既有盾構(gòu)隧道上方基坑群開挖順序優(yōu)化研究

衛(wèi) 軍，徐國元，劉啟清

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東廣珠城際軌道交通有限責(zé)任公司，廣東廣州 510335)

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，在城市中心區(qū)的盾構(gòu)隧道工程不可避免地會受到城市市政道路橋梁規(guī)劃及建設(shè)的限制，其中城市橋梁跨越既有盾構(gòu)隧道的情況時有發(fā)生。在既有盾構(gòu)隧道上進(jìn)行橋梁承臺基坑群開挖卸荷必然會擾動周圍土層，改變隧道位移場和應(yīng)力場，然而盾構(gòu)隧道的變形要求極其嚴(yán)格。目前已有不少學(xué)者對此類問題展開多方面的研究。吉茂杰等[1]通過研究分析實際工程，介紹了一種考慮時空效應(yīng)、控制基坑變形的新型施工工藝及保護(hù)隧道的具體實施方法，即按照“加固土體，小塊開挖，快速施工，信息管理”的指導(dǎo)方針，進(jìn)而有效地控制基坑變形，確保其下地鐵隧道的安全運行。王衛(wèi)東等[2]通過對實際施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬，分析了基坑開挖卸荷對下臥地鐵隧道的影響，提出了加固隧道周圍土體以及充分利用基坑開挖過程中的時空效應(yīng)等措施。王定軍等[3]通過建立三維模型對基坑施工過程進(jìn)行模擬，動態(tài)地分析了基坑開挖對地鐵隧道襯砌內(nèi)力及變形的影響，并提出了“分區(qū)、分時、分層、分塊”開挖以及采取高壓旋噴樁加固地基等施工對策。朱正峰等[4]研究了地基加固、分塊開挖等施工方案，來控制基坑施工對下方地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，指出基坑開挖過程遵循“分層、分步、對稱、平衡、限時”的原則對控制地鐵隧道變形的重要作用。

這些研究表明，基坑開挖會使下臥隧道產(chǎn)生隆起變形與不可忽視的自身變形，影響隧道的安全運行；特別是在軟土地區(qū)，基坑開挖對下臥已建隧道的影響更加明顯[5]，需要重點關(guān)注。因此在基坑群開挖的情況下，如何選擇合理的開挖順序，有效地控制開挖過程引起下臥盾構(gòu)隧道的位移變形及地表沉降是至關(guān)重要的[6-7]。本文運用有限元軟件MIDAS/GTS研究4種開挖順序?qū)ο屡P隧道的變形響應(yīng)，分析基坑群開挖的空間效應(yīng)對隧道隆起變形的影響[8-9]，確定最佳的開挖順序，分析基坑群開挖對地表沉降的影響。

1 工程概況

珠海市海琴橋主要跨越人工內(nèi)河，全長195 m，橋梁位于半徑1 160 m的圓曲線上(見圖1)，與廣珠城軌(機(jī)場延長線)隧道DK9+090—DK9+285段完全共線，下部樁基與城軌隧道水平方向最小凈距僅為5.1 m。橋梁共線段隧道采用C50混凝土管片襯砌的結(jié)構(gòu)形式、盾構(gòu)法施工。

圖1 基坑群平面位置

該橋在人工內(nèi)河范圍內(nèi)有6個主梁承臺，每個承臺基坑分別支護(hù)開挖，支護(hù)深度為8～9 m，支護(hù)形式采用“放坡卸載+拉森鋼板樁+鋼管內(nèi)撐+坑底水泥土噴粉樁”。頂口放坡1∶2，高度為1.4 m；鋼板樁圍堰支護(hù)，長度為15 m；圍堰內(nèi)設(shè)置2層內(nèi)支撐，標(biāo)高分別為-1.5，-4.0 m；在內(nèi)河河底范圍采用格構(gòu)狀水泥土噴粉樁處理，平均實樁長8 m。基坑外至圍堰內(nèi)地基采用水泥攪拌樁處理，樁長為8.5 m，為鋼板樁提供暗撐。

2 工程地質(zhì)條件

現(xiàn)場地勘資料表明，橋址區(qū)地層由人工填土層、第四系全新統(tǒng)海陸相交互沉積層和基巖組成。人工填土層經(jīng)過水泥攪拌樁處理形成復(fù)合地基；第四系土層呈西密東疏分布，各土層厚度分布不均；下伏基巖為燕山晚期花崗巖。巖土層從上到下依次為:①人工填土+水泥攪拌樁復(fù)合地基層，厚度為8.5 m；②淤泥層，厚度約17.7 m；③黏土層，厚度約23.9 m；④粗砂層，厚度約5.9 m；⑤砂質(zhì)性黏土層，厚度約5 m；⑥全風(fēng)化花崗巖，厚度約3.2 m；⑦強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，厚度約5.3 m；⑧中～微風(fēng)化花崗巖。各層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

橋址區(qū)的地下水分為2類:一類為賦存于第四系砂層中的孔隙潛水，其含水性好、透水性好；另一類為賦存于下伏基巖強(qiáng)～弱風(fēng)化帶中的裂隙水，賦存較小。場區(qū)地下水主要由降水及側(cè)向河流補(bǔ)給。

3 三維模型的建立

3.1 模型分析內(nèi)容

承臺基坑群開挖對周圍軟土體來說是一個基坑卸載過程，隨著開挖深度的增加卸載也逐漸加大，即產(chǎn)生一種空間效應(yīng)，卸載會使周圍軟土體產(chǎn)生位移變形，進(jìn)而使下臥盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生回彈反力，誘發(fā)隧道上隆。同時也引起鋼板樁在兩側(cè)水土壓力的作用下產(chǎn)生水平位移和由此產(chǎn)生的鋼板樁外側(cè)土體的位移，造成不同程度的地表沉降。因此，本文主要通過數(shù)值計算分析基坑群開挖對下臥隧道結(jié)構(gòu)及地表的影響，得出最佳的開挖順序。

3.2 計算假定

由于巖土材料各項性質(zhì)的復(fù)雜性，為了在一定精度范圍內(nèi)簡化計算，建模和計算過程中作了以下假定[10-12]:①巖土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，單元類型為混六面體單元；②各項材料均為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；③結(jié)構(gòu)體采用線彈性模型，單元類型為梁單元和板單元；④以地層、既有橋梁樁基、隧道和人工內(nèi)河水的自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力場；⑤不考慮土體與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相對位移，接觸設(shè)置界面單元，土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點位移耦合；⑥橋梁基樁與土之間設(shè)置相應(yīng)的摩擦接觸單元，樁底設(shè)置樁端單元。

3.3 建立模型

根據(jù)已有相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合工程實際，當(dāng)基坑外平面幾何尺寸取基坑開挖深度的3～5倍以上，豎直向取2～4倍以上時，邊界效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)很小[10]，因此土體計算模型的幾何尺寸在x，y，z分別為265，140，90 m，整個模型共16 671個單元，94 608個節(jié)點。整體有限元模型和橋梁承臺、樁基及盾構(gòu)隧道有限元模型如圖2所示。采用位移約束條件。地表面為自由面，模型四周約束法向水平方向位移，底面約束(x，y，z)3個方向位移，橋梁基樁約束豎向扭轉(zhuǎn)。

圖2 有限元模型

模型計算時，對于單個基坑采用分層開挖，逐層支護(hù)的方法，具體開挖施工模擬的施工步依次為:①初始滲流分析；②場地初始應(yīng)力分析；③施作橋梁樁基礎(chǔ)；④施作城軌盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)；⑤施作基坑鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)；⑥基坑降水至開挖面下 1 m；⑦基坑開挖至-2.1 m，第1道支撐體系施工；⑧基坑開挖至-6.1 m，第2道支撐體系施工，澆筑坑底墊層；⑨施作承臺，回填基坑并拆除支撐體系。

3.4 施工方案設(shè)置

本項目共有6個基坑，在對稱、分層、高效的開挖原則下，優(yōu)化基坑群開挖順序，主要采用4種方案來模擬基坑施工過程中不同開挖順序，如圖3所示。

方案1。2組順序式開挖，即在開挖過程中6個基坑分 2 組(0＃，2＃，4＃基坑為 A 組，1＃，3＃，5＃基坑為 B組)，由A組到B組的順序依次施工。

圖3 基坑群開挖方案示意

方案2。3組由兩側(cè)向中間開挖，即在開挖過程中6 個基坑分3 組(0＃，5＃基坑為 A 組，1＃，4＃基坑為 B 組，2＃，3＃基坑為C組)，由A組到B組再到C組的順序依次施工。

方案3。3組由中間向兩側(cè)式開挖。改變方案2的開挖順序，即由C組到B組再到A組的順序依次施工。

方案4。3組對稱間隔式開挖。改變方案2的開挖順序，即由B組到C組再到A組的順序依次施工。

4 計算結(jié)果分析

4.1 隧道豎向位移分析

考慮左右線隧道位置的對稱性，計算結(jié)果的相似性，觀測點均設(shè)置在基坑正下方的右線隧道管片上，如圖2(b)所示。4種不同基坑開挖方案下隧道結(jié)構(gòu)豎向位移隨施工步的影響曲線見圖4。

圖4 各方案隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

由圖4可知:方案1中，6個基坑分2組交錯開挖時，引起隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為9.69 mm，出現(xiàn)在1＃基坑正下方。由于1＃基坑呈十字形，開挖面積較其他基坑大，且沿隧道方向開挖寬度大。說明基坑群中面積較大的基坑開挖對下臥隧道的影響較明顯，施工中需要重點關(guān)注。方案2，3，4中，6個基坑分為3組對稱開挖時，隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移曲線趨勢一致，其中方案4(對稱間隔式開挖)在1＃基坑正下方出現(xiàn)的隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移最小，為6.82 mm，比方案1中減少了2.87 mm。這是由于1＃和4＃基坑間距大，相互影響小。當(dāng)承臺施作后，其他基坑開挖對其影響不大。相比方案 2、方案 3，0＃或 2＃基坑先開挖時，會引起相鄰的 1＃基坑周圍土體的松動，造成位移場變化，由此當(dāng)1＃基坑開挖時，引起的隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移必然加大。說明基坑群中面積較大的基坑應(yīng)當(dāng)?shù)?步開挖，重點做好支護(hù)措施。

以1＃基坑為例，進(jìn)一步比較4種方案下隧道豎向位移受基坑開挖深度的影響，可以得出:采取任意一種開挖順序，隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，且承臺施作后，豎向位移明顯減少。說明盾構(gòu)隧道上方基坑施工對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的最大影響在基坑開挖至基坑底部時。

4.2 周圍地層沉降位移分析

為了保證后續(xù)橋梁上部結(jié)構(gòu)滿堂支架法的安全施工，必須對基坑開挖過程中地表沉降進(jìn)行嚴(yán)格控制。在數(shù)值計算過程中，對地表沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)提取并繪制施工過程中地表最大沉降曲線，見圖5。

圖5 施工過程中地表最大沉降曲線

由圖5可知:地表沉降隨基坑開挖深度的增加逐漸變大，在承臺施作后，沉降又稍微變小。這是因為施作承臺后等效在基坑底部施加豎向荷載，引起基坑周圍土體應(yīng)力場發(fā)生變化，導(dǎo)致沉降減小。4種方案中，方案4在每個施工步產(chǎn)生的沉降基本都較小，造成的地表最大沉降為7.27 mm。

與此同時，在地表相鄰兩基坑的中間位置及兩端基坑的外側(cè)對稱位置設(shè)觀測點，從左至右共7個觀測點，得到地表不同位置的沉降曲線，見圖6。

由圖6可知:4種施工方案中均在2＃觀測點(0＃和1＃基坑中間處地表)處造成的地表沉降最大，0＃和5＃基坑外側(cè)的地表沉降隨距離變遠(yuǎn)而逐漸減小。這是由于0＃和1＃基坑之間距離較近，開挖過程中對中間土體影響最大。方案4在地表不同位置產(chǎn)生的沉降均最小，說明基坑群中對稱間隔開挖可以適當(dāng)減少地表沉降。

圖6 地表不同位置沉降曲線

5 結(jié)語

1)通過數(shù)值計算分析，盾構(gòu)隧道豎向位移的最小值為6.82 mm，地表沉降的最小值為7.27 mm，對應(yīng)方案4分3組對稱間隔式開挖。4種施工方案中的盾構(gòu)隧道豎向位移均滿足軌道交通控制要求。從更好地保護(hù)盾構(gòu)隧道安全方面考慮，方案4為最優(yōu)施工方案。

2)基坑群中面積較大的基坑其開挖影響較大，而方案4中第1步先開挖面積較大的基坑并重點做好支護(hù)措施，再依次開挖其他基坑，可以有效減少盾構(gòu)隧道的豎向位移，保證隧道安全運營。

3)在基坑群施工過程中，基坑開挖完立即施作墊層再適時澆筑承臺，既可以減少地表沉降，又能有效控制盾構(gòu)隧道的豎向位移。