竖井工法开挖深基坑对下卧既有隧道上浮的控制

2020-06-06岳云鹏郑先昌胡志敏刘晓玉张龙云刘继强

科学技术与工程 2020年12期

岳云鹏,郑先昌*,胡志敏,刘晓玉,张龙云,刘继强

(1.广州大学土木工程学院，广州 510006；2.中铁南方投资集团有限公司，深圳 518052)

近年来，随着中国城市的不断发展，地铁线路的建设日益增加，邻近地铁隧道的基坑工程也越来越频繁，使得基坑工程既要保证自身建设的安全，又要控制好邻近隧道的变形影响。基坑开挖会改变周围土体的原状性，使位于影响范围内的隧道结构产生变形，严重时造成盾构管片开裂，严重威胁地铁的安全运营。

在基坑开挖过程中，基坑外侧的地铁隧道变形以水平方向为主[1]，基坑下卧的地铁隧道变形以上浮变形为主[2]。针对基坑开挖引起邻近地铁隧道变形的问题，部分学者进行了大量研究，郑刚等[3-4]对基坑开挖对隧道造成变形的影响区域进行了划分，并对不同保护措施控制隧道变形的差异进行了数值分析；薛彦琪等[5]考虑了降水因素对基坑变形的影响，对下卧隧道的深基坑支护进行了优化设计；曾晓鑫等[6]对隔离桩保护既有隧道的工程案例进行了数值分析，探讨了隔离桩在不同位置下隧道的变形特性；Chen等[7]分析了不同措施对隧道的保护作用，并数值计算了隧道的重点保护区域；孙佳羽等[8]对基坑开挖过程中邻近隧道的水平位移进行拟合分析，提出了邻近隧道最大水平位移的表达式；张治国等[9]、彭智勇等[10]对不同尺寸分块开挖方式进行了数值分析，总结了隧道在不同开挖方式下的变形规律；章润红等[11]研究了坑外和坑底位置隧道的弯矩和位移的分布规律，并探讨了相对刚度对隧道位移的影响；王燕燕等[12]通过数值模拟，对隧道上方基坑开挖过程进行数值分析，总结了开挖前后地铁隧道的弯矩变化规律;一些学者基于Mindin应力解，对隧道附加应力与位移公式进行推导，完善了基坑开挖对下卧隧道影响的理论解析[13-15]。肖潇等[16]、潘林有等[17]对开挖过程中邻近明挖隧道的变形进行了研究，总结了不同形式围护结构的变形特点及受力状态。

综上，现有研究大多针对基坑开挖过程中隧道的变形和受力状态进行研究，而针对开挖方式对隧道保护有效性的分析研究相对较少。文献[18]提出了一种竖井开挖工法，可较好地控制基坑开挖下方隧道的上浮，但并未对竖井工法作用下隧道上浮的规律进行深入研究。

基于此，结合深圳市地铁11号线上方某基坑工程实例，采用考虑开挖过程中土体剪切模量衰减特性的小应变硬化土(HSS)本构模型，通过比较不同保护措施对下卧隧道的作用，进一步研究了竖井工法控制隧道上浮的有效性，并探讨了竖井开挖工法对不同位置隧道的影响规律，以期为隧道上方基坑工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑概况及开挖方式

深圳市地铁11号线上方某深基坑工程，基坑开挖范围113.8 m 54.5 m，基坑纵断面里程K0+700～K0+850，基坑与地铁隧道平面关系如图1所示，该基坑工程场地周边环境较为复杂，南侧为既有盾构地铁隧道1号线、5号线，下卧地铁11号线。基坑开挖过程中地铁11号线正处于施工阶段，需采取一定的保护措施，减少对地铁隧道的不利影响。基坑分三步进行开挖，分别开挖至-5.5、-9.4、-15.5 m，基坑采用放坡结合1 000@1 200 mm排桩进行支护，采用直径600 mm的旋喷桩作为止水帷幕。

图1 地铁保护区平面示意Fig.1 Plan of subway protection area

基坑原方案采用分层开挖方式进行开挖，在基坑开挖至-5.2 m时，11号线左线上浮超过报警值，现场停止施工，采用覆土反压措施，临时控制隆起。后期采用竖井工法进行分块施工，利用竖井设置隔墙按照由A～E的顺序间隔开挖，竖井尺寸18 m×8.5 m，在开挖至坑底后施作抗浮板控制隧道上浮，取得了良好的控制效果。

1.2 地铁隧道

地铁保护区范围内双线隧道总长约为160.5 m，隧道轴线水平距离约为17.5～19.5 m，隧道距基坑底部最近处仅为5.5 m，衬砌结构内外径分别为5.7、6.3 m，环宽1.5 m，厚0.35 m，每环管片由3块管片通过弯螺栓进行连接，衬砌结构混凝土强度等级为C50。隧道两侧采用φ550@1 000 mm抗拔桩进行围护，并在基坑施工结束时与坑底抗浮板形成门式抗浮结构控制隧道上浮。隧道自里程K0+700开始进入支护桩下侧，在地铁保护区范围内每10 m布置一个监测断面，断面监测点布置如图2所示，按照《城市轨道交通工程检测技术规范》的要求，在基坑开挖及降水期间，控制地铁隧道的上浮值不大于20 mm。

图2 基坑典型横断面示意图Fig.2 Schematic diagram of typical cross section of foundation pit

1.3 工程地质条件

场地属于典型软土地层，地下水位约为地表下1 m。地铁隧道主要位于该地区广泛分布的第四系全新统冲洪积层，主要包括⑥1黏土层和⑧砂质黏性土层。填土层结构呈松散-稍密状，局部含淤泥质土；②1淤泥层含有机质，呈流塑状，属高压缩性软土；⑥1黏土层可塑状为主，力学性质可满足一般结构承载力的要求；⑧砂质黏性土由下伏混合花岗岩风化残积而成，场地内普遍分布较厚；⑨全风化混合花岗岩属Ⅲ级硬土，埋深较厚。通过室内外试验获得主要土层的物理性质指标如表1所示。

表1 土体基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of soil mass

注：r为容重；w为水的质量分数；e0为孔隙比；Ip为塑性指数；N为标贯击数。

2 竖井工法施工工艺

竖井工法是一种开挖深基坑的施工方法，可有效地在开挖过程中控制隧道上浮，其主要特点是对隧道上方土体安装围护体系，并对基坑进行小范围分级卸载，使开挖过程对下卧隧道周围土体扰动较小，从而控制隧道的上浮，现对竖井工法的主要施工工艺进行描述。

2.1 抗拔桩施工

首先在施工前沿隧道两侧施工抗拔桩，抗拔桩与隧道间距约3～5 m，抗拔桩桩端高于隧道，为控制隧道上浮提供前提条件。

2.2 竖井井身施工

对竖井所在土层进行开挖，开挖后及时施工锁口圈进行初期围护，每层竖井井身开挖完成后，及时对井壁浇筑混凝土，并在竖井内部设置隔墙，开挖至井底后及时施工抗拔桩冠梁(图3)。

图3 竖井工法施工现场图Fig.3 Construction site drawing of shaft method

2.3 抗浮板施工

竖井施工完成后，对井底浇筑约12 cm混凝土进行封底，此时抗拔桩与抗浮板形成一个“门式结构”，可有效地减小因土体卸载作用产生的隧道上浮。

2.4 竖井间隔开挖

每个竖井区域形成后，对竖井间隔区域进行分块开挖，开挖后及时拆除竖井井身，在开挖区域底部施作抗浮板，连通整个基坑。

3 隧道上浮过程及实测结果

3.1 地铁隧道上浮过程

地铁保护区基坑于2015年3月开始施工，首先采用分层开挖方式进行开挖，于2015年4月底地铁隧道上浮值超过预警值达到16 mm，现场停止施工，采用覆土反压措施，临时控制隆起。而后采用竖井工法进行开挖，有效地控制了隧道上浮，截至2016年6月底，该工程基本完工。

K0+760断面左线隧道监测点2上浮发展趋势如图4所示，隧道上浮曲线主要包含2个上浮段和2个回落段。第一个上浮段主要是由于原方案开挖选择不当导致隧道上浮值过大，开挖卸荷导致隧道随着地基回弹而上浮；第二个上浮段是由于竖井开挖导致隧道上浮，相比之下竖井开挖基坑虽然会小范围破坏基坑内土体原状性，但不会导致隧道明显上浮，使得隧道最终上浮值达到控制标准；回落段主要是由于覆土反堆和抗浮板的施作，有效地控制了隧道的上浮。

图4 K0+760断面左线隧道上浮值Fig.4 The floating value of K0+760 section left line tunnel

3.2 隧道整体上浮规律统计

隧道的上浮变形主要与开挖深度有关，通过隧道拱顶埋深与基坑开挖深度的比值来表示土体的卸载率[19]。统计竖井开挖过程中不同卸载率与隧道监测点2上浮实测值，如图5所示，通过拟合结果可以看出，竖井工法开挖过程中隧道的上浮值与卸载率呈现良好的线性关系。

隧道的不同横断面位置地质条件肯能略有差异，但开挖前抗拔桩的施作使得隧道周边土体强度略有提高，因此在开挖过程中坑底土体变形以弹性变形为主，且变形量取决于上部土体开挖深度，因此上浮值与卸载率基本线性相关。

图5 隧道上浮值与卸载率关系曲线Fig.5 The relation curve between the floating value of tunnel and the unloading rate

4 模型建立

4.1 计算模型

采用MIDAS GTS NX有限元软件进行数值计算，模型中隧道与基坑相对关系如图1、图2所示，模型范围取450 m×245 m×45 m，模型四周设置水平约束，底部设置固定约束。土层在模型中简化为四层分布，分别为黏土层17.6 m，淤泥层3.1 m，黏土层14 m，全风化花岗岩层17.4 m。支护桩长11 m；衬砌结构为长20 m的C50混凝土管片；地下水位为-1 m。

4.2 材料参数

采用能考虑基坑开挖过程中土体剪切模量随应变增大而衰减特性的小应变硬化土(HSS)模型。针对现场分布较为广泛的土层，采用薄壁取土器钻取4组原状土，进行室内试验与相关计算，得到各模型参数如表2所示，由于部分小应变参数获取方式较复杂，通过相关经验法取值[20]。

衬砌结构通过板单元模拟成等分圆环，厚度300 mm，止水帷幕基于刚度等效原则采用板单元进行模拟，考虑到施工缺陷，将刚度折减30%，采用界面单元模拟土与结构的相互作用面，取强度折减因子为0.65，结构计算参数如表3所示。

表2 土层数值计算参数Table 2 Numerical calculation parameters of soil layer

表3 结构计算参数Table 3 Structural calculation parameter

注：E为弹性模量，r为重度，μ为泊松比。

4.3 工况设置

针对不同保护措施对进行实际施工情况的模拟，进行4种工况分析。

(1)工况1：竖井工法开挖。模拟竖井工法开挖基坑的施工过程及措施，按照图1由A～E的开挖顺序进行开挖，为与现场工况相符，竖井开挖前先进行原方案开挖及覆土反堆的模拟。

(2)工况2：基坑原方案开挖。基坑按原开挖方式继续进行开挖，开挖分3步，分别开挖至-5.5、-9.4、-15.5 m，开挖结束后施作抗浮板。

(3)工况3：基坑分块开挖。基坑按图1从1～4的方式分块开挖，每块面积约为150 m×54.5 m，共分8块。

(4)工况4：坑底土体加固。开挖前对坑底土体进行加固，加固深度至隧道上方1.5 m。将坑底加固区土体刚度参数等比例放大2.5倍，用以模拟搅拌桩加固效果，加固后土体参数c=80 kPa，φ=30°。加固后基坑按工况3方式进行开挖。

4.4 模型参数验证

图6 工况1结束时左线隧道竖向位移Fig.6 Vertical displacement of left tunnel at the end of working condition 1

基于以上参数，首先对工况1进行模拟，分析了隧道拱顶的竖向位移增量，开挖结束时左线隧道监测点2的竖向位移计算值与实测值如图6所示。基坑开挖结束时隧道左线上浮趋势呈双峰型，计算值与监测值较接近，同时左线隧道开挖结束时最大上浮值计算值与实测值分别为20.31、19.94 mm，较为接近，因此可认为本模型土体和材料参数选取合理。此外，隧道上浮值在基坑纵断面中轴线两侧位置明显增大。

5 数值模拟结果分析

5.1 隧道保护措施有效性

不同保护措施在施工过程中，会改变基坑底部土体原状结构，间接影响下卧地铁隧道。为研究不同保护措施对下卧地铁隧道的作用，首先分析了不同保护措施下K0+770断面上基坑底部竖向位移，从图7可以看出，相比实际工况(工况1)，坑底土体加固可有效地限制基坑底部土体竖向位移，竖井工法开挖基坑相比其他开挖方式可有效抑制基坑底部隆起，这将间接地减小下卧隧道上浮。另外，隧道两侧抗拔桩的施作明显降低了基坑中轴线两侧坑底竖向位移。

图7 不同措施下K0+770断面基坑底部上浮值Fig.7 The floating value of the bottom of K0+770 section foundation pit under different measures

图8为不同措施下隧道右线监测点2上浮值。从图8可以看出，相比原开挖方案即未采取任何保护方式措施，竖井工法开挖基坑由于小范围的分级卸载土体，影响土体范围较小，故隧道产生的上浮较小，开始开挖竖井间的土体时，土体间产生卸载应力，导致坑底土体上浮，但在上浮过程中，竖井间土受到竖井井身的摩擦力，同时，因为抗浮板已经施作，竖井下的土受到抗浮板的压力，在这个过程中，上浮的土体受到较大的阻力，因此有效地控制了隧道上浮，使其上浮最大值由27.79 mm下降至20.70 mm，下降了28.4%。另外，分块开挖基坑由于土体变形积累效应的结果，使得最后一块(即第4块)引起的隧道的上浮值明显高于其他块。坑底加固措施可抑制加固区范围内隧道上浮值，此规律与基坑竖向位移变化规律(图7)相同。

图8 不同措施下隧道右线上浮值Fig.8 The floating value of the right line under different measures

5.2 竖井开挖下隧道位移发展规律

为更好地分析竖井开挖基坑控制隧道上浮发展规律，研究了竖井分步开挖过程中每一小步引起的隧道上浮增量，竖井工法开挖基坑步骤如图1所示。图9为基坑开挖第三层土体竖井开挖下隧道右线上浮值。

图9 竖井分步开挖下隧道右线上浮值Fig.9 The floating value of the right line of the lower tunnel is excavated by the shaft step by step

从图9中可以看出，基坑开挖第三层土，每块土体的开挖都会引起隧道一定的上浮，由于C、D区域位于右线隧道的上方，C、D区域开挖时引起的隧道上浮增量相对于A、B区域竖井开挖较明显，最后一个区域(E区域)开挖引起的隧道上浮远大于其他区域开挖，这是由于竖井工法开挖基坑的分级卸荷，最后一个区域由于开挖变形效应的累加，使得开挖引起的上浮较大，最后由于抗浮板的施作，与抗拔桩形成门式抗浮结构，使隧道上浮值抑制在控制范围内。

5.3 隧道埋深与上浮的关系

为进一步研究竖井开挖基坑对隧道上浮的控制规律，针对不同隧道埋深因素建立模型，分析竖井工法开挖基坑控制不同埋深下隧道上浮规律，分别为隧道距坑顶埋深H=17、19、21、23、25、27 m共6组工况，各模型建模过程如下：①生成初始应力场；②位移清零后，激活围护桩与隧道两侧抗拔桩；③按竖井开挖工法A～E区域1 m/层开挖至隧道拱顶上方1 m；④拆除竖井；⑤施作抗浮板。卸载率a由开挖深度与隧道距坑顶埋深比值体现。图10 为不同隧道埋深情况下竖井开挖深度对隧道上浮的影响。

图10 竖井开挖深度对隧道上浮的影响Fig.10 The influence of shaft excavation depth on tunnel buoyancy

从图10可以看出，使用竖井工法开挖深基坑，在开挖深度较低情况下，隧道上浮与开挖深度呈线性关系，随着开挖深度增加开始向非线性关系转化，且隧道距坑顶埋深较小情况下非线性关系更为明显。将开挖深度归一成卸载率后结果如图11所示。

图11 土体卸载率对隧道变形的影响Fig.11 Influence of soil unloading rate on tunnel deformation

通过数值模拟结果(图11)可以发现，当隧道埋深较大时，相同卸载率下由于隧道上方土层厚度较大，基坑底部土体变形对隧道上浮影响较小，相反当隧道埋深较小时，对隧道上浮影响较大。竖井工法开挖基坑的原理是通过竖井隔墙实现分级卸载，土体间受到卸载应力的作用，在竖井周围形成了一个小的土应力拱，使土体影响范围缩小，最后使隧道上浮抑制在控制线以内。

当隧道距坑底埋深大于9.5 m和小于7.5 m情况下，卸载率与隧道上浮趋势有所不同，可能的原因是当埋深较深时，竖井开挖土体影响深度较小，在分级卸载的情况下使土体的卸载面积及影响范围较浅最后使卸载率与上浮值关系曲线发展成下凹形抛物线趋势；当隧道埋深较浅时，随着卸载率的增加曲线斜率逐渐增大，最后由于竖井间隔开挖较大，变形效应的积累导致隧道上浮增长较快。现场工程由于卸载率较小，且隧道埋深相对较深，使得实测中呈现图5的线性关系。

5.4 隧道上浮预估

下卧隧道上浮过大将严重影响地铁隧道的安全运营，采用竖井工法开挖基坑通常以隧道埋深判断还是否需要增加保护措施。以本工程为例，采用竖井工法开挖基坑，仅考虑隧道两侧施作抗拔桩进行保护，研究表明隧道的上浮值与卸载率与隧道埋深相关，因此有必要设计判定标准确定竖井开挖过程中是否需要追加保护方案，仅施作抗拔桩在土层较敏感地区偏不安全。

为了使数值模拟结果得到简便应用，对图11的曲线进行拟合，得到拟合公式如式(1)、式(2)所示：

u=-0.29a3+7.81a2+9.34a+8.11，

17 m

(1)

u=-0.04a3-1.21a2+15.07a+5.85，

25 m

(2)

式中：u为隧道监测点2上浮预估值；a为卸载率。

当隧道距坑顶埋深在23～25 m时，可近似取式(1)、式(2)计算平均值。研究表明坑底加固对抑制下卧隧道上浮能起到较好作用，在类似案例中，可通过式(1)、式(2)初步估算隧道上浮值，若竖井开挖控制隧道上浮预估值超过控制值，可考虑坑底加固方式控制下卧隧道上浮。