软土基坑被动区加固对邻近地铁隧道的变形控制效果分析

太 俊,胡 科,程宗亮,王 磊,吴 刚,周永强

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430015;2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071)

随着中心城市地铁轨道交通的逐步完善,在地铁保护区内进行基坑开挖的情况愈发常见,基坑开挖施工势必会对邻近既有地铁隧道造成一定影响,甚至导致地铁隧道产生变形、渗漏等病害,威胁隧道结构安全和正常运营。因此,对于邻近地铁隧道的深基坑工程,必须采取有效的变形控制手段以减轻基坑施工对地铁隧道的影响,尤其是在深厚软土地区,受基坑开挖卸荷以及施工扰动的影响,会导致软黏土的强度降低、变形增大,进而对邻近基坑的地铁隧道造成更大的影响。

针对基坑开挖对邻近地铁隧道的影响,众多学者采用不同研究方法开展了一系列研究[1-8],而对于被动区加固对邻近地铁隧道的变形控制效果方面的研究相对较少。王卫东等[9]系统总结了软土地层中邻近隧道深基坑的变形控制设计方法,其中坑内土体加固设计能够明显增大土体刚度,提高土体抗变形能力,从而减小基坑开挖变形。胡琦等[10]通过对杭州地区典型软粘土地基中深基坑工程案例的分析,研究了软弱土地基中深基坑坑底加固方式对邻近地铁结构的保护作用,陈仁朋等[11]通过数值计算比较了基坑分块开挖、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效果。曾婕等[12]就多种设计措施对临近地铁区间隧道位移控制的效果进行了对比分析,结果表明采取坑内、外土体加固措施在减小基坑开挖导致的隧道位移方面效果明显。以往的研究成果往往都只考虑了坑底以下被动区加固的作用效果,而对于坑底以上被动区加固的作用效果均忽略不计,同时坑内的工程桩也相当于是对被动区土体进行了加固,完全不考虑工程桩对变形的影响也是不合理的。

结合武汉市某全地埋式污水处理厂深基坑工程,采用三维有限元软件建立包含基坑支护结构、地下箱体结构、坑内工程桩以及邻近隧道的整体模型,模拟实际施工工况下基坑开挖对邻近隧道的影响,并对比分析被动区加固空桩部分、实桩部分以及工程桩的作用对地铁隧道变形的控制效果,并与隧道的全过程自动化监测数据进行对比,验证设计采取的变形控制措施的有效性。

1 工程背景

1.1 工程概况

武汉市某全地埋式污水处理厂的场地地貌单元属长江冲洪积Ⅱ级阶地湖积区,场区内分布有厚层的第四系湖积相淤泥层及第四系河流冲积相的淤泥质土层,软土层层顶埋深4.0 m～7.3 m,厚度最大可达16 m,本项目基底大部分均位于该层软土中。场地内的碎石、角砾层中赋存有较为丰富的孔隙承压水,该层地下水的赋存状态与长江水位及区域地下水位密切相关,根据抽水试验成果,该层承压水头标高在地面以下约6.0 m左右。

本工程的地下箱体基坑总开挖面积约为17 000 m2,根据开挖深度的不同将地下箱体基坑分为Ⅰ区和Ⅱ区两部分,主箱体基坑(Ⅰ区)开挖深度为14.10 m～18.20 m,附属构筑物基坑(Ⅱ区)开挖深度为6.4 m～9.35 m,Ⅰ区主体结构施工完成后再进行Ⅱ区的基坑开挖施工,基坑东侧为轨道交通16号线区间段,区间隧道结构与Ⅰ区基坑间最小净距约为14.8 m,与Ⅱ区基坑间最小净距约为11.8 m,隧道顶部埋深约17.9 m。地铁区间段采用盾构施工,盾构线路分为左线和右线两条,区间隧道外径6.7 m,内径6 m,管片厚度350 mm,邻近基坑处两线之间的净间距约23.8 m。基坑与隧道的平面位置关系详见图1。

Ⅰ区基坑围护结构采用Φ1500@1700的钻孔灌注桩+两～三道混凝土内支撑进行支护,邻近地铁隧道的角部区域围护结构采用厚度1.2 m地下连续墙+两道混凝土内支撑进行支护,基坑被动区采用三轴搅拌桩进行裙边加固,加固宽度8.25 m,加固范围为地面以下4 m至坑底以下6.9 m,坑底以上水泥掺量为10%,坑底以下水泥掺量为20%。Ⅱ区基坑围护结构采用Φ1200@1500钻孔灌注桩+一道混凝土内支撑进行支护,基坑被动区采用三轴搅拌桩进行满堂加固,加固深度为坑底以下5.0 m,加固段水泥掺量为20%,基坑支护结构与隧道关系剖面详见图2。

图2 基坑支护结构与隧道关系剖面图(A-A'剖面)

1.2 监测方案

隧道监测点包括隧道道床竖向沉降、隧道竖向收敛、隧道拱顶沉降、隧道水平位移、隧道水平收敛5个监测项目,左、右线隧道各布设22个监测断面,监测断面的平面布置如图3所示。每个监测断面布设5个监测点,监测点布置断面如图4所示。其中沉降变形正号表示隆起,负号表示沉降;水平位移正号表示隧道向基坑反方向偏移,负号表示隧道向基坑方向偏移,采用全站仪进行自动化监测,根据《建筑基坑工程监测技术标准》[13]的相关规定,监测频率按1次/d进行。

图3 隧道监测断面布设平面图

图4 隧道监测点布设断面图

2 有限元数值模型

2.1 模型建立

为评价基坑被动区加固对邻近既有隧道的变形控制效果,采用有限元软件建立整体三维模型进行数值模拟,模型的平面范围以基坑为中心,模型尺寸确定为:长510 m×宽330 m×高70 m。根据场地地层特征,本工程中将地层从上到下概化为7层,对三维模型进行网格划分,并对基坑及地铁隧道周边网格进行局部加密,共划分为376 639个单元、638 852个节点,三维模型及网格划分结果如图5所示,既有隧道及基坑支护结构模型如图6所示,地下箱体结构及工程桩模型如图7所示。

图5 三维有限元整体模型

图6 既有隧道及基坑支护结构模型

图7 地下箱体结构及工程桩模型

2.2 模型参数及边界条件

模型中支护排桩采用Plate板单元近似模拟,其板厚按照抗弯刚度等效的原则确定;地连墙、隧道衬砌、中板、顶板均采用Plate板单元模拟,结构底板、结构侧墙采用实体单元模拟,内支撑采用Beam梁单元模拟,工程桩采用Embedded桩单元模拟。模型四周均采用固定边界条件,顶面采用自由变形边界,模型中考虑地面超载的影响。水力边界设置为底部封闭不透水,模型四周边界为定水头边界,水头值为含水层初始水位值。

土体材料的本构模型采用HS-small小应变硬化模型,岩石的本构模型采用摩尔-库仑模型,土体的材料参数根据地勘报告提供的力学指标结合模型手册[14]及梁发云等[15]的研究成果进行经验换算:

对于砂土:

(1)

对于软土:

(2)

对于黏性土:

(3)

式中:E50ref为割线模量,kPa;Eoedref为切线模量,kPa;Eurref为卸荷重新加载模量,kPa。

剪切模量G0ref根据Hardin提出的经验公式[16]计算:

G0ref=33(2.97-e0)/(1+e0)

(4)

式中:e0为土体初始孔隙比。

黏性土阈值剪切应变γ0.7按下式计算(砂性土γ0.7一般取为0.0002):

γ0.7=0.0001+5×10-6Ip(OCR)0.3

(5)

式中:Ip为塑性指数;OCR为超固结比。

各种岩土层的本构模型参数详见表1。

表1 各岩土层模型参数表

水泥土采用摩尔-库仑模型,模型参数可根据实测无侧限抗压强度qu进行换算[17],20%掺量的实桩部分和10%掺量的空桩部分的强度参数见表2。

表2 强度参数表

隧道衬砌采用线弹性本构模型,根据Lee等[18]的研究成果,考虑管片间接头对隧道刚度的影响,隧道衬砌的弹性模量取C50混凝土模量值的75%,即E=0.75EC50=25.875 GPa,泊松比取为0.2。

2.3 有限元模型工况模拟

基坑的支护桩墙施工、内支撑的施工及拆除、土体的分层开挖、地下箱体结构的施工过程通过有限元软件的“生死单元”功能来模拟,被动区加固、CSM水泥搅拌墙则通过转换材料参数来模拟,具体计算工况如表3所示。本文通过改变计算步3中的被动区加固材料参数及工程桩的激活状态来对比分析被动区加固空桩、实桩以及工程桩对于隧道变形的控制效果。

表3 计算工况表

3 被动区加固的作用效果分析

3.1 基坑自身变形情况

图8为Ⅰ区基坑开挖至基底时由数值模拟计算得到的变形云图,Ⅰ区基坑邻近隧道区间处的测斜管在不同开挖阶段对土体深层水平位移进行了实测,实测水平位移与数值计算结果的对比曲线如图9所示。

图8 Ⅰ区基坑开挖至基底围护结构总变形云图

图9 Ⅰ区基坑土体深层水平位移实测值与计算值对比

由图8、图9可知,随着基坑开挖的不断进行,地连墙的水平变形不断增大,地连墙向坑内产生“鼓肚型”变形,坑外土体深层水平位移最大值发生在坑底附近,通过有限元计算与实测得到的位移曲线进行对比,两者变化趋势基本一致且数值吻合度较好,说明本文采用的三维有限元计算模型及参数选取是较为合理的。

3.2 被动区加固对隧道变形的影响分析

为了对比被动区加固的空桩部分、实桩部分以及工程桩对基坑自身及临近地铁隧道变形的影响,在数值模拟计算过程中,首先建立不考虑被动区加固及工程桩的计算模型,再以该计算模型为基准,分别建立仅考虑被动区加固的空桩部分、实桩部分和工程桩部分的三种计算模型,最后建立被动区加固空桩部分、实桩部分及工程桩均考虑的计算模型,将各计算模型的有限元计算结果进行对比分析。

表4为不同被动区加固模型在Ⅰ区基坑开挖至基底工况下地连墙的水平位移、竖向位移以及邻近左线隧道的水平、竖向位移的计算值。计算结果由表4可以看出:被动区加固空桩部分、实桩部分及工程桩对控制地连墙及隧道的水平位移均有一定的有利作用,隧道的水平位移与地连墙的水平位移呈正相关关系,考虑被动区加固及工程桩作用后,隧道最大水平位移相较不采用控制措施情况下减小了49.6%,其中工程桩对控制地连墙及隧道的水平位移贡献最大,原因主要是由于工程桩桩长较长且数量较多,大幅提升了被动区土体的水平抗力。被动区加固空桩部分、实桩部分及工程桩对地连墙及邻近隧道竖向位移的控制效果差异较大,其中被动区加固空桩部分对地连墙及隧道的竖向位移影响较小,而被动区加固实桩和工程桩则增大了地连墙及隧道的竖向位移,隧道的竖向位移与地连墙的竖向位移呈正相关关系,这主要是因为基坑开挖卸载导致坑底以下土体隆起,被动区加固实桩部分和工程桩均提高了坑底以下土体的刚度,虽然被动区加固和工程桩抑制了坑底土体的隆起,但土体与地连墙间的相互作用力变大,使得地连墙整体上浮量增加,继而带动邻近隧道的竖向隆起量相应增大。

表4 加固模型下围护结构及隧道变形计算值

结合数值模拟及实际监测数据表明围护结构的位移大小是影响邻近隧道位移的直接因素,基坑开挖过程中被动区加固及工程桩对地铁隧道变形的作用机制较为复杂,尤其是工程桩对支护结构及邻近隧道的变形影响非常显著,在评估基坑开挖对邻近隧道的影响时应对工程桩的作用予以充分考虑。

3.3 邻近隧道的变形计算与实测对比分析

图10为Ⅰ区基坑开挖至基底工况下邻近隧道总位移云图,从图中可以看出靠近基坑较近的左线隧道变形要明显大于离基坑较远的右线隧道。左线隧道的最大总变形为2.11 mm,右线隧道最大变形仅为0.98 mm,隧道最大变形发生在基坑东北角ZD10监测断面附近,而不是与基坑净距最小的ZD12断面处,这是由于ZD12断面邻近基坑阴角部位,该处支护结构位移相较基坑中部变形值较小,直接导致邻近的隧道断面处位移也相对较小,隧道变形沿纵向整体呈距离基坑近的区域变形大、两侧远离基坑逐渐减小的弯曲变形状态,基坑开挖对邻近隧道的影响表现为斜向基坑方向的变形趋势。

图10 Ⅰ区基坑开挖至基底工况隧道总位移云图

地铁左线隧道ZD10监测断面的水平位移随时间的变化曲线如图11所示,其中正值表示远离基坑方向,负值表示朝向基坑方向,从图中可以看出隧道水平位移变化波动较大,整体在-2.0 mm～+1.7 mm间浮动,基坑未开挖前左线隧道已存在一定程度的水平位移,这与开挖前的桩基及地连墙施工影响有一定相关性,在Ⅰ区基坑开挖期间隧道左线水平位移变化较大且达到最大值,由朝向基坑方向移动2.0 mm转变为远离基坑方向移动1.7 mm,这与数值模拟计算结果呈现出完全相反的趋势,分析原因可能是由于施工期间在基坑与隧道之间进行了土方运输及地面堆载造成的,但随着基坑土方开挖卸载量的持续加大,基坑围护结构挠曲变形也逐渐增大,带动隧道转为朝向基坑方向的变形,在进入Ⅰ区地下箱体结构的施工阶段后,主体结构竖向荷载随着施工的进行不断增加,荷载通过结构底板及桩基础传递至基坑下部土体,对土体产生向外的“挤出”效应从而使隧道向远离基坑方向移动,而内支撑的拆除使支护结构向坑内的水平位移增大,又引起隧道朝向基坑方向移动,因此隧道水平方向位移在此阶段仍有一定波动,而数值计算得到的隧道水平位移则相对稳定,但其整体变化趋势与实测值是基本一致的。在Ⅱ区基坑开始开挖施工后,隧道又开始往远离基坑方向发生位移,这主要是由于Ⅱ区基坑的支护桩底与隧道标高接近,该深度范围内土质条件较差,且在内支撑及被动区加固的共同作用下,基坑开挖导致支护桩底出现朝向坑外的转动变形,从而引起邻近隧道向远离基坑方向移动,数值模拟计算结果很好的反映出了这一变形趋势。

图11 左线隧道断面水平位移计算值与实测值对比

地铁隧道ZD10监测断面竖向位移随时间的变化曲线如图12所示,其中正值表示隆起,负值表示沉降。从图中可以看出,地铁左线隧道的竖向位移变化波动较大,在-2.50 mm～+2.00 mm间浮动,基坑未开挖前左线隧道已出现明显的隆起变形,这与桩基及地连墙施工影响有一定相关性。由于隧道上部的地面荷载情况复杂,因此隧道竖向变形特征更为复杂多变。Ⅰ区基坑开挖期间,隧道出现了一段时期明显的沉降变形,这与施工期间在基坑与隧道之间进行土方运输及地面堆载有关,但随着基坑土方开挖卸载量的持续加大,隧道又逐渐转为隆起变形,在进入主体结构的施工阶段后,随着结构荷载的不断增加,抑制了隧道的隆起变形,引起隧道发生明显的隆起回落,这与数值计算结果的规律是基本一致的。Ⅱ区基坑开始施工后,虽然Ⅱ区基坑开挖深度较小,但其与隧道的净距较小,其开挖卸载亦使隧道产生了明显的竖向隆起变形,数值模拟较好的反映了这一现象。由于有限元计算无法模拟地连墙施工过程中对土体的扰动作用,且对于地面荷载的动态变化情情况也难以准确模拟,因此计算值与实际监测值之间存在一定差异,但对于邻近隧道的整体变形趋势预测效果较好。

图12 左线隧道断面竖向位移计算值与实测值对比

针对既有地铁隧道的变形控制要求,《城市轨道交通工程监测技术规范》[19]中规定隧道结构沉降控制值为3 mm～10 mm,隧道结构上浮控制值5 mm,隧道结构水平位移控制值3 mm～5 mm。

通过对邻近既有隧道的自动化监测,依托项目在基坑施工全过程中的隧道实测水平位移最大值为2.75 mm,隧道竖向位移最大值为2.75 mm,均可满足规范对隧道结构变形控制的要求,证明基坑设计所采取的位移控制措施是切实有效的。

4 结 论

依托武汉市某全地埋式污水处理厂深基坑工程,对项目中的基坑及邻近地铁区间隧道进行了三维有限元建模,对比分析了被动区加固空桩部分、实桩部分以及工程桩的作用对地铁隧道变形的控制效果,并通过将方案的模拟计算结果与实测结果进行对比,验证了有限元模拟及被动区加固措施的合理性,最终得出如下主要结论:

(1) 被动区加固实桩、空桩及工程桩均对基坑围护结构变形有一定的控制作用,尤其是工程桩对于围护结构的位移控制具有显著的影响,围护结构的位移是影响邻近隧道位移的直接因素。

(2) 数值计算在考虑被动区加固及工程桩的作用后,隧道水平位移比不考虑被动区加固及工程桩作用的情况下减小了49.6%,其中工程桩对隧道水平位移的控制效果贡献最大。

(3) 被动区加固空桩部分对地连墙及邻近隧道的竖向位移影响较小,而被动区加固实桩和工程桩虽抑制了坑底土体的隆起,但土体与地连墙间的相互作用力变大,从而增加了地连墙及邻近隧道的竖向位移。

(4) 隧道自动化监测数据表明围护结构施工阶段、基坑开挖阶段以及主体结构施工阶段均会对已运营地铁隧道产生影响,围护结构施工及基坑开挖主要引起隧道产生朝向基坑方向的水平位移及竖向隆起变形,而主体结构施工对既有隧道的隆起具有明显的抑制作用,各阶段隧道变形量均能满足变形控制要求,可见基坑设计所采取的位移控制措施是切实有效的。