邻近基坑开挖顺序对既有隧道的变形影响分析

朱国权 ,陆 幸 ,司壹恒 ,叶俊能

（1.中化地质矿山总局浙江地质勘查院,浙江 杭州 310002;2.宁波市轨道交通集团有限公司,浙江 宁波 315010;3.宁波大学 岩土工程研究所,浙江 宁波 315211）

随着我国城市化进程的发展,城市中人口密集,土地资源有限,不可避免会出现新建构筑物与既有地下交通隧道紧邻的情况.常见基坑都具有开挖区域宽广,开挖深度大以及周边地下环境状况复杂的特点[1],而地铁隧道作为重要的运输方式也有着严格的保护要求[2],因此如何在近接隧道的基坑施工过程中,严格控制基坑自身安全及隧道变形已经成了岩土学者密切关注的技术难题之一.

Sharma 等[3]通过实验发现开挖施工过程中引起隧道水平位移朝向基坑侧,竖向位移向地面侧,其中最大水平位移发生在隧道顶部,最大竖向位移发生在靠近基坑一侧.况龙川等[4]研究发现隧道竖向位移方向与其周边土体位移相关,且基坑开挖造成隧道周边地应力是在不断变化的.陈郁等[5]通过现场试验发现基坑开挖导致坑底土体应力场发生变化,从而发生坑底土体回弹,造成隧道产生向地面侧的竖向变形.孔令荣等[6]提出隧道结构的位移变形主要受基坑与隧道间的相对距离以及开挖过程中时空效应两方面的影响.邵华等[7]发现对隧道影响最大的因素是基坑围护结构的变形和基坑坑底土体回弹隆起,考虑到时空效应的影响,提出对基坑进行分区顺序开挖,可有效地控制隧道结构的位移变形.伍尚勇等[8]利用Midas/GTS 研究了既有隧道两侧深基坑在不同开挖顺序施工时,对隧道结构内力和位移变形的影响.左殿军等[9]选用了ABAQUS 数值模拟软件,研究基坑近接开挖施工对既有隧道的扰动影响.刘方梅[10]则选取了HSS 土体计算模型来研究基坑和既有隧道的空间位置、基坑分区开挖、隧道周边土体扰动、地下水水位和单双基坑同时开挖施工等多种工况下对隧道结构的影响.王罡[11]利用ANSYS 有限元分析软件分析了基坑开挖对隧道结构变形的扰动规律,提出了隧道结构变形的控制标准.郑刚等[12]、杜一鸣[13]通过有限元方法研究了隔离桩对基坑的牵引作用,提出了最佳的隔离桩桩头埋深.此外,魏少伟[14]、王强[15]、林杭等[16]都运用有限元对不同工况下基坑开挖对邻近隧道的影响进行了研究.

本文以宁波轨道交通2 号线鼓外区间侧方近接的绿地中心深基坑工程为案例,采用现场试验与数值模拟的方法,研究了深基坑开挖过程中对既有运营隧道的变形影响规律,并探讨了基坑开挖顺序和隔离桩设置方式的影响,可为类似工程提供参考.

1 基坑开挖对隧道影响测试

1.1 工程概况

宁波绿地中心项目基坑面积约41 000 m2,周长约885 m.基坑采用分区顺作开挖方式,被划分为6 个区域开挖,其中Ⅱ区又被划分为5 个基坑,共10 个基坑,分阶段进行开挖(图1).基坑开挖顺序如下:Ⅰ区→III 区→II-D 区→IV 区、Ⅴ区→II-E区→II-A 区→II-B→II-C 区→VI 区.在前个区域地下室结构施工完成后,才可进行下个区域的基坑开挖.

鼓外区间隧道直径为6.2 m,中心距为13.8 m,隧道顶埋深约9 m,底埋深约15.2 m,隧道位于基坑西北侧,距离绿地中心地下室最近距离约为11.5 m.由于本项目距轨道交通2 号线鼓外区间隧道较近(图1),地铁保护工作要求较高.在基坑开挖过程中,对隧道水平位移、隧道沉降、道床沉降等进行监测.

对鼓外区间隧道进行测点布设,隧道内每5 环(6 m)布设1 个监测断面,上行线隧道共布设22 个监测点(图2).

图2 监测结果分析所选取数据点示意图

1.2 测试结果

1.2.1 隧道水平位移

图 3 为基坑各分区开挖完成后隧道拱顶水平位移变化图.隧道水平位移随着各区域开挖,整体增大,位移最大出现在DMS-13C 的位置,最大水平位移为14.6 mm.隧道结构水平位移主要受I 区和II 区开挖影响较大.前期I 区、III 区施工时,隧道前部靠近该区域的部分水平位移增加较大,其余部分变形较小.II 区各分基坑施工时隧道中部靠近该基坑的部分水平位移增加较大,其中II-E 区、II-B 区、II-C 区的3 个距离隧道较近的分基坑开挖时,隧道水平位移增量最大;而隧道的后部由于距离基坑相对较远,因此水平位移整体变化不大,且在基坑施工的后期发生了回弹.

图3 分区开挖完成后隧道拱顶水平位移变化

图 4 为DMS-13C 点位移时程图.由图可见,在I 区及III 区开挖完毕后,该监测点处隧道水平位移为负值,即位移趋向于远离基坑方向;在II-D 区开挖施工后,隧道该点处才开始向基坑侧发生水平位移,并随着其余各基坑的开挖而逐渐增加;其中水平位移增量最大的施工阶段为II-E 区、II-B 区、II-C 区的3 处分基坑的开挖施工,位移增量均在3 mm 以上,这3 个分基坑在空间关系上与隧道距离最近,且在II-E 区进行施工开挖时,水平位移增量最大,达到4.3 mm.

图4 最大位移点时程变化

1.2.2 隧道沉降

图 5 和图6 分别为各分区开挖完成后隧道拱顶、拱底沉降变化图.由图可见,隧道拱顶沉降和拱底沉降变化趋势基本一致,且都随着基坑区域的开挖而逐渐增大,拱顶最大沉降出现在DMS-13C 处,最大拱顶沉降为-25.8 mm;拱底沉降最大出现在JS-13D 处,最大拱底沉降为-25.0 mm,最终隧道拱顶沉降量略大于拱底沉降.

图5 分区开挖完成后隧道拱顶沉降变化

图6 分区开挖完成后隧道拱底沉降变化

在各区域分阶段开挖施工中,在开挖如III 区、II-D 区、II-E 区面积较大的分基坑时,隧道沉降变化量也相对较大.

图 7 为拱顶、拱底沉降时程变化图.可见隧道拱顶与拱底的下沉量随各个基坑的开挖施工中逐渐增加,且整个基坑开挖过程中,隧道拱顶沉降始终大于拱底沉降.在图中沉降变化量较大施工区域为III 区、II-D 区、II-E 区以及II-C 区.其中II-C区分基坑施工过程中沉降量变化值较大,是因为隧道与该区域基坑距离较近,III区虽然与隧道距离较远,但由于其开挖面积较大,隧道沉降也较大,II-D 和II-E 区开挖面积大,隧道沉降也大.

图7 拱顶、拱底沉降时程变化

1.2.3 道床沉降

在图8 和图9 分别为隧道左线和右线道床沉降变化图.由图可见,随着各分区基坑的开挖,道床沉降逐渐增大,左右线变化趋势基本一致,最大沉降均出现DCS-13 测点处,左侧隧道沉降最大值为-14.6 mm,右侧隧道沉降最大值为-13.9 mm.在各区域分阶段开挖施工中,开挖面积较大的分基坑如II-D 区、II-E 区等开挖时,隧道的道床沉降变化量也较大,可见道床沉降除了与基坑和隧道距离有关之外,与基坑面积也有关.

图8 分区开挖完成后隧道左侧道床沉降变化

图9 分区开挖完成后隧道右侧道床沉降变化

2 基坑开挖顺序对隧道影响有限元模拟

对于邻近轨道交通的基坑开挖是先远坑后近坑,还是先近坑后远坑有一定的争论.为此,本节采用有限元方法讨论基坑分区、分块开挖顺序对隧道变形的影响.通过设置4 个新的工况(表1)与原开挖工况(工况一)的计算结果进行对比,分析开挖顺序对既有隧道变形的影响.

表1 不同工况各施工阶段开挖区域

2.1 模型的建立

采用PLAXIS 3D 模拟宁波绿地中心基坑开挖顺序对隧道影响.模型尺寸为长400 m,宽330 m,深度55 m,初始地下水位为地下1.9 m.模型边界条件为底部完全约束,上表面为自由面,其他面约定其法向位移.网格划分如图10 所示,总体网格密度为中等,网格单元数608 747,节点数为852 553.土体共划分为9 层,采用HSS 本构模型,具体参数见表2.每层土体深度分别为2.6、1.3、4.0、13.7、7.4、5.1、9.5、3.1、8.3 m,土层总深度为55 m.

图10 有限元模型

表2 土体HSS 模型参数

基坑近隧道侧采用1 000 mm 厚、埋深46 m 地下连续墙,其他边采用800 mm 厚、埋深41 m 地下连续墙,墙体的弹性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2;模型中隧道厚度0.35 m,采用板单元,其弹性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2.

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 模型验证

将工况一的模拟结果与现场实测结果进行对比(图11和12所示),可以看出,计算模拟结果与实测结果基本吻合.在前期I、III 区、II-D 区以及IV、V 区分基坑进行开挖时,实测结果与模拟结果接近,验证了模型的合理性.

图11 隧道水平位移对比

图12 隧道沉降对比

在II-E 区分基坑开挖阶段,轨道交通开始运营,给隧道带来了较大的影响,故II-E 区后续施工引起的隧道沉降结果大于模拟结果.

2.2.2 分区开挖顺序影响

按表1 各工况给定的顺序对基坑进行挖,隧道水平位移、沉降计算结果如图13 和图14 所示.对比所有工况的位移变化,工况五最终累计位移均小于其他工况,且除了开挖阶段二之外,其余3 个阶段增量位移也都小于其他工况中对应阶段的位移增量.将工况五与工况一进行对比发现,将引起隧道变形最大的阶段一安排在最后施工可以有效地减小隧道变形.

图13 不同施工顺序时隧道水平位移对比

图14 不同施工顺序时隧道沉降位移对比

将工况五与工况四进行对比,将距离隧道更近的II-C 区分基坑安排在距离基坑相对较远的II-A 区分基坑之后进行施工时,隧道累计位移变形较小.将工况五与工况二进行对比分析,根据其计算结果可知,距离既有隧道最近的II-A 区、II-B 区、II-C 区在分隔开挖时,隧道累计位移变形较小.综上,邻近轨道交通的基坑开挖时,应先远坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工顺序.

3 结论

(1)基坑开挖完成后,既有隧道的最大水平位移、最大沉降均发生在与基坑距离最小处,且隧道拱顶沉降较拱底沉降大.

(2)隧道沉降与道床沉降受基坑分块、分区开挖区域面积的影响较大,两者关系呈正相关,即开挖区域基坑面积越大,隧道沉降和道床沉降变形增量越大.

(3)邻近轨道交通的基坑开挖时,应先远坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工顺序.