剖面具体概况如图1所示。

2.2 模型参数确定

2.2.1土层参数

土体采用小应变硬化土(HSS)模型[3]，综合室内试验与现场测试获得土层参数如表1所示。

2.2.2隧道、围护及支撑参数

采用正交各向异性板模拟隧道衬砌的受力行为，横向抗弯刚度有效率η取0.75[4]，纵向抗弯刚度有效率ηl取21%[5]。

围护桩混凝土强度等级为C30，采用正交各向异性板模拟。考虑到施工缺陷对围护桩竖向抗弯刚度折减20%。

基坑共有三道支撑：第一道为800 mm×1 000 mm钢筋混凝土支撑，混凝土强度等级C30，纵向间距7.2 m；第二道和第三道为16 mm厚φ609 mm钢支撑，纵向间距3.6 m。三维模拟中，支撑不考虑挠曲变形均采用锚杆单元模拟。

隧道、围护桩及支撑的计算参数如表2所示。

表1 土层模型参数

表2 隧道、围护桩及支撑计算参数

2.3 三维模型

结合实际工程条件，本文三维模型尺寸为150 m×150 m×50 m。模型纵向示意图如图2所示，两侧反压段长度S0均取25 m，开挖段长度S1=100 m，开挖段第一道支撑以下分3层进行开挖。

为确保计算结果准确性，同时节省计算时间，三维模拟中网格划分时对坑底及隧道周边的网格进行适当加密，三维模型网格效果如图3所示，模型单元数约15.8万，节点数约22.1万。

无措施方案主要模拟过程如下：1)生成初始应力场；2)激活隧道板单元并开挖隧道范围内土体；3)重置位移为0，激活围护桩板单元；4)冠梁以上放坡开挖；5)激活第一道支撑；6)开挖第一道支撑和第二道支撑之间的土体——开挖1；7)激活开挖范围内的第二道支撑；8)开挖第二道支撑和第三道支撑之间的土体——开挖2；9)激活开挖范围内的第三道支撑；10)开挖第三道支撑以下的土体——开挖3。开挖3模型示意如图4所示。

为了对比不同方案的控制效果，各方案开挖范围均与无措施方案保持一致，即每种方案开挖范围均如图4所示。

3 隧道上浮控制措施研究分析

3.1 无措施

无措施方案隧道上浮变形模拟结果如图5所示，其结果表明，隧道上浮变形随着基坑开挖逐渐发展，基坑开挖至坑底后隧道最大上浮变形约25 mm。此外，两侧反压长度S0取25 m时，基坑开挖后两侧上浮变形基本为0，说明本文模型尺寸已满足消除边界效应影响的要求。

3.2 地基加固

本文对基底满堂加固和隧道周边“门式”加固两种加固方式进行了对比分析。为避免邻近施工对隧道造成不利影响，通常要求加固区与隧道结构的距离不得小于3 m。因此，图6a)满堂加固方案中，加固区底部距隧道结构顶部3 m；图6b)“门式”加固方案中，隧道与加固区边界最小距离为3 m，且“门式”加固区的范围通过加固区宽度w和加固区下边界与隧道拱底的竖向距离h确定。

加固区土体本构模型采用HSS模型，刚度指标参考黄宏伟等(2012)进行放大3倍[6]；强度指标则基于复合地基综合强度法确定。

基于以上加固方案和加固参数开展三维模拟，相比无措施方案，加固方案模拟过程的区别只是在放坡开挖后、围护桩内侧土体开挖前进行地基土加固。

图7给出了基底满堂加固方案和“门式”加固方案对下卧隧道上浮变形控制的效果对比。采用“门式”加固，基坑开挖后隧道最大上浮变形约15 mm，相比无措施方案减小约40%；而采用基底满堂加固，隧道最大上浮变形约24 mm，相比无措施方案减小约4%。数值模拟结果表明，“门式”加固方案效果较好，而基底满堂加固方案效果不明显。