砂土地基地铁隧道受旁侧基坑开挖变形影响实例分析

陈俊辉,杨 磊,李慧慧,岑仰润

(杭州市勘测设计研究院, 浙江 杭州 310012)

在基坑开挖过程中,土体内的应力重新分布、施工扰动、固结沉降等因素会导致周边地层产生位移和变形,从而引起临近地铁隧道产生内力和变形[1]。已运营地铁线路对变形要求极为严格,基坑施工过程中应采取合理的支护形式和开挖方式,将基坑开挖对地铁结构的影响控制到最小[2]。

本文以杭州某砂土地基临近地铁隧道的旁侧基坑工程为实例,采用有限元数值分析结合反分析方法,分析了旁侧基坑开挖对临近地铁隧道的影响。在隧道变形已经超预警值的情况下,提出了针对性的隧道变形控制措施,预测了后续施工地铁隧道及基坑变形情况,该基坑工程最终顺利实施。这对类似工程有重要指导意义。

1 工程概况

本工程下设2层地下室,基坑南侧贴近杭州地铁隧道,基坑距离地铁隧道约8.8 m,与地铁相邻处长约70 m。本工程的工程桩采用钻孔灌注桩, 开挖面积约5 915 m2,基坑周长约325 m,基坑普遍开挖深度10.25 m,坑中坑高差为1.2～3.6 m。基坑与地铁的平面关系见图1。地铁隧道采用盾构法施工,基坑与地铁隧道的剖面关系见图2。

场地涉及基坑开挖土层主要为①素填土、②砂质粉土、③-1砂质粉土、③-2粉砂、④砂质粉土夹粉质黏土。基坑开挖范围内以砂性土为主,砂性土厚度约16 m,该场地地质情况见表1。基坑范围内典型土层分布情况见图2。本工程场地地下水主要为浅部孔隙型潜水,潜水位埋深为地表下3.40～3.70 m。

图1 周边环境图

图2 地铁隧道与本基坑的相对关系

层号地基土名称粘聚力/(kN/m2)内摩擦角/(°)重度/(kN/m3)土层厚度/m渗透系数/(cm/s)①素填土———1.5—②砂质粉土4.224.519.24.32.98E-04③-1砂质粉土1.424.119.21.82.74E-04③-2粉砂2.033.419.38.44.07E-03④砂质粉土夹粉质黏土6.123.418.416.1—

2 围护设计方案

本工程临近地铁区域采用Φ1 000钻孔灌注桩加二道钢筋混凝土支撑,围护桩外侧采用两排三轴水泥搅拌桩进行止水帷幕。坑内外设置深井降水(临近地铁一层坑外深井为应急备用井)。典型支护剖面见图2。

3 基坑前期实施情况

3.1 基坑前期主要施工阶段时间总览

基坑前期主要施工阶段时间总览见表2。

表2 基坑南侧前期主要施工阶段时间一览表

3.2 桩基施工结束后监测情况

2014年3月9日道床水平位移累计值为2.30 mm,道床沉降累计值为-0.7 mm,隧道收敛累计值为-0.89 mm。而地铁隧道报警累计值为±4.00 mm。具体变化曲线见图3。

图3 桩基施工期间地铁监测图

3.3 第一道支撑施工完成时的监测情况

地铁监测：道床水平位移累计值为6.60 mm,道床沉降累计值为-3.00 mm,隧道收敛累计值为3.19 mm。其中隧道水平位移最大变化量已超过报警值。具体监测数据变化情况见图4。

图4 第一皮土方开挖地铁监测图

基坑监测：第一皮土方开挖完成的深层土体变形为3.15 mm,累计位移最大在开挖深度3.5 m处。具体数据变化见图5。

图5 第一皮土方开挖基坑监测图

3.4 第二道支撑施工完成时的监测情况

地铁监测：道床水平位移累计值为9.40 mm,道床沉降累计值为-2.10 mm,隧道收敛累计值为6.19 mm。其中隧道水平位移最大变化量和隧道收敛已超过报警值。具体监测数据变化情况见图6。

图6 第二皮土方开挖地铁监测图

基坑监测：第二皮土方开挖完成的深层土体变形为8.45 mm,累计位移最大在开挖深度4.0 m处。具体数据变化见图7。

图7 第二皮土方开挖基坑监测图

本工程引起地铁变形报警的原因主要有：

1)在南侧基坑开挖至-8.5 m标高后,南侧及西侧多根围护桩有露筋缩颈现象,其中南侧有并排连续20根左右露筋围护灌注桩连在一起,西侧有7根露筋围护灌注桩连在一起,另外还有些露筋缩颈的围护桩和未露筋的围护桩夹杂在一起,问题严重的围护桩钢筋与混凝土脱开达数厘米。缺陷桩的存在造成围护桩刚度损失。

2)桩基施工阶段,钻孔灌注桩成桩过程中引起地铁隧道变形。

3)基坑降水引起地层附加应力增加,从而引起地铁隧道变形。

4 针对地铁变形超预警值后采取的变形控制设计方案

本工程采取加固缺陷桩、调整施工顺序分块施工、加强换撑措施、提出控制水位及拆撑施工要求等方案控制后续施工基坑及地铁隧道变形。

1)缺陷桩：针对第二道支撑以上部位的围护桩露筋、混凝土离析处,要求先凿除表层松散混凝土,对露筋情况不严重的进行挂钢丝网、喷射混凝土(C20)处理；对露筋情况严重的,支模板浇注C35混凝土进行加固处理。开挖面以下发现有缺陷桩也采取挂网喷射混凝土处理。

2)分块施工：为减小基坑变形,通过增设施工缝等措施,对本基坑进行分块施工,将大基坑分成小基坑,充分利用了时空效应控制基坑变形[4]。

3)增设斜支撑：提高底板换撑高度,减少拆除第二道支撑的变形；降低缺陷桩对基坑变形的影响。

4)拆撑工艺调整：调整围檩尺寸以保证围檩不拆除,临近地铁侧支撑采用人工拆除,且支撑梁与围檩交接处采用切割分离。减少拆撑对地铁隧道的影响。

5)加强降排水管理：基坑南侧坑内增设8口自留深井,坑内应保持随挖随抽。

5 后续地铁变形预测分析

为预测后续开挖地铁变形情况,采用有限元计算软件进行分析。采用平面应变模型分析基坑开挖对地铁隧道的影响。基坑土体采用强化土(HS)模型,围护桩、地铁隧道、内支撑选用弹性模型,桩墙及地铁隧道采用板单元模拟,内支撑体系采用点对点锚杆单元模拟。分析中选用15节点高精度三角形单元进行网格划分,围护桩与土之间设接触面单元。坑外水头取地表下4 m,坑内取至开挖面以下0.5 m。

建立单元剖面网格模型，见图8。

图8 有限元模型及网格划分图

对于桩墙的刚度,按照抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下墙进行内力分析。本工程原设计临地铁隧道一侧围护桩采用Φ1 000@1 200钻孔灌注桩,考虑到缺陷桩的影响,计算时按Φ900@1 200考虑,经计算等效墙厚约为0.7 m。

土层参数原则上参照岩土勘察报告提供值,部分土层参数通过地铁实测数据采用反分析方法及参考其他工程的经验取值综合确定。基坑开挖前地铁隧道水平位移3.6 mm,开挖至今地铁隧道水平位移9.1 mm,反分析时考虑开挖至二道支撑底时地铁隧道变形5.5 mm,然后根据此模型预测后续施工地铁隧道及基坑变形情况。见表3。

表3 主要工况下地铁隧道最大水平位移

图9 基坑开挖至7.4 m工况下水平位移云图

图10 基坑开挖至10.2 m工况下水平位移云图

图11 拆除第二道支撑工况下水平位移云图

图12 拆除第一道支撑工况下水平位移云图

6 采取措施后开挖至基坑底时监测情况

基坑南侧临近地铁处采取变形加固措施后施工节点见表4。本基坑临近地铁侧CX12监测点累计水平位移为12.43 mm,基坑整体监测数据变化稳定。地铁监测：道床水平位移累计值为13.10 mm,道床沉降最大累计值为-2.20 mm,隧道收敛累计值为11.29 mm。其中隧道水平位移最大变化量和隧道收敛已超过报警值。具体监测数据变化情况见图13。

表4 基坑南侧采取加固措施后施工时间一览表

图13 后续施工地铁监测图

7 变形控制方案实施效果

根据表3模拟预测结果,后续施工主要工况下计算地铁隧道最大水平位移为7.5 mm,考虑到开挖前已经变形3.6 mm,预测后续地铁隧道最大水平位移约11.1 mm,实际工况下地铁隧道最大水平位移约为12.9 mm,接近预测值。未进行变形控制措施的基坑变形水平位移见图10～13,最大水平位移约17.7 mm,发生在坑底附近位置。但从实测基坑变形情况看,拆除第一道支撑最大水平位移12.9 mm,显著小于17.7 mm。具体变形情况见图13。

7 结 语

在基坑存在缺陷桩和地铁隧道变形已超预警值的情况下,提出了符合工程实际情况的变形控制加固方案,并根据现场基坑和地铁实测监测数据,采用有限元数值分析结合反分析的方法,预测了基坑后续施工对邻近地铁隧道的影响。本工程目前已顺利完工,预测的变形数据基本与实测数据相符,证实了有限元数值分析方法运用于评估基坑开挖对隧道影响的可行性。对于位于地铁隧道旁侧的砂土地基基坑,通过本基坑的设计和施工可以得到以下结论和启示：

1)止水帷幕应进入不透水层隔断潜水,防止基坑降水引起地铁隧道变形。

2)应重视桩基施工的质量,成桩过程中应采取下套管等防塌孔措施以减小桩基施工的影响。

3)基坑分块施工,将大基坑分成小基坑,充分利用了时空效应控制基坑变形。

4)桩基施工和基坑降水前应布置好地铁隧道监测点,为保证地铁隧道的安全提供依据。

[1] 刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005．

[2] 高盟, 高广运,冯世进,等.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究[J].岩土工程学报,2008,30(6):818823．

[3] 王卫东,沈健,翁其平,等.基坑工程对邻近地铁隧道影响的分析与对策[J].岩土工程学报,2006,28(增刊S1)：13401345．

[4] 李志高,曾远,刘浩,等.基坑开挖引起下方地铁隧道位移的控制措施[J].铁道建筑技术,2005(5):3335．