平行双基坑同步开挖引起邻近地铁盾构隧道变形监测分析

2024-03-27刘凤华

城市轨道交通研究 2024年3期

刘凤华

(上海隧道工程有限公司, 200082, 上海)

随着城市化进程的加快,城市轨道交通(以下简称“城轨”)迅速发展,邻近城轨隧道的基坑工程日益增多,多基坑近接城轨隧道施工的工况也愈发常见[1-2]。文献[3]基于大量工程实测资料,采用有限元方法对基坑施工引起隧道变形的影响规律进行了分析,并划分了基坑施工影响区域。文献[4-6]采用不同简化方法,从理论计算角度分析了基坑开挖诱发邻近盾构隧道的变形规律。文献[7]基于实测数据分析了基坑施工过程中深层土体侧移与邻近隧道变形之间的规律。文献[8]通过数值模拟分析了双基坑不同施工阶段对地铁隧道变形的影响,发现双基坑与隧道平行布置时,隧道会发生较大变形,且后开挖基坑引起的变形较先开挖基坑约大7%。文献[9]指出两基坑对称开挖相较于不对称开挖能更好地控制隧道水平位移,但对于邻近隧道竖向位移的控制相对不利。不难发现,有关多基坑平行开挖产生叠加效应的实测数据研究尚不多见,特别是考虑到多次施工扰动后邻近盾构隧道的变形规律仍未见报道。

因此,本文基于实测数据,探究平行双基坑开挖过程中邻近盾构隧道的竖向位移、水平位移及收敛变形的变化规律,并结合施工日志对基坑开挖应力集中以及双基坑开挖叠加效应进行分析,提出施工风险节点。

1 工程概况

1.1 项目概况

江汉路站是杭州地铁6号线(以下简称“6号线”)一期工程的中间站,位于杭州市滨江区江南大道与江汉路路口,沿江南大道呈东西向布置。车站附属结构A出入口基坑深度为10.3～13.6 m,土方开挖量约为7 780 m2,2号风亭基坑深度为10.2～12.2 m,土方开挖量约为4 515 m2,围护结构均采用厚800 mm、深35.0 m的地下连续墙,结合1道混凝土支撑+2道钢支撑的形式,采用明挖法施工。

江南大道改造提升工程区间为地下盾构隧道,位于江南大道下方,与6号线并行。盾构隧道外径为11.36 m,内径为10.36 m;管片环宽为2.0 m,厚度为500 mm。管片环分为8块,即5块标准块、2块邻接块和1块封顶块。管片混凝土强度等级为C50,抗渗等级为P12。

盾构北线邻近江汉路站附属结构,平面位置关系如图1所示。按照施工计划,江汉路站附属结构施工前,南北两侧盾构均已完工。北侧盾构隧道距离A号出入口地连墙最小侧向净距约为2.4 m,盾构顶标高为-12.33 m,基坑底最小标高为-6.514 m。北侧盾构隧道距离2号风亭地连墙最小侧向净距约1.7 m,盾构隧道顶标高为-14.958 m,基坑底最小标高为-5.788 m。北侧盾构隧道与车站附属结构基坑基本平行且间距较小,剖面位置关系如图2所示。

图1 江汉路站附属结构与北侧盾构隧道的平面位置关系图

a) A号出入口

b) 2号风亭

1.2 工程地质条件

江汉路站附属结构基坑开挖深度范围内的土层主要为砂质粉土、砂质粉土夹粉砂、粉砂和淤泥质粉质黏土。盾构隧道所处地层主要为砂质粉土夹粉砂、砂质粉土、淤泥质粉质黏土及粉质黏土。北侧盾构隧道工程地质断面如图3所示。

图3 北侧盾构隧道工程地质断面图

1.3 基坑施工工况

基坑采用分层、分段、对称、限时开挖,遵循“先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖”的原则,尽量减少基坑无支撑暴露的时间和空间。A号出入口采用东西两段分区、分层开挖的方式,2号风亭采用整体分层开挖的方式。基坑施工工况详见表1。

1.4 北侧盾构隧道变形监测

北侧盾构隧道监测范围选取第130环—第155环,每5环管片设置1个监测断面。对其进行竖向位移、水平位移及水平收敛变形监测。北侧盾构隧道与基坑平面位置关系详见图4。

2 盾构隧道变形监测结果分析

2.1 隧道竖向位移

隧道竖向位移-管片环号关系曲线如图5所示。由图5可见:江汉路站附属结构基坑开挖期间,隧道变形以隆起为主,隆起量为-0.5～4.5 mm。究其原因为侧上方基坑开挖卸载,导致坑底土体产生回弹变形,继而引起隧道的隆起[10]。随着开挖深度的增加,隧道竖向隆起也随之增加。特别地,第145环管片的竖向隆起相比其他要大,最大值达到4.5 mm。这是由于第145环管片位于A号出入口基坑的中部附近,基坑长边效应及其卸载应力集中导致其中部的隧道位移较两边都大[8]。此外,隧道纵向东侧的竖向位移较大,这是由于东侧2号风亭与A号出入口的基坑平行施工对隧道的竖向变形存在叠加效应影响。

注:正值表示隆起,负值表示沉降。

图6为不同施工节点下隧道的竖向位移-时间关系曲线。由图5和图6可知:工况一下A号出入口东侧第一层土体开挖引起的隧道最大竖向隆起为2.06 mm,发生在第145环管片。A号出入口西侧第一层土体开挖引起的隧道最大竖向隆起为1.73 mm,发生在第135环管片;而东侧土体开挖对应的第145环与第150环管片略有沉降,这体现了基坑开挖的应力集中现象。A号出入口基坑单独开挖时,隧道纵向各环管片的竖向位移变化较小,基本保持在2.0 mm以内。一旦2号风亭与A号出入口的基坑同步开挖,由于扰动剧烈,隧道竖向位移明显增大。

图6 不同施工节点下隧道竖向位移-时间关系曲线

基坑采取架设支撑与浇筑底板均可以有效控制其变形的发展,如工况五和工况六中隧道竖向位移发生回落,隧道中部以沉降为主。直至2号风亭最后一层土体开挖,隧道竖向位移产生了较大波动,其中第130环管片处竖向最大隆起增量为2.46 mm。随着2号风亭的底板浇筑,隧道竖向位移趋于平缓,不再产生超过1.0 mm的位移波动。

双基坑平行于隧道同步开挖过程中,隧道竖向受力情况较为复杂。不难看出,图6中近似有两处波峰和一处波谷,即:先施工基坑开挖引起隧道变形,而后施工基坑开始同步开挖后,隧道竖向位移曲线产生一个波峰;当采取相应措施或先行施工基坑施工完毕后竖向位移得以控制,且稍有回落,曲线形成波谷。在后施工基坑单独开挖最后一层土体的过程中,同样因施工扰动造成位移增加,使得曲线形成波峰。

2.2 隧道水平位移

隧道纵向最大水平位移-管片环号关系曲线如图7所示。由图7可以看出:隧道整体水平位移为朝向基坑方向移动,且基坑中部的隧道侧移明显大于两侧,这同样也是由基坑中部的应力集中所导致,与竖向位移的规律一致。盾构隧道的最大水平位移约为4.5 mm,发生在第140环管片,且整体曲线稍向西侧偏移。究其原因为A号出入口基坑分区自东向西开挖,先开挖区的土体位移场和应力场随着开挖的进行逐渐叠加至西侧的后开挖区,导致最大水平位移发生在基坑开挖的后开挖区,这与文献[8]的研究结果相似。