劉鳳華

(上海隧道工程有限公司, 200082, 上海)

隨著城市化進(jìn)程的加快,城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)迅速發(fā)展,鄰近城軌隧道的基坑工程日益增多,多基坑近接城軌隧道施工的工況也愈發(fā)常見[1-2]。文獻(xiàn)[3]基于大量工程實測資料,采用有限元方法對基坑施工引起隧道變形的影響規(guī)律進(jìn)行了分析,并劃分了基坑施工影響區(qū)域。文獻(xiàn)[4-6]采用不同簡化方法,從理論計算角度分析了基坑開挖誘發(fā)鄰近盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律。文獻(xiàn)[7]基于實測數(shù)據(jù)分析了基坑施工過程中深層土體側(cè)移與鄰近隧道變形之間的規(guī)律。文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值模擬分析了雙基坑不同施工階段對地鐵隧道變形的影響,發(fā)現(xiàn)雙基坑與隧道平行布置時,隧道會發(fā)生較大變形,且后開挖基坑引起的變形較先開挖基坑約大7%。文獻(xiàn)[9]指出兩基坑對稱開挖相較于不對稱開挖能更好地控制隧道水平位移,但對于鄰近隧道豎向位移的控制相對不利。不難發(fā)現(xiàn),有關(guān)多基坑平行開挖產(chǎn)生疊加效應(yīng)的實測數(shù)據(jù)研究尚不多見,特別是考慮到多次施工擾動后鄰近盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律仍未見報道。

因此,本文基于實測數(shù)據(jù),探究平行雙基坑開挖過程中鄰近盾構(gòu)隧道的豎向位移、水平位移及收斂變形的變化規(guī)律,并結(jié)合施工日志對基坑開挖應(yīng)力集中以及雙基坑開挖疊加效應(yīng)進(jìn)行分析,提出施工風(fēng)險節(jié)點。

1 工程概況

1.1 項目概況

江漢路站是杭州地鐵6號線(以下簡稱“6號線”)一期工程的中間站,位于杭州市濱江區(qū)江南大道與江漢路路口,沿江南大道呈東西向布置。車站附屬結(jié)構(gòu)A出入口基坑深度為10.3～13.6 m,土方開挖量約為7 780 m2,2號風(fēng)亭基坑深度為10.2～12.2 m,土方開挖量約為4 515 m2,圍護結(jié)構(gòu)均采用厚800 mm、深35.0 m的地下連續(xù)墻,結(jié)合1道混凝土支撐+2道鋼支撐的形式,采用明挖法施工。

江南大道改造提升工程區(qū)間為地下盾構(gòu)隧道,位于江南大道下方,與6號線并行。盾構(gòu)隧道外徑為11.36 m,內(nèi)徑為10.36 m;管片環(huán)寬為2.0 m,厚度為500 mm。管片環(huán)分為8塊,即5塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊。管片混凝土強度等級為C50,抗?jié)B等級為P12。

盾構(gòu)北線鄰近江漢路站附屬結(jié)構(gòu),平面位置關(guān)系如圖1所示。按照施工計劃,江漢路站附屬結(jié)構(gòu)施工前,南北兩側(cè)盾構(gòu)均已完工。北側(cè)盾構(gòu)隧道距離A號出入口地連墻最小側(cè)向凈距約為2.4 m,盾構(gòu)頂標(biāo)高為-12.33 m,基坑底最小標(biāo)高為-6.514 m。北側(cè)盾構(gòu)隧道距離2號風(fēng)亭地連墻最小側(cè)向凈距約1.7 m,盾構(gòu)隧道頂標(biāo)高為-14.958 m,基坑底最小標(biāo)高為-5.788 m。北側(cè)盾構(gòu)隧道與車站附屬結(jié)構(gòu)基坑基本平行且間距較小,剖面位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 江漢路站附屬結(jié)構(gòu)與北側(cè)盾構(gòu)隧道的平面位置關(guān)系圖

a) A號出入口

b) 2號風(fēng)亭

1.2 工程地質(zhì)條件

江漢路站附屬結(jié)構(gòu)基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層主要為砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)隧道所處地層主要為砂質(zhì)粉土夾粉砂、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土。北側(cè)盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)斷面如圖3所示。

圖3 北側(cè)盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)斷面圖

1.3 基坑施工工況

基坑采用分層、分段、對稱、限時開挖,遵循“先撐后挖、限時支撐、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則,盡量減少基坑無支撐暴露的時間和空間。A號出入口采用東西兩段分區(qū)、分層開挖的方式,2號風(fēng)亭采用整體分層開挖的方式?；邮┕すr詳見表1。

1.4 北側(cè)盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測

北側(cè)盾構(gòu)隧道監(jiān)測范圍選取第130環(huán)—第155環(huán),每5環(huán)管片設(shè)置1個監(jiān)測斷面。對其進(jìn)行豎向位移、水平位移及水平收斂變形監(jiān)測。北側(cè)盾構(gòu)隧道與基坑平面位置關(guān)系詳見圖4。

2 盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 隧道豎向位移

隧道豎向位移-管片環(huán)號關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可見:江漢路站附屬結(jié)構(gòu)基坑開挖期間,隧道變形以隆起為主,隆起量為-0.5～4.5 mm。究其原因為側(cè)上方基坑開挖卸載,導(dǎo)致坑底土體產(chǎn)生回彈變形,繼而引起隧道的隆起[10]。隨著開挖深度的增加,隧道豎向隆起也隨之增加。特別地,第145環(huán)管片的豎向隆起相比其他要大,最大值達(dá)到4.5 mm。這是由于第145環(huán)管片位于A號出入口基坑的中部附近,基坑長邊效應(yīng)及其卸載應(yīng)力集中導(dǎo)致其中部的隧道位移較兩邊都大[8]。此外,隧道縱向東側(cè)的豎向位移較大,這是由于東側(cè)2號風(fēng)亭與A號出入口的基坑平行施工對隧道的豎向變形存在疊加效應(yīng)影響。

注:正值表示隆起,負(fù)值表示沉降。

圖6為不同施工節(jié)點下隧道的豎向位移-時間關(guān)系曲線。由圖5和圖6可知:工況一下A號出入口東側(cè)第一層土體開挖引起的隧道最大豎向隆起為2.06 mm,發(fā)生在第145環(huán)管片。A號出入口西側(cè)第一層土體開挖引起的隧道最大豎向隆起為1.73 mm,發(fā)生在第135環(huán)管片;而東側(cè)土體開挖對應(yīng)的第145環(huán)與第150環(huán)管片略有沉降,這體現(xiàn)了基坑開挖的應(yīng)力集中現(xiàn)象。A號出入口基坑單獨開挖時,隧道縱向各環(huán)管片的豎向位移變化較小,基本保持在2.0 mm以內(nèi)。一旦2號風(fēng)亭與A號出入口的基坑同步開挖,由于擾動劇烈,隧道豎向位移明顯增大。

圖6 不同施工節(jié)點下隧道豎向位移-時間關(guān)系曲線

基坑采取架設(shè)支撐與澆筑底板均可以有效控制其變形的發(fā)展,如工況五和工況六中隧道豎向位移發(fā)生回落,隧道中部以沉降為主。直至2號風(fēng)亭最后一層土體開挖,隧道豎向位移產(chǎn)生了較大波動,其中第130環(huán)管片處豎向最大隆起增量為2.46 mm。隨著2號風(fēng)亭的底板澆筑,隧道豎向位移趨于平緩,不再產(chǎn)生超過1.0 mm的位移波動。

雙基坑平行于隧道同步開挖過程中,隧道豎向受力情況較為復(fù)雜。不難看出,圖6中近似有兩處波峰和一處波谷,即:先施工基坑開挖引起隧道變形,而后施工基坑開始同步開挖后,隧道豎向位移曲線產(chǎn)生一個波峰;當(dāng)采取相應(yīng)措施或先行施工基坑施工完畢后豎向位移得以控制,且稍有回落,曲線形成波谷。在后施工基坑單獨開挖最后一層土體的過程中,同樣因施工擾動造成位移增加,使得曲線形成波峰。

2.2 隧道水平位移

隧道縱向最大水平位移-管片環(huán)號關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可以看出:隧道整體水平位移為朝向基坑方向移動,且基坑中部的隧道側(cè)移明顯大于兩側(cè),這同樣也是由基坑中部的應(yīng)力集中所導(dǎo)致,與豎向位移的規(guī)律一致。盾構(gòu)隧道的最大水平位移約為4.5 mm,發(fā)生在第140環(huán)管片,且整體曲線稍向西側(cè)偏移。究其原因為A號出入口基坑分區(qū)自東向西開挖,先開挖區(qū)的土體位移場和應(yīng)力場隨著開挖的進(jìn)行逐漸疊加至西側(cè)的后開挖區(qū),導(dǎo)致最大水平位移發(fā)生在基坑開挖的后開挖區(qū),這與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果相似。

注:水平位移正值代表遠(yuǎn)離基坑,負(fù)值代表朝向基坑。

此外,第135環(huán)—第150環(huán)管片范圍內(nèi)隧道的最大水平位移均大于3.0 mm的預(yù)警值,但小于5.0 mm的警戒值?；娱_挖范圍內(nèi)隧道西側(cè)的最大水平位移要大于東側(cè),這說明平行雙基坑施工確實對鄰近盾構(gòu)隧道造成了一定影響,需引起足夠重視。

2.3 隧道收斂變形

隧道縱向水平收斂-管片環(huán)號關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可以看出:盾構(gòu)隧道的收斂變形基本呈現(xiàn)水平向拉伸、豎向壓縮的橫鴨蛋形態(tài),隧道管片水平向直徑明顯變大。究其原因在于側(cè)方基坑開挖對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生一個偏心卸載力,使得隧道受到指向基坑側(cè)方的力,故隧道產(chǎn)生了側(cè)向變形。

注:水平收斂正值代表管片橫向直徑變小,負(fù)值代表管片橫向直徑變大。

3 結(jié)論

1) 基坑長邊效應(yīng)及其卸載應(yīng)力集中導(dǎo)致基坑中部的隧道水平位移較兩側(cè)都大。先開挖區(qū)土體的擾動隨著后開挖基坑的施工逐步疊加,使得隧道最大水平位移發(fā)生在基坑的后開挖區(qū)。

2) 雙基坑平行于盾構(gòu)隧道同步開挖,產(chǎn)生疊加效應(yīng),進(jìn)一步加劇隧道的變形發(fā)展。隧道豎向位移曲線由于雙基坑同步開挖、架設(shè)支撐、澆筑坑底,以及基坑開挖最后一層土體而形成兩處波峰、一處波谷的特征。

3) 在鄰近基坑偏心卸載力的作用下,隧道橫截面收斂變形呈橫鴨蛋形。

4) 基坑分區(qū)分層的開挖方式,較好地運用了時空效應(yīng),減少了基坑的暴露時間,有效限制了坑底土體的回彈,大大減小了土體的隆起?；邮┕み^程中,尤其是雙基坑平行同步開挖應(yīng)遵循限時的原則,減少各施工節(jié)點時基坑無支撐、少支撐的暴露時間,并及時架設(shè)支撐與澆筑底板。