畢書(shū)琦， 甘彬霖， 梁亞華， 楊永華， 李歡， 崔灝*， 卞超

(1.煤炭科學(xué)研究總院， 北京 100013； 2.北京中煤礦山工程有限公司， 北京 100013；3.中國(guó)建筑第八工程局有限公司， 上海 200112)

城市地下空間的立體化開(kāi)發(fā)已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及國(guó)家安全的重大需求[1]。隨著地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)的快速發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)了大量在既有地鐵上方新建地下結(jié)構(gòu)的工程。目前大多數(shù)地鐵采用盾構(gòu)法修建，盾構(gòu)隧道管片對(duì)變形較為敏感。過(guò)大的變形會(huì)導(dǎo)致管片收斂開(kāi)裂、管片錯(cuò)臺(tái)，導(dǎo)致滲漏水，嚴(yán)重的甚至發(fā)生突水涌砂等事故。例如，臺(tái)北某深基坑距既有隧道最小間距12 m，基坑施工引起相鄰隧道變形，導(dǎo)致隧道底板脫落，最終造成嚴(yán)重工程事故[1]。

對(duì)于既有基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響問(wèn)題，專家學(xué)者開(kāi)展了許多研究。徐宏增等[2]、劉銘等[3]分別研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)既有管線和堤防的影響及優(yōu)化控制措施。鄭剛等[4]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用ABAQUS軟件，模擬分析了加固措施對(duì)隧道的影響和加固有效性，分析了不同加固參數(shù)對(duì)軌道變形和加固效果的影響規(guī)律。高峰等[5]結(jié)合ANSYS分析軟件，從圍巖壓力控制的角度分析了隧道側(cè)方基坑開(kāi)挖對(duì)隧道壓力拱的影響。王定軍等[6]對(duì)上跨隧道施工的基坑進(jìn)行數(shù)值數(shù)值模擬分析，比對(duì)了不同旋噴加固參數(shù)下下臥隧道的受力和變形，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了最優(yōu)模擬參數(shù)對(duì)基坑變形的有效控制。奚家米等[7]基于時(shí)空效應(yīng)，確定了基坑開(kāi)挖對(duì)周圍管線變形的影響規(guī)律。

既有的研究已經(jīng)得到了很多有意義的成果和結(jié)論，但缺乏對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和全過(guò)程分析；同時(shí)現(xiàn)有的研究缺乏對(duì)坑底距離下臥隧道距離較淺的工程的分析研究且多集中于基坑位置位于隧道側(cè)方的工程。

以南寧市軌道交通5號(hào)線國(guó)那區(qū)間盾構(gòu)段上部新建4號(hào)線那洪立交站2號(hào)風(fēng)亭組基坑結(jié)構(gòu)施工為背景，其基坑底距離隧道最近處僅1.8 m。研究探討采取保護(hù)措施下既有隧道受上方近距離基坑開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工引起的垂直變形及凈空收斂規(guī)律。并驗(yàn)證加固方式的有效性，并為類似條件的研究與工程建設(shè)提供參考。

1 項(xiàng)目概述

1.1 工程概況

如圖1所示新建南寧市軌道交通4號(hào)線那洪立交站2號(hào)風(fēng)亭組及出入口基坑，基坑開(kāi)挖深度9 m。南北長(zhǎng)56.55 m，東西方向長(zhǎng)67.65 m。基坑采用鉆孔灌注樁(Ф800 mm、Ф1 000 mm)+坑頂內(nèi)支撐(鋼支撐)+止水帷幕(旋噴樁)+坑內(nèi)疏干井的支護(hù)形式。

圖1 基坑及下臥隧道位置

基坑的正下方是既有南北走向的5號(hào)線國(guó)那區(qū)間盾構(gòu)段隧道，隧道上部距離基底最近處僅1.8 m?；又黧w位于隧道313～512環(huán)上方，盾構(gòu)管片內(nèi)直徑5.4 m，管片厚0.3 m。

如圖2所示，基坑采用分區(qū)開(kāi)挖的方式，分三個(gè)施工區(qū)域開(kāi)挖，先同時(shí)施工南北側(cè)的第一、第二段，一、二段底板完成后開(kāi)挖中間部分的第三段。每個(gè)施工段由東往西開(kāi)挖，段間按照1∶1分級(jí)放坡，施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)如表1所示。

圖2 分區(qū)開(kāi)挖示意圖

表1 施工過(guò)程

1.2 水文地質(zhì)條件

基坑及隧道范圍內(nèi)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，主要土層及參數(shù)如表2所示。對(duì)工程影響比較大的場(chǎng)地地下水為孔隙潛水，埋深5.5～6.2 m，主要賦存于含黏性土圓礫層中，水量較豐富，且與周邊天鵝湖水系存在水力聯(lián)系。

表2 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 隧道變形控制與監(jiān)測(cè)

2.1 變形控制措施

由于基坑基底距下部隧道最近處僅1.8 m，采取了增加隧道縱向橫向剛度、隧道內(nèi)堆載反壓、基坑分條開(kāi)挖等保護(hù)措施，避免由于基坑施工導(dǎo)致隧道上方土體移動(dòng)變形對(duì)下臥隧道產(chǎn)生不利影響。

(1)管片拉緊。如圖3所示，盾構(gòu)區(qū)間洞內(nèi)采用6根10號(hào)槽縱向拉緊，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235，盾構(gòu)區(qū)間拉緊范圍為基坑南擴(kuò)6 m范圍(共42環(huán)，63 m)，縱向每1.5 m設(shè)置一個(gè)鋼板焊接緊固點(diǎn)。

圖3 管片拉緊布置

(2)管片門式鋼架加固。為加強(qiáng)土方開(kāi)挖邊界點(diǎn)位置盾構(gòu)剛度，在不同開(kāi)挖區(qū)域的交界位置和基坑兩側(cè)位置的盾構(gòu)管片，設(shè)置3道20#a工字鋼制作鋼門架，一環(huán)管片一道，外側(cè)用10 mm厚200 mm寬鋼環(huán)分散內(nèi)撐架作用在管片的壓力，框架中間設(shè)置10號(hào)槽鋼拉桿。三道門架之間使用4根20號(hào)工字鋼縱向拉結(jié)為一體，以加強(qiáng)整體性，縱向共設(shè)置16道，門式鋼架如圖4所示。

圖4 門式鋼架

(3)隧道采用堆載反壓。計(jì)算的隧道堆載反壓重量為15 kN/m，根據(jù)基坑開(kāi)挖卸載工況，共分兩級(jí)進(jìn)行堆載?；庸诹阂韵峦练介_(kāi)挖前，進(jìn)行一級(jí)堆載，堆載重量4 kN/m；基坑土方開(kāi)挖至冠梁以下3 m時(shí)，進(jìn)行二次堆載，堆載重量15 kN/m，直至開(kāi)挖見(jiàn)底。過(guò)程中需根據(jù)隧道隆起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增加堆載反壓重量控制變形。

(4)采用分條開(kāi)挖方式。三個(gè)施工段開(kāi)挖，先同時(shí)施工南北側(cè)的第一、第二段，一二段底板完成后開(kāi)挖中間部分的第三段。每個(gè)施工段由東向西開(kāi)挖，段間按照1∶1分級(jí)放坡，確?；颖Ａ敉练竭吰碌陌踩?。

(5)抗拔樁與底板連接。抗拔樁采用鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)15 m，樁徑1 m，設(shè)計(jì)抗拔力1 400 kN。在基坑開(kāi)挖完畢澆筑底板時(shí)，將底板與抗拔樁連接為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

2.2 監(jiān)測(cè)措施

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，結(jié)合本工程具體情況，確定本工程隧道管片監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表3所示。

表3 隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

3 管片變形分析

3.1 沉降變形時(shí)程分析

選取位于基坑北段、基坑中間段、基坑南段范圍中心區(qū)域下側(cè)的SDCZ-7(左線346環(huán))、SDCZ-20(左線333環(huán))、SDCZ-33(左線320環(huán))、SDCY-8(右線345環(huán))、SDCY-20(右線332環(huán))、SDCY-33(右線320環(huán))測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。整理得到整個(gè)施工期間兩段區(qū)域下方左右線隧道的全過(guò)程累計(jì)變形曲線如圖5所示，其中正值代表隧道管片上浮，負(fù)值代表隧道管片下沉。

從圖5看出，基坑的三個(gè)開(kāi)挖段的下臥隧道的變形曲線是比較一致的。在開(kāi)挖初期表現(xiàn)為沉降或者上浮值很小，主要是由于開(kāi)挖深度小，隧道頂部覆土較大，底部土體回彈力小。隨后隧道上浮量逐步增加，在開(kāi)挖階段呈現(xiàn)比較明顯的突變上浮變形。在施工中發(fā)現(xiàn)臨近基底2 m范圍內(nèi)開(kāi)挖卸載引起隧道變形突變較大。在相應(yīng)開(kāi)挖區(qū)域的底板施工完成至頂板完成回填階段，區(qū)域下方的隧道垂直方向的變形仍表現(xiàn)為上浮變形，但變形曲線逐漸平緩，最終趨于穩(wěn)定。主要由于底板與隧道頂部之間土層，在基坑開(kāi)挖過(guò)程受擾動(dòng)，底板澆后在土體回彈力作用下，土體壓縮和固結(jié)造成。

從圖5(b)、圖5(c)可以看出，在開(kāi)挖初始階段，右線隧道的上浮量都基本大于或接近左線隧道，左線隧道的上浮量在后期逐漸超過(guò)右線隧道的上浮量。其主要原因是由于基坑先從東側(cè)開(kāi)挖，靠近基坑?xùn)|側(cè)的右線隧道上方的土體首先開(kāi)挖卸荷，導(dǎo)致右線隧道在初期上浮量比較大；后期隨著基坑開(kāi)挖完畢，土體長(zhǎng)時(shí)間暴露，土體的時(shí)空效應(yīng)和軟土的流變效應(yīng)進(jìn)一步顯現(xiàn)，土體變形使得左線隧道上浮量最終超過(guò)右線隧道，這也與岳云鵬等[8]的研究結(jié)論相一致的。

圖5 基坑各段隧道變形曲線

但從圖5(a)可以看出，北側(cè)基坑施工期間，下方右線隧道的上浮量一直大于左線上方的上浮量，這一反常現(xiàn)象的主要原因是北側(cè)基坑底下方左右線隧道上覆土層存在一定的差異性。左線隧道拱頂與坑底之間的土層為圓礫土層和巖石層，右線隧道的拱頂與坑底之間的土層為圓礫土層和粉質(zhì)黏土層，使得在整個(gè)基坑土體開(kāi)挖階段，右線隧道的上浮量均大于左線隧道上浮量，北側(cè)基坑土層條件對(duì)隧道上浮量的影響大于開(kāi)挖位置對(duì)隧道上浮量影響。

如圖5(c)所示，在基坑中間段開(kāi)挖階段，其下方土體產(chǎn)生了較大的變形。主要原因是此時(shí)整個(gè)基坑暴露的時(shí)間更長(zhǎng)，土體變形進(jìn)一步顯現(xiàn)，基坑下部土體的變形更加明顯。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，左線隧道在中間段底板澆筑完成時(shí)上浮量在已經(jīng)達(dá)到20.77 mm，達(dá)到最大變形的91%。

3.2 分區(qū)開(kāi)挖措施對(duì)沉降影響

為了確?；娱_(kāi)挖時(shí)隧道不發(fā)生過(guò)大變形，本基坑采用了南北區(qū)域同時(shí)開(kāi)挖完后再進(jìn)行中間段區(qū)域開(kāi)挖的分區(qū)開(kāi)挖方式。

根據(jù)圖5(a)所顯示的基坑北段下臥隧道沉降變形曲線，在基坑中間段開(kāi)挖階段，基坑北段下部的隧道發(fā)生了上浮，說(shuō)明中間預(yù)留堆載段的開(kāi)挖卸荷不僅能引起堆載區(qū)域下方隧道上浮變形，同時(shí)對(duì)基坑已經(jīng)開(kāi)挖區(qū)域下方的隧道也有影響，具體表現(xiàn)為引起周邊已開(kāi)挖區(qū)域下側(cè)隧道產(chǎn)生上浮變形。值得注意的是這種上浮變形具有一定的突變性，在施工時(shí)應(yīng)該給予注意，防止隧道產(chǎn)生過(guò)大或過(guò)快的變形。

同時(shí)圖5(a)和圖5(b)顯示，在中間段區(qū)域開(kāi)挖階段，不同于北段區(qū)域下側(cè)隧道上浮量較大，南段區(qū)域下臥隧道上浮值和速率并不很大。主要是由于基坑南段的施工速度較快，在基坑中間段開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，基坑北段底板剛澆筑，強(qiáng)度未形成，而此時(shí)基坑南段底板澆筑作業(yè)已經(jīng)完成，強(qiáng)度已達(dá)到要求。結(jié)構(gòu)底板與抗拔樁連接成為一個(gè)整體，所形成的“門式”結(jié)構(gòu)抑制了隧道周圍土體的變形。在施工中應(yīng)該盡量合理地利用結(jié)構(gòu)主體施工減少土體開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的影響。

從圖5(c)可以得到看出，雖然采用了分區(qū)開(kāi)挖方式，但在基坑南北段開(kāi)挖時(shí)，基坑中間段也發(fā)生了一定的變形。變形量基本上要小于正在開(kāi)挖區(qū)域下方的隧道變形，但是左線隧道出現(xiàn)了比較大的突變，出現(xiàn)了幾次變形速率比較大的情況。可以看出預(yù)留土體對(duì)下方隧道變形有一定的抑制作用，但同時(shí)也不能忽視其下方隧道的變形，且這種變形與隧道與基坑的相對(duì)位置關(guān)系很大。

3.3 左右線隧道沉降比分析

剔除被破壞的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，整理分析施工關(guān)鍵階段時(shí)間點(diǎn)左右線隧道沉降比的平均值和方差如表4所示。

表4 沉降比均值及方差

基坑南北段開(kāi)挖施工時(shí)，左右線隧道最終沉降比值Ω處于0.02～1.20，較多的處于0.4～0.9，絕大部分小于1，離散性較大。由于先開(kāi)挖右線隧道上方的土體，此時(shí)右線隧道大部分管片的沉降變形大于左線隧道?；又虚g段開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，左右線隧道最終沉降比值Ω大部分位于1.22±0.20范圍。基坑主體部分封頂完成時(shí)，左右線隧道最終沉降比值Ω大部分位于1.15±0.20范圍。工程結(jié)束時(shí)，左右線隧道最終沉降比值Ω基本上穩(wěn)定在1.04±0.02范圍，離散性很小。

由表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，左右線的沉降比平均值最終趨近于1，沉降比樣本數(shù)據(jù)方差逐漸減小。說(shuō)明左右線隧道的沉降趨于一致且隧道管片沉降比趨于相同。

隨著開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)作業(yè)的進(jìn)行，土體變形進(jìn)一步發(fā)展，但這兩個(gè)階段的左右線的沉降比仍比較大，同時(shí)不同管片的沉降比具有一定的差異性。在工程結(jié)束時(shí)，土體變形已經(jīng)充分發(fā)展。土體移動(dòng)帶動(dòng)了隧道管片變形，使得左右線隧道的沉降值趨于一致；同時(shí)隧道縱向不同管片間的沉降比也趨于相同。

開(kāi)挖順序不同會(huì)導(dǎo)致隧道左右線產(chǎn)比較明顯的差異沉降變形，同時(shí)隨著土體變形傳遞的充分發(fā)展，隧道的變形最終趨于平衡，在施工時(shí)應(yīng)充分考慮開(kāi)挖順序及土體變形的時(shí)間效應(yīng)。

3.4 隧道整體沉降變形分析

圖6、圖7給出了整理分析后得到的基坑南北段開(kāi)挖結(jié)束、整個(gè)基坑開(kāi)挖結(jié)束兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的隧道整體變形曲線。從圖6、圖7顯示的隧道軸線方向的變形曲線來(lái)看，在基坑南北段開(kāi)挖結(jié)束后，由于中間區(qū)域暫未開(kāi)挖，中間區(qū)域的土體對(duì)下部隧道的變形具有一定的抑制作用，所以在開(kāi)挖初期隧道整體變形呈現(xiàn)為“馬鞍”型。在中間段開(kāi)挖結(jié)束后，由于土體變形發(fā)展，重新達(dá)到平衡狀態(tài)，隧道最終整體變形呈現(xiàn)為“拋物線”型。總體來(lái)講整個(gè)隧道呈現(xiàn)上浮狀態(tài)，且越靠近基坑中部區(qū)域的隧道管片變形越大，這也與張世民等[9]、陳志偉等[10]的結(jié)論是一致的，而中間段后開(kāi)挖作業(yè)能夠比較好地防止基坑中央位置處隧道管片產(chǎn)生過(guò)大或過(guò)快的變形。

基坑主體結(jié)構(gòu)位于隧道313～512環(huán)上方，由圖6和圖7中308環(huán)～312環(huán)范圍內(nèi)的管片變形曲線可以看出，上方風(fēng)亭基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠比較好地通過(guò)隔斷坑內(nèi)外土體的變形來(lái)抑制坑外隧道的變形。同時(shí)由于基坑支護(hù)樁的加載作用和支護(hù)樁施工擾動(dòng)作用，部分管片變形表現(xiàn)為沉降而不是上浮。

圖6 南北段開(kāi)挖結(jié)束后隧道變形

圖7 開(kāi)挖全部結(jié)束后隧道變形

值得注意的是，在支護(hù)樁下方的管片及其緊鄰的隧道管片的沉降值很小，但基坑外側(cè)遠(yuǎn)離基坑支護(hù)樁的部分管片其變形值也比較大，以左線隧道為例整理得到支護(hù)樁附近的管片沉降值如圖8所示，可以看出坑外隧道管片上浮變形出現(xiàn)一定量的回升。以往的施工中往往忽略這種影響，應(yīng)對(duì)這種現(xiàn)象引起重視，在必要時(shí)對(duì)坑外管片也進(jìn)行加固，避免坑外管片產(chǎn)生過(guò)大變形。

圖8 支護(hù)樁附近管片沉降變形

3.5 收斂變形時(shí)程分析

選取位于基坑北段、基坑中間段、基坑南段范圍中心區(qū)域下側(cè)的346環(huán)、334環(huán)、322環(huán)處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行整理分析，得到整個(gè)施工期間兩段區(qū)域下方左右線隧道的凈空收斂變形如圖9所示，其中正值代表管片拉伸，負(fù)值代表管片壓縮。

圖9 基坑各段隧道收斂變形曲線

本工程管片直徑D=5.7 m，凈空收斂值為12 mm，符合《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定管片結(jié)構(gòu)凈空收斂監(jiān)測(cè)控制值為0.2%D的要求?？傮w來(lái)講本隧道的凈空收斂基本上處于一個(gè)可控狀態(tài)?；娱_(kāi)挖期間，基坑南北段下側(cè)隧道的凈空收斂變形基本上處于-3～2 mm，且具有很大的波動(dòng)性；此期間未開(kāi)挖的基坑中間段的下臥隧道也產(chǎn)生了凈空收斂且與開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)的管片凈空收斂值相差不大。在第三段基坑開(kāi)挖期間，基坑下臥隧道呈現(xiàn)由豎向拉伸向豎向壓縮轉(zhuǎn)變的狀態(tài)。

在基坑全部區(qū)域底板澆筑完成至坑內(nèi)結(jié)構(gòu)全部澆筑封頂期間，隧道的凈空收斂增加，主要表現(xiàn)為豎向壓縮狀態(tài)。結(jié)構(gòu)澆筑的加載作用對(duì)管片的影響要大于基坑開(kāi)挖的影響，且具有一定的突變性。

郭鵬飛等[11]認(rèn)為在基坑施工期間，隧道凈空收斂呈現(xiàn)管徑增大的拉伸狀態(tài)，而本文隧道顯示的管片凈空收斂規(guī)律是在開(kāi)挖期間呈現(xiàn)在拉伸與壓縮狀態(tài)之間波動(dòng)的特征，這與每一個(gè)開(kāi)挖區(qū)域中分塊開(kāi)挖方式導(dǎo)致土體卸載不一致有關(guān)，值得深入研究。

魏綱[12]認(rèn)為在基坑開(kāi)挖后至底板澆筑完成期間，隧道的凈空收斂變形不大，而本基坑在表現(xiàn)出了明顯的凈空收斂值增大的現(xiàn)象，且具有一定的突變性，主要原因是上部結(jié)構(gòu)的澆筑限制了土體卸壓而產(chǎn)生的管片整體變形移動(dòng)，上方底板和隧道下部土體的共同約束使得管片在凈空方向產(chǎn)生壓縮變形；同時(shí)本隧道與坑底之間的覆土過(guò)淺，上部結(jié)構(gòu)對(duì)隧道管片產(chǎn)生了比較明顯的加載作用。土體變形傳遞的充分發(fā)展，隧道的變形最終趨于平衡，在施工時(shí)應(yīng)充分考慮開(kāi)挖順序及土體變形的時(shí)間效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)在開(kāi)挖階段管片呈現(xiàn)比較明顯的突變上浮，靠近基坑中部區(qū)域的隧道管片變形較大，結(jié)構(gòu)施工期間上浮變形較小。分區(qū)開(kāi)挖可以防止變形過(guò)大，未開(kāi)挖土體下方隧道變形不能忽視。

(2) 左右線上浮變形初期表現(xiàn)為先開(kāi)挖側(cè)較大，但最終表現(xiàn)為卸荷量大側(cè)變形較大。左右線的沉降比平均值逐漸趨近于1，最終沉降比基本上穩(wěn)定在1.04±0.02，表明左右線隧道的變形在施工期間逐漸趨于一致。

(3) 分區(qū)開(kāi)挖對(duì)管片的凈空收斂變形沒(méi)有明顯的抑制作用。隧道上覆土過(guò)淺時(shí)，結(jié)構(gòu)澆筑會(huì)對(duì)管片產(chǎn)生明顯的加載壓縮作用，具有突變性。