基坑分块开挖对邻近地铁隧道变形影响实测分析

2023-09-21苏凤阳葛金明韩亚飞朱林辉董毓庆

现代城市轨道交通 2023年9期

苏凤阳，许磊，葛金明，韩亚飞，朱林辉，董毓庆

（1. 杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州 310017；2. 杭州地铁运营有限公司，浙江杭州 310017；3. 上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海 200063；4. 杭州岩通科技有限责任公司，浙江杭州 310005）

1 研究背景

基坑工程施工导致隧道周围土体的应力状态发生改变，邻近盾构隧道道床产生沉降，同时管片的横、纵截面都会产生收敛变形。为保证基坑开挖过程邻近运营隧道的安全，需研究基坑开挖对邻近运营地铁隧道变形影响程度。

毕书琦[1]等以南宁某基坑工程为背景，通过实测分析研究基坑开挖施工对下卧隧道的影响，得出基坑分区开挖不能减小管片的净空收敛的结论。吕秋玲[2]等通过数值模拟研究基坑开挖对邻近地铁轨道的变形影响，验证抗拔桩可以有效减少轨道侧移，在进行基坑开挖时，轨道水平向有较大影响而竖向无影响，在开挖过程中，轨道侧移最大的位置并不是出现在离基坑最近的位置。张治国等[3]对上海某基坑工程的监测数据进行分析，研究周边地表在基坑不同开挖阶段的变化情况，得出周边地表总体呈下沉趋势，大致呈抛物线形分布的规律。赵志孟等[4]运用MIDAS/GTS有限元软件模拟基坑开挖的支护方案，研究基坑开挖对隧道位移及应力的影响，使用“地连墙+三道内环撑”进行基坑支护可以有效控制变形。魏纲[5]收集14个国内基坑工程实例的实测数据，通过统计类比分析得出盾构隧道的最大竖向位移均为隆起，并提出隧道最大隆起值的经验预测公式，通过基坑开挖对下方某地铁线路盾构隧道变形的实测数据分析，验证公式的准确性。刘庭金[6]对某区间隧道变形监测数据进行分析，研究建筑群基坑施工对隧道区间的变形影响，解析诱发道床开裂和水沟翻浆冒泥病害的原因。丁智等[7]通过对邻近已运营地铁隧道的基坑工程监测数据进行分析，得出基坑开挖全阶段施工过程的深层土体侧向位移与邻近地铁隧道变形之间的规律，研究基坑开挖的施工危险节点与重点影响区域，对其加强监测并设置保护措施。陈仁朋[8]等对下卧盾构隧道的基坑进行数值分析，发现隧道的上浮变形与卸载率近似呈线性关系。刘天正[9]分析了U形槽基坑开挖对隧道的影响，发现开挖卸荷导致隧道受水平压缩、竖向拉伸的力，收敛为“竖椭圆”形状。李长安[10]通过数值软件发现基坑开挖会导致隧道结构的水平位移和弯矩增大，轴力减小。

目前，学者对于基坑开挖对隧道产生影响的研究已有一定的成果，但是对于基坑分块开挖对邻近运营隧道影响的研究还相对较少。本文以杭州某邻近已运营地铁隧道的基坑为背景，对基坑分块开挖过程的实测数据进行分析，探究基坑分块开挖对周围环境及地铁隧道影响，为今后类似工程提供设计思路与施工指导建议。

2 工程概况

2.1 工程简介

该工程由5个地块组成，其中2#地块位于隧道区间以及整个车站的东侧。基坑面积约20 210 m2，周长约761 m，场地标高5.30 m，开挖深度10.4～10.9 m，开挖过程分8个坑进行开挖。基坑采用围护墙 +止水帷幕的复合围护结构，设置2道混凝土支撑，支撑间距约10.0 m。坑内外无降水，坑内坑外采用排水沟、集水井明排。隧道顶部埋深约9.9～10.6 m，与基坑开挖深度相近，2#地块与地铁隧道的最近距离为13.1 m，基坑及隧道的位置关系如图1所示，图1中深绿色为700 mm厚的水泥加固土地下连续墙，桔黄色为800 mm厚的地下连续墙，浅绿色为直径850 mm的三轴搅拌桩。

图1 基坑与地铁隧道的位置关系（单位：m）

2.2 水文地质条件

基坑开挖深度范围内主要分布3层地下水，上层地下水性质属孔隙潜水，下层地下水性质属承压水和基岩裂隙水，地下水位深度为1.5～3.0 m。土层信息如表1所示，基坑坑底位于4-2淤泥质粉质黏土夹粉土层，围护桩桩底位于5-1粉质黏土、5-2粉质黏土夹黏土层。

表1 土层信息

3 监测项目及测点布置

基坑的监测内容主要为深层土体水平位移及地表沉降。隧道监测主要工作内容包括：隧道结构道床水平位移、隧道结构道床竖向位移、管片收敛、道床差异沉降。监测点具体布置情况如图2所示，其中DBC2-X为各地表沉降监测点，CX2-18、CX2-19及CX2-20为各分坑深层土体监测点，其余编号为隧道监测断面，每5环一个断面，各分坑的开挖顺序为B1→C2→B2。

图2 监测点布置图

4 土体变形分析

4.1 深层土体水平位移分析

由于CX2-19监测数据缺失，故只分析B1、B2分坑开挖过程中深层土体水平位移，如图3所示，其中纵坐标为深度，横坐标为水平位移，正值为土体向坑内移动，负值为土体向坑外移动。从整体上看，基坑开挖过程中地下连续墙外侧土体深层水平变形曲线表现为向基坑内侧移动，各测点的最大水平位移均出现在基坑底面上3.9 m至底面下2.1 m区间内。

图3 深层土体水平位移曲线图

结合不同工况下地下连续墙外侧深层土体水平位移的变化趋势可知，开挖阶段曲线为中间大两端小的“鼓肚型”，随着开挖深度的增加，基坑外侧土体向坑内移动愈加明显，深层土体的水平位移变化不断增大。在底板浇筑及拆撑阶段，深层土体的水平位移变化很大，这是因为围护结构较长时间无支撑，约束土体变形的效果削弱，导致围护结构产生较大的水平向位移，引起地层进一步侧向移动。该阶段CX2-18的曲线仍为“鼓肚型”而CX2-20曲线呈一大一小的“双峰型”，这是由于施工顺序引起的。B2基坑开挖致6.9 m时，B1基坑已经浇筑完底板、C2基坑在开挖第3层土体，整个基坑已开挖面积相对较大且相互连通导致支撑对土体变形的约束效果削弱，而B1基坑的底板限制坑底土体的位移，所以，B2基坑土体的最大水平位移出现在第2道支撑处，而B1基坑土体的最大水平位移出现在坑底且第2道支撑处位移相对较少。因此，实际工程中基坑开挖应尽量合理采用分层、分块开挖。

4.2 基坑外侧地表沉降分析

图4 为基坑外侧地表沉降变化曲线，横坐标为施工阶段，纵坐标为地表沉降值，正值表示隆起，负值表示沉降。由图4可知，基坑开挖初始阶段的深度较小，坑外土体向坑内移动并不剧烈，坑外地表沉降都较小，随着开挖深度的增加，坑外地表沉降逐渐增大。这是由于开挖深度增大引起坑外土体的主动土压力增大，土体向坑内移动剧烈，导致坑外土体发生较大的沉降变形，而拆撑时地表沉降的增大是由无支撑状态时围护结构约束效应减小引起的。对比测点DBC2-20、DBC2-21、DBC2-22可以发现，靠近隧道一侧的地表变形相对较小，笔者认为这是由于隧道自身的结构刚度在一定程度上能够减少土体变形。

图4 基坑外侧地表沉降曲线图

5 隧道变形分析

5.1 隧道道床沉降分析

图5为基坑开挖时隧道道床的沉降曲线图，横坐标为隧道环号，纵坐标为道床沉降值，正值表示隆起，负值表示沉降。由图5可知，上、下行线的道床沉降相差不大，在-2.1～2 mm间波动。基坑开挖至1.2 m时隧道道床没有产生较大变形，随着开挖的进行，道床产生明显隆起，这说明隧道顶部与基坑底部之间的土层越薄，基坑卸荷引起的扰动传递越明显，道床的隆起变形越大。对比2条隧道的道床沉降可以发现，下行线离基坑较近，道床变形以隆起为主，且开挖过程中隆起变形相对较大；上行线道床变形在基坑范围内以隆起为主，但基坑范围外的道床变形以沉降为主，且底板浇筑及拆撑阶段变形相对较大。

图5 隧道道床沉降曲线图

5.2 隧道道床差异沉降分析

图6 为基坑开挖时隧道道床差异沉降随各工况变化曲线图，纵坐标为道床差异沉降值。由图6可知，道床差异沉降主要发生在70～130环，随着开挖深度的增加差异沉降更为明显，同时拆撑阶段差异沉降变化也很大。对比上、下行线的差异沉降曲线可以发现，基坑范围内下行线的差异沉降值更大，这说明距离基坑越近，隧道道床受到的变形影响越剧烈。

图6 隧道道床差异沉降曲线图

5.3 隧道道床水平位移分析

图7为基坑开挖时各工况下隧道道床水平位移曲线图，纵坐标为道床水平位移值，正值代表隧道向坑外移动，负值代表隧道向坑内移动。由图7可知，随着开挖的进行，隧道道床向坑内移动。基坑开挖卸荷改变土体原有的应力平衡状态，随着开挖的进行，卸载量增大，基坑围护结构及周围土层发生向基坑内的移动，引发邻近隧道的水平变形，且隧道侧向土压力逐渐减小，造成隧道道床的水平位移持续增长。对比上、下行线的道床水平位移，开挖阶段，2条隧道的道床水平位移值相差不大，而底板浇筑及拆撑阶段，下行线的道床水平位移明显较大，由此可知底板浇筑及拆撑时，距离基坑越近，受到的影响越大。

图7 隧道道床水平位移曲线图

5.4 隧道管片收敛分析

图8 为隧道管片收敛随工况的变化曲线，纵坐标为管片收敛值，正值代表隧道横向直径变大，负值代表隧道横向直径变小。由图8可知，未开挖前，上、下行线隧道管片均已产生较大的水平收敛变形，说明施工前的各种施工措施产生的扰动会造成隧道发生变形。随着基坑开挖工作的进行，隧道上、下行线的隧道横向直径增加，但整体来看管片收敛主要发生在开挖前。