軟土基坑被動區加固對鄰近地鐵隧道的變形控制效果分析

太 俊,胡 科,程宗亮,王 磊,吳 剛,周永強

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430015;2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071)

隨著中心城市地鐵軌道交通的逐步完善,在地鐵保護區內進行基坑開挖的情況愈發常見,基坑開挖施工勢必會對鄰近既有地鐵隧道造成一定影響,甚至導致地鐵隧道產生變形、滲漏等病害,威脅隧道結構安全和正常運營。因此,對于鄰近地鐵隧道的深基坑工程,必須采取有效的變形控制手段以減輕基坑施工對地鐵隧道的影響,尤其是在深厚軟土地區,受基坑開挖卸荷以及施工擾動的影響,會導致軟黏土的強度降低、變形增大,進而對鄰近基坑的地鐵隧道造成更大的影響。

針對基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響,眾多學者采用不同研究方法開展了一系列研究[1-8],而對于被動區加固對鄰近地鐵隧道的變形控制效果方面的研究相對較少。王衛東等[9]系統總結了軟土地層中鄰近隧道深基坑的變形控制設計方法,其中坑內土體加固設計能夠明顯增大土體剛度,提高土體抗變形能力,從而減小基坑開挖變形。胡琦等[10]通過對杭州地區典型軟粘土地基中深基坑工程案例的分析,研究了軟弱土地基中深基坑坑底加固方式對鄰近地鐵結構的保護作用,陳仁朋等[11]通過數值計算比較了基坑分塊開挖、被動區土體加固以及隔斷墻等措施對保護鄰近隧道的作用效果。曾婕等[12]就多種設計措施對臨近地鐵區間隧道位移控制的效果進行了對比分析,結果表明采取坑內、外土體加固措施在減小基坑開挖導致的隧道位移方面效果明顯。以往的研究成果往往都只考慮了坑底以下被動區加固的作用效果,而對于坑底以上被動區加固的作用效果均忽略不計,同時坑內的工程樁也相當于是對被動區土體進行了加固,完全不考慮工程樁對變形的影響也是不合理的。

結合武漢市某全地埋式污水處理廠深基坑工程,采用三維有限元軟件建立包含基坑支護結構、地下箱體結構、坑內工程樁以及鄰近隧道的整體模型,模擬實際施工工況下基坑開挖對鄰近隧道的影響,并對比分析被動區加固空樁部分、實樁部分以及工程樁的作用對地鐵隧道變形的控制效果,并與隧道的全過程自動化監測數據進行對比,驗證設計采取的變形控制措施的有效性。

1 工程背景

1.1 工程概況

武漢市某全地埋式污水處理廠的場地地貌單元屬長江沖洪積Ⅱ級階地湖積區,場區內分布有厚層的第四系湖積相淤泥層及第四系河流沖積相的淤泥質土層,軟土層層頂埋深4.0 m～7.3 m,厚度最大可達16 m,本項目基底大部分均位于該層軟土中。場地內的碎石、角礫層中賦存有較為豐富的孔隙承壓水,該層地下水的賦存狀態與長江水位及區域地下水位密切相關,根據抽水試驗成果,該層承壓水頭標高在地面以下約6.0 m左右。

本工程的地下箱體基坑總開挖面積約為17 000 m2,根據開挖深度的不同將地下箱體基坑分為Ⅰ區和Ⅱ區兩部分,主箱體基坑(Ⅰ區)開挖深度為14.10 m～18.20 m,附屬構筑物基坑(Ⅱ區)開挖深度為6.4 m～9.35 m,Ⅰ區主體結構施工完成后再進行Ⅱ區的基坑開挖施工,基坑東側為軌道交通16號線區間段,區間隧道結構與Ⅰ區基坑間最小凈距約為14.8 m,與Ⅱ區基坑間最小凈距約為11.8 m,隧道頂部埋深約17.9 m。地鐵區間段采用盾構施工,盾構線路分為左線和右線兩條,區間隧道外徑6.7 m,內徑6 m,管片厚度350 mm,鄰近基坑處兩線之間的凈間距約23.8 m?；优c隧道的平面位置關系詳見圖1。

Ⅰ區基坑圍護結構采用Φ1500@1700的鉆孔灌注樁+兩～三道混凝土內支撐進行支護,鄰近地鐵隧道的角部區域圍護結構采用厚度1.2 m地下連續墻+兩道混凝土內支撐進行支護,基坑被動區采用三軸攪拌樁進行裙邊加固,加固寬度8.25 m,加固范圍為地面以下4 m至坑底以下6.9 m,坑底以上水泥摻量為10%,坑底以下水泥摻量為20%。Ⅱ區基坑圍護結構采用Φ1200@1500鉆孔灌注樁+一道混凝土內支撐進行支護,基坑被動區采用三軸攪拌樁進行滿堂加固,加固深度為坑底以下5.0 m,加固段水泥摻量為20%,基坑支護結構與隧道關系剖面詳見圖2。

圖2 基坑支護結構與隧道關系剖面圖(A-A'剖面)

1.2 監測方案

隧道監測點包括隧道道床豎向沉降、隧道豎向收斂、隧道拱頂沉降、隧道水平位移、隧道水平收斂5個監測項目,左、右線隧道各布設22個監測斷面,監測斷面的平面布置如圖3所示。每個監測斷面布設5個監測點,監測點布置斷面如圖4所示。其中沉降變形正號表示隆起,負號表示沉降;水平位移正號表示隧道向基坑反方向偏移,負號表示隧道向基坑方向偏移,采用全站儀進行自動化監測,根據《建筑基坑工程監測技術標準》[13]的相關規定,監測頻率按1次/d進行。

圖3 隧道監測斷面布設平面圖

圖4 隧道監測點布設斷面圖

2 有限元數值模型

2.1 模型建立

為評價基坑被動區加固對鄰近既有隧道的變形控制效果,采用有限元軟件建立整體三維模型進行數值模擬,模型的平面范圍以基坑為中心,模型尺寸確定為:長510 m×寬330 m×高70 m。根據場地地層特征,本工程中將地層從上到下概化為7層,對三維模型進行網格劃分,并對基坑及地鐵隧道周邊網格進行局部加密,共劃分為376 639個單元、638 852個節點,三維模型及網格劃分結果如圖5所示,既有隧道及基坑支護結構模型如圖6所示,地下箱體結構及工程樁模型如圖7所示。

圖5 三維有限元整體模型

圖6 既有隧道及基坑支護結構模型

圖7 地下箱體結構及工程樁模型

2.2 模型參數及邊界條件

模型中支護排樁采用Plate板單元近似模擬,其板厚按照抗彎剛度等效的原則確定;地連墻、隧道襯砌、中板、頂板均采用Plate板單元模擬,結構底板、結構側墻采用實體單元模擬,內支撐采用Beam梁單元模擬,工程樁采用Embedded樁單元模擬。模型四周均采用固定邊界條件,頂面采用自由變形邊界,模型中考慮地面超載的影響。水力邊界設置為底部封閉不透水,模型四周邊界為定水頭邊界,水頭值為含水層初始水位值。

土體材料的本構模型采用HS-small小應變硬化模型,巖石的本構模型采用摩爾-庫侖模型,土體的材料參數根據地勘報告提供的力學指標結合模型手冊[14]及梁發云等[15]的研究成果進行經驗換算:

對于砂土:

(1)

對于軟土:

(2)

對于黏性土:

(3)

式中:E50ref為割線模量,kPa;Eoedref為切線模量,kPa;Eurref為卸荷重新加載模量,kPa。

剪切模量G0ref根據Hardin提出的經驗公式[16]計算:

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

(4)

式中:e0為土體初始孔隙比。

黏性土閾值剪切應變γ0.7按下式計算(砂性土γ0.7一般取為0.0002):

γ0.7=0.0001+5×10-6Ip(OCR)0.3

(5)

式中:Ip為塑性指數;OCR為超固結比。

各種巖土層的本構模型參數詳見表1。

表1 各巖土層模型參數表

水泥土采用摩爾-庫侖模型,模型參數可根據實測無側限抗壓強度qu進行換算[17],20%摻量的實樁部分和10%摻量的空樁部分的強度參數見表2。

表2 強度參數表

隧道襯砌采用線彈性本構模型,根據Lee等[18]的研究成果,考慮管片間接頭對隧道剛度的影響,隧道襯砌的彈性模量取C50混凝土模量值的75%,即E=0.75EC50=25.875 GPa,泊松比取為0.2。

2.3 有限元模型工況模擬

基坑的支護樁墻施工、內支撐的施工及拆除、土體的分層開挖、地下箱體結構的施工過程通過有限元軟件的“生死單元”功能來模擬,被動區加固、CSM水泥攪拌墻則通過轉換材料參數來模擬,具體計算工況如表3所示。本文通過改變計算步3中的被動區加固材料參數及工程樁的激活狀態來對比分析被動區加固空樁、實樁以及工程樁對于隧道變形的控制效果。

表3 計算工況表

3 被動區加固的作用效果分析

3.1 基坑自身變形情況

圖8為Ⅰ區基坑開挖至基底時由數值模擬計算得到的變形云圖,Ⅰ區基坑鄰近隧道區間處的測斜管在不同開挖階段對土體深層水平位移進行了實測,實測水平位移與數值計算結果的對比曲線如圖9所示。

圖8 Ⅰ區基坑開挖至基底圍護結構總變形云圖

圖9 Ⅰ區基坑土體深層水平位移實測值與計算值對比

由圖8、圖9可知,隨著基坑開挖的不斷進行,地連墻的水平變形不斷增大,地連墻向坑內產生“鼓肚型”變形,坑外土體深層水平位移最大值發生在坑底附近,通過有限元計算與實測得到的位移曲線進行對比,兩者變化趨勢基本一致且數值吻合度較好,說明本文采用的三維有限元計算模型及參數選取是較為合理的。

3.2 被動區加固對隧道變形的影響分析

為了對比被動區加固的空樁部分、實樁部分以及工程樁對基坑自身及臨近地鐵隧道變形的影響,在數值模擬計算過程中,首先建立不考慮被動區加固及工程樁的計算模型,再以該計算模型為基準,分別建立僅考慮被動區加固的空樁部分、實樁部分和工程樁部分的三種計算模型,最后建立被動區加固空樁部分、實樁部分及工程樁均考慮的計算模型,將各計算模型的有限元計算結果進行對比分析。

表4為不同被動區加固模型在Ⅰ區基坑開挖至基底工況下地連墻的水平位移、豎向位移以及鄰近左線隧道的水平、豎向位移的計算值。計算結果由表4可以看出:被動區加固空樁部分、實樁部分及工程樁對控制地連墻及隧道的水平位移均有一定的有利作用,隧道的水平位移與地連墻的水平位移呈正相關關系,考慮被動區加固及工程樁作用后,隧道最大水平位移相較不采用控制措施情況下減小了49.6%,其中工程樁對控制地連墻及隧道的水平位移貢獻最大,原因主要是由于工程樁樁長較長且數量較多,大幅提升了被動區土體的水平抗力。被動區加固空樁部分、實樁部分及工程樁對地連墻及鄰近隧道豎向位移的控制效果差異較大,其中被動區加固空樁部分對地連墻及隧道的豎向位移影響較小,而被動區加固實樁和工程樁則增大了地連墻及隧道的豎向位移,隧道的豎向位移與地連墻的豎向位移呈正相關關系,這主要是因為基坑開挖卸載導致坑底以下土體隆起,被動區加固實樁部分和工程樁均提高了坑底以下土體的剛度,雖然被動區加固和工程樁抑制了坑底土體的隆起,但土體與地連墻間的相互作用力變大,使得地連墻整體上浮量增加,繼而帶動鄰近隧道的豎向隆起量相應增大。

表4 加固模型下圍護結構及隧道變形計算值

結合數值模擬及實際監測數據表明圍護結構的位移大小是影響鄰近隧道位移的直接因素,基坑開挖過程中被動區加固及工程樁對地鐵隧道變形的作用機制較為復雜,尤其是工程樁對支護結構及鄰近隧道的變形影響非常顯著,在評估基坑開挖對鄰近隧道的影響時應對工程樁的作用予以充分考慮。

3.3 鄰近隧道的變形計算與實測對比分析

圖10為Ⅰ區基坑開挖至基底工況下鄰近隧道總位移云圖,從圖中可以看出靠近基坑較近的左線隧道變形要明顯大于離基坑較遠的右線隧道。左線隧道的最大總變形為2.11 mm,右線隧道最大變形僅為0.98 mm,隧道最大變形發生在基坑東北角ZD10監測斷面附近,而不是與基坑凈距最小的ZD12斷面處,這是由于ZD12斷面鄰近基坑陰角部位,該處支護結構位移相較基坑中部變形值較小,直接導致鄰近的隧道斷面處位移也相對較小,隧道變形沿縱向整體呈距離基坑近的區域變形大、兩側遠離基坑逐漸減小的彎曲變形狀態,基坑開挖對鄰近隧道的影響表現為斜向基坑方向的變形趨勢。

圖10 Ⅰ區基坑開挖至基底工況隧道總位移云圖

地鐵左線隧道ZD10監測斷面的水平位移隨時間的變化曲線如圖11所示,其中正值表示遠離基坑方向,負值表示朝向基坑方向,從圖中可以看出隧道水平位移變化波動較大,整體在-2.0 mm～+1.7 mm間浮動,基坑未開挖前左線隧道已存在一定程度的水平位移,這與開挖前的樁基及地連墻施工影響有一定相關性,在Ⅰ區基坑開挖期間隧道左線水平位移變化較大且達到最大值,由朝向基坑方向移動2.0 mm轉變為遠離基坑方向移動1.7 mm,這與數值模擬計算結果呈現出完全相反的趨勢,分析原因可能是由于施工期間在基坑與隧道之間進行了土方運輸及地面堆載造成的,但隨著基坑土方開挖卸載量的持續加大,基坑圍護結構撓曲變形也逐漸增大,帶動隧道轉為朝向基坑方向的變形,在進入Ⅰ區地下箱體結構的施工階段后,主體結構豎向荷載隨著施工的進行不斷增加,荷載通過結構底板及樁基礎傳遞至基坑下部土體,對土體產生向外的“擠出”效應從而使隧道向遠離基坑方向移動,而內支撐的拆除使支護結構向坑內的水平位移增大,又引起隧道朝向基坑方向移動,因此隧道水平方向位移在此階段仍有一定波動,而數值計算得到的隧道水平位移則相對穩定,但其整體變化趨勢與實測值是基本一致的。在Ⅱ區基坑開始開挖施工后,隧道又開始往遠離基坑方向發生位移,這主要是由于Ⅱ區基坑的支護樁底與隧道標高接近,該深度范圍內土質條件較差,且在內支撐及被動區加固的共同作用下,基坑開挖導致支護樁底出現朝向坑外的轉動變形,從而引起鄰近隧道向遠離基坑方向移動,數值模擬計算結果很好的反映出了這一變形趨勢。

圖11 左線隧道斷面水平位移計算值與實測值對比

地鐵隧道ZD10監測斷面豎向位移隨時間的變化曲線如圖12所示,其中正值表示隆起,負值表示沉降。從圖中可以看出,地鐵左線隧道的豎向位移變化波動較大,在-2.50 mm～+2.00 mm間浮動,基坑未開挖前左線隧道已出現明顯的隆起變形,這與樁基及地連墻施工影響有一定相關性。由于隧道上部的地面荷載情況復雜,因此隧道豎向變形特征更為復雜多變。Ⅰ區基坑開挖期間,隧道出現了一段時期明顯的沉降變形,這與施工期間在基坑與隧道之間進行土方運輸及地面堆載有關,但隨著基坑土方開挖卸載量的持續加大,隧道又逐漸轉為隆起變形,在進入主體結構的施工階段后,隨著結構荷載的不斷增加,抑制了隧道的隆起變形,引起隧道發生明顯的隆起回落,這與數值計算結果的規律是基本一致的。Ⅱ區基坑開始施工后,雖然Ⅱ區基坑開挖深度較小,但其與隧道的凈距較小,其開挖卸載亦使隧道產生了明顯的豎向隆起變形,數值模擬較好的反映了這一現象。由于有限元計算無法模擬地連墻施工過程中對土體的擾動作用,且對于地面荷載的動態變化情情況也難以準確模擬,因此計算值與實際監測值之間存在一定差異,但對于鄰近隧道的整體變形趨勢預測效果較好。

圖12 左線隧道斷面豎向位移計算值與實測值對比

針對既有地鐵隧道的變形控制要求,《城市軌道交通工程監測技術規范》[19]中規定隧道結構沉降控制值為3 mm～10 mm,隧道結構上浮控制值5 mm,隧道結構水平位移控制值3 mm～5 mm。

通過對鄰近既有隧道的自動化監測,依托項目在基坑施工全過程中的隧道實測水平位移最大值為2.75 mm,隧道豎向位移最大值為2.75 mm,均可滿足規范對隧道結構變形控制的要求,證明基坑設計所采取的位移控制措施是切實有效的。

4 結 論

依托武漢市某全地埋式污水處理廠深基坑工程,對項目中的基坑及鄰近地鐵區間隧道進行了三維有限元建模,對比分析了被動區加固空樁部分、實樁部分以及工程樁的作用對地鐵隧道變形的控制效果,并通過將方案的模擬計算結果與實測結果進行對比,驗證了有限元模擬及被動區加固措施的合理性,最終得出如下主要結論:

(1) 被動區加固實樁、空樁及工程樁均對基坑圍護結構變形有一定的控制作用,尤其是工程樁對于圍護結構的位移控制具有顯著的影響,圍護結構的位移是影響鄰近隧道位移的直接因素。

(2) 數值計算在考慮被動區加固及工程樁的作用后,隧道水平位移比不考慮被動區加固及工程樁作用的情況下減小了49.6%,其中工程樁對隧道水平位移的控制效果貢獻最大。

(3) 被動區加固空樁部分對地連墻及鄰近隧道的豎向位移影響較小,而被動區加固實樁和工程樁雖抑制了坑底土體的隆起,但土體與地連墻間的相互作用力變大,從而增加了地連墻及鄰近隧道的豎向位移。

(4) 隧道自動化監測數據表明圍護結構施工階段、基坑開挖階段以及主體結構施工階段均會對已運營地鐵隧道產生影響,圍護結構施工及基坑開挖主要引起隧道產生朝向基坑方向的水平位移及豎向隆起變形,而主體結構施工對既有隧道的隆起具有明顯的抑制作用,各階段隧道變形量均能滿足變形控制要求,可見基坑設計所采取的位移控制措施是切實有效的。