武漢粉砂地層深基坑開挖對既有盾構隧道影響分析

李忠超,王超哲,楊 新,吳 進,4,梁榮柱*,程 康,吳文兵

(1.武漢市市政建設集團有限公司， 湖北 武漢 430023； 2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074； 3.武漢城市建設集團有限公司， 湖北 武漢 430022； 4.武漢地鐵集團有限公司， 湖北 武漢 430079； 5.中鐵十一局集團有限公司， 湖北 武漢 430061)

緊鄰在服役地鐵盾構隧道的深基坑開挖將會引起鄰近土體卸載和地層變形，可能會引發隧道結構的一系列病害，如管片開裂、接縫滲漏水、不均勻位移等，嚴重影響了地鐵隧道結構的完整性，極大地威脅著軌道列車的運營安全。如：我國某一盾構隧道區間因鄰近基坑開挖導致襯砌結構開裂、軌道脫開，部分管片損毀嚴重，縱向不均勻沉降明顯[1]；緊靠寧波地鐵1號線某區間一大型深基坑開挖導致左線盾構隧道發生超過35 mm的水平位移，管片局部出現明顯的裂縫和滲漏，嚴重影響了地鐵的安全運行[2-3]；南京漫灘地層一個深基坑開挖誘發緊鄰地鐵盾構隧道發生超過40 mm的沉降，管片變形發展劇烈，最終導致基坑開挖影響范圍內管片發生裂縫及滲漏、結構壓損和道床脫離等病害[4]。

我國近年來深基坑開挖導致緊鄰地鐵隧道破壞的案例呈現高發態勢。2004年至2011年間在上海盾構隧道結構人為造成破壞的事故中，每11起事故就有3起是由于鄰近基坑開挖所致[5]。在廣州，據不完全統計，2010年地鐵鄰近深基坑工程多達31項[6]。因此，探明基坑開挖對臨近既有地鐵隧道變形破壞的影響，合理評估深基坑開挖下在役盾構隧道的結構安全性，是目前城市巖土工程面臨的較為緊迫的研究課題之一。

國內外諸多學者針對緊鄰深基坑開挖下既有盾構隧道結構響應進行了相關研究。如Liang等[7]對上海軟土地層一超大基坑分區開挖對鄰近地鐵車站和地鐵盾構隧道的影響進行了研究，指出由于基坑開挖卸載作用導致車站發生隆起位移，而地鐵隧道發生沉降變形，兩者結合部處的盾構隧道將會發生較大的不均勻沉降，是最薄弱部位；傅志峰等[8]分析了武漢市華中科創產業園基坑工程對鄰近既有地鐵隧道變形的影響，指出隔離樁靠近隧道或靠近基坑布置，在一定程度上能抵抗基坑開挖引發的隧道位移；Tan等[9]對緊鄰蘇州1號線盾構隧道深基坑開挖工程案例進行了研究，指出基坑開挖卸載作用使得墻后土壓力從靜止狀態向主動狀態轉化，導致管片發生收斂變形；Liu等[10]對上海市緊鄰地鐵車站和地鐵隧道的大面積基坑開挖進行了研究，指出基坑開挖卸載作用引起了盾構隧道沉降變形；Chen等[2]依托寧波地鐵1號線緊鄰深基坑工程，建立了基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形影響的三維有限元模型；Bian等[11]對寧波地鐵2號線某地鐵區間深基坑開挖項目進行了三維數值模擬，指出管片的開裂變形主要是由于過大的縱向變形所致；Liu等[12]通過建立三維數值模型對南京粉土地層超大深基坑開挖對鄰近南京地鐵2號線盾構隧道變形的影響進行了研究，指出深大基坑開挖誘發管片較大水平變位，導致管片開裂和滲水等不良病害；孫琳等[13]依托深圳前海某基坑項目建立了基坑三維有限元模型,考慮了基坑降水對周邊地鐵隧道變形的影響;Ng等[14]通過離心模型試驗分析了干砂地基中地下室開挖對既有隧道變形的影響，指出既有隧道位于基坑側方會導致隧道的沉降變形；Huang等[15]通過一系列離心試驗研究了深基坑開挖對既有延安東路隧道變形的影響；Liang等[16]將盾構隧道簡化為Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁模型，提出了可考慮隧道埋深的地基基床系數計算方法；徐日慶等[17]進一步將盾構隧道簡化為Pasternak地基上的Timoshenko梁模型，提出了考慮隧道剪切變形的簡化計算方法。

綜上研究發現，目前對于緊鄰深基坑開挖作用下既有服役盾構隧道結構響應的研究，主要以我國華東軟黏土地區(如上海、杭州、寧波、蘇州、南京等)的相關研究為主，而湖北武漢主城區屬于長江Ⅰ級階地地貌，地鐵隧道基本埋置于粉細砂、粉砂地層中，但目前關于武漢地區深大基坑施工對既有地鐵線路變形的影響研究鮮見報導，相關施工經驗極為缺乏，難以為武漢市地鐵隧道安全運營與合理評估提供相應的經驗支持。

為此，本文以緊鄰武漢粉砂地層某地鐵區間盾構隧道的大型商業綜合體項目深基坑開挖工程為依托，為了探明在深大基坑施工過程中鄰近地鐵盾構隧道的變形規律，在基坑施工全過程對鄰近地鐵隧道進行為期1 000 d的長期實時自動化監測，分析了影響鄰近盾構隧道變形的主要因素，研究了基坑開挖施工引起的管片裂縫發展特點。該研究可為武漢市地鐵隧道結構評估和保護提供數據支持。

1 工程概況與工程地質條件

1. 1 工程概況

武漢市某大型商業綜合體項目深基坑開挖工程緊鄰在運營地鐵區間施工，基坑與地鐵隧道的平面位置關系如圖1所示。區間隧道為雙線圓形盾構隧道，在基坑開挖范圍內，左線隧道與右線隧道在平面上走向大致平行，兩者凈距為10 m；左線隧道和右線隧道結構外輪廓到基坑圍護結構的最小水平距離分別為18.5 m和34.7 m。基坑與地鐵隧道的剖面位置關系如圖2所示。該區間雙線盾構隧道采用盾構法施工，隧道外徑為6.2 m，襯砌厚度為350 mm，管片寬度為1.5 m，每一環襯砌結構由6環C50鋼筋混凝土管片拼接而成，相鄰環通過錯縫拼裝連接，管片環面不設榫槽。基坑開挖寬度范圍內隧道頂埋深約為12.5～15.5 m，隧道底部至地表深度約為18.7～21.7 m。臨近該基坑的地鐵隧道影響里程范圍為DK8+918.6～DK9+353.6，大致對應環號為0至290環。

圖1 基坑與地鐵隧道的平面位置關系Fig.1 Site plane of the foundation pit and metro tunnels

圖2 基坑與地鐵隧道的剖面位置關系(單位：m)Fig.2 Section position relationship between the foundation pit and the metro tunnels(unit:m)

該大型商業綜合體項目深基坑位于右線隧道東南側，基坑開挖區域類似梯形形狀，基坑沿隧道方向長度約為340 m，基坑開挖面積約為63 428 m2，圍護結構周長約為1 076 m，地下室共4層，基坑深度在地表下19.60～21.1 m之間，可見基坑開挖深度與隧道底部埋深基本持平。為了減少基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形的影響，基坑圍護結構采用“地下連續墻+3道鋼筋混凝土內支撐”形式支擋側向水土壓力，控制基坑開挖引起的地層變形。基坑圍護結構平面布置及剖面形式見圖1和圖2。地下連續墻厚為1 m，深度為50 m，混凝土等級為C35，地下連續墻的插入比約為2.0。為了減少地下連續墻開槽施工過程引起的地層變形，采用Φ850@600三軸攪拌樁進行槽壁加固，坑外坑內加固深度分別為26 m和24 m。3道鋼筋混凝土內支撐采用C40混凝土澆筑，其截面尺寸(高×寬)由上而下分別為900 mm×800 mm，1 300 mm×1 000 mm和1 400 mm×1 100 mm。

1. 2 工程地質條件

該項目所在場地地勢相對平緩，地貌上屬于長江Ⅰ級階地，施工范圍內除表層分布有厚度不均的①雜填土外，其下分別為第四系全新統沖積成因②粉質黏土、③粉質黏土與粉土及粉砂互層、④1粉砂、④2粉細砂、④3細砂、⑤1含礫細砂、⑤2含礫及卵石中粗砂、⑥1強風化泥質砂巖、⑥2中風化泥質砂巖。場地范圍內典型地層剖面如圖2所示。場地內地下水水位埋深于地表下0.50～2.60 m之間，承壓水層主要賦存于③粉質黏土與粉土及粉砂互層、④1粉砂、④2粉細砂、④3細砂、⑤1含礫細砂和⑤2含礫及卵石中粗砂中，由于②粉質黏土的阻隔，承壓水與場地內的地表水和上層滯水基本無水力聯系，但是與3 km外的長江有水力聯系。勘察期間測得承壓水水位穩定埋深約為4.5 m。場地內土層的基本物理力學參數，見表1。

表1 場地內土層基本物理力學參數

1. 3 既有盾構隧道監測方案

為了監控基坑開挖對處于運營狀態地鐵隧道變形的影響，該項目制定了詳細的實時自動化監測方案，主要監測在基坑開挖過程中地鐵隧道的沉降和水平位移發展情況。圖3為雙線地鐵盾構隧道自動化監測斷面布置圖。右線盾構隧道共布設65個自動化監測斷面，從14～48環，每8環布設一個監測斷面，兩個監測斷面之間的距離為12 m，其中Y14為第一個監測斷面，Y299為最后一個監測斷面。從48～79環，加密布設監測斷面，每5環設置一個監測斷面，兩個監測斷面之間的距離為7.5 m；從84～299環，為基坑開挖主要的影響范圍，對監測斷面進一步加密，每4環布設一個監測斷面，兩個監測斷面之間的距離為6.0 m。考慮到左線盾構隧道受到基坑開挖的影響相對較小，因此左線盾構隧道僅布設45個監測斷面，采用均勻布置方式設置監測斷面，每6環設置一個監測斷面，兩個監測斷面之間的距離為9 m，其中Z20為第一個監測斷面，Z284為最后一個監測斷面。

圖3 雙線地鐵盾構隧道自動化監測斷面布置圖Fig.3 Plan layout of metro tunnel automatic monitoring sections

2 監測結果分析

2. 1 隧道豎向位移分析

圖4給出了基坑開挖各階段雙線盾構隧道代表性測點豎向位移Sv隨基坑施工時間的變化曲線。圖4(a)右線隧道代表性測點中，測點Y14、Y95代表基坑開挖影響區左側系列測點；測點Y167、Y199代表基坑開挖影響區中間系列測點；測點Y235、Y287代表基坑開挖影響區右側系列測點。位移正值表示隆起，位移負值表示沉降。

圖4 基坑開挖各階段雙線盾構隧道代表性測點豎向 位移Sv的時程曲線Fig.4 Development curves of vertical displacements Sv of representative monitoring points in twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖4可見，結合基坑施工的具體情況，可將既有盾構隧道變形的發展歷程劃分為以下4個階段：

(1) 階段Ⅰ：該階段主要為基坑開挖階段，歷時約為7個月。在此階段，基坑開挖按照從遠而近(相對地鐵隧道)、由淺而深的開挖順序進行推進，三道支撐及時施作，盡可能減少施工對既有盾構隧道的擾動影響。隨著基坑開挖的進行，隧道沉降迅速發展，可見基坑開挖階段是隧道沉降的主要來源；在基坑開挖結束時，基坑范圍中部的隧道測點沉降大于基坑范圍外部的隧道測點沉降。這主要是由于基坑卸荷改變了地層的應力狀態，引起基坑圍護結構側向撓度和地層沉降，從而導致坑外地鐵隧道發生沉降。

(2) 階段Ⅱ：該階段為基坑底板、中板和頂板結構施工階段，施工歷時7個月。在此階段，隧道沉降趨于穩定，雖略有波動，但并沒有進一步發展。這主要是由于在此階段中，基坑底板、中板和頂板的澆筑使得基坑圍護剛度進一步增大，限制了墻后土體的進一步沉降，此時地層處于相對穩定的狀態，因此不會誘發隧道沉降發展。

(3) 階段Ⅲ：該階段為基坑上部主體結構施工階段，施工歷時4個月。在此階段，基坑開挖業已完成，進行上部主體結構施工，隧道各個監測點顯示隧道發生了明顯的隆起變形。這主要是由于該項目為大型商業綜合體工程，上部主體結構體量較大，荷載重量較大，結構荷載通過下部基礎逐步傳遞至基坑底部地層，增加了地層的附加應力，而基坑下部新增應力向兩側傳遞，進一步打破了既有地層的應力場，導致基坑周圍土體和隧道發生隆起。

(4) 階段Ⅳ：該階段為商業綜合體室內裝修階段。在此階段，隧道各個監測點沉降位移略有波動，但是基本沒有進一步發展的趨勢。這主要是由于在階段Ⅲ施工結束后，地層應力場逐步進入一個新的平衡狀態，隧道-周圍地層體系逐步穩定，隧道的變形基本穩定。

基坑開挖對既有盾構隧道變形的影響具有明顯的時空效應，其中隧道越靠近基坑開挖區中部，受到基坑開挖卸荷作用的影響越大，隧道的變形也越大，如測點Y167、Y199；反之，隧道越遠離基坑開挖區中部，受到基坑開挖卸荷作用的影響越小，隧道的變形也越小，如測點Y14、Y287。但隧道變形的大小也與圍護結構的支撐位置和支護剛度有關。

圖5(a)和(b)分別為基坑開挖各階段引起的右線和左線隧道豎向位移Sv的變化曲線。由于右線和左線隧道沉降規律基本一致，因此本文主要對右線隧道豎向位移進行分析。

圖5 基坑開挖各階段雙線盾構隧道豎向位移Sv的 變化曲線Fig.5 Variation curves of vertical displacements Sv of twin shiel tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖5(a)可見：在階段Ⅰ，當基坑開挖到設計深度時，隧道發生了明顯的沉降，其沉降曲線呈現類似“U”形模式，基坑開挖寬度中部附近引起的沉降量較大，向兩側逐步減小，最大沉降量約為7.1 mm，隧道沉降范圍與基坑開挖寬度范圍基本一致；在階段Ⅱ，總體上隧道沉降變形基本穩定，沉降變形不再發展，這是由于基坑結構施作增強了圍護結構的支護剛度，從而限制了墻后土體沉降的發展，但值得注意的是，在距離Y14測點45～111 m范圍內(基坑西北角范圍內)，隧道出現了局部明顯的沉降，這是因為過早拆除了西北角第二道支撐，此時基坑中板混凝土尚未到達設計強度，導致基坑西北角支護剛度不足引起了隧道的沉降變形；在階段Ⅲ，隧道沉降曲線主要圍繞階段Ⅱ沉降曲線表現出明顯的上下波動，這是由于基坑上部主體結構施工引起的地基側向荷載不均勻所致；在階段Ⅳ，除局部測點外，隧道整體沉降增量較小，隧道結構沉降變形基本穩定。

此外，由圖5還可以發現，左線隧道沉降的變化規律與右線隧道基本一致，但其沉降值整體上小于右線隧道沉降值，這是因為左線隧道距離基坑位置相對較遠，因而其受到基坑開挖和上部施工的影響較小。

2. 2 隧道水平位移分析

圖6給出了基坑開挖各階段雙線盾構隧道代表性測點水平位移Sh隨基坑施工時間的變化曲線。圖6(a)右線隧道代表性測點中，測點Y14、Y22代表基坑開挖影響區左側系列測點；測點Y119、Y143代表基坑開挖影響區中間系列測點；測點Y235代表基坑開挖影響區右側系列測點。位移為負值表示朝向基坑內移動，位移為正值表示朝向基坑外移動。

圖6 基坑開挖各階段雙線盾構隧道代表性測點水平 位移Sh的時程曲線Fig.6 Development of horizontal displacements Sh of representative monitoring points in twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖6可見，在基坑開挖的全過程中，既有盾構隧道受到基坑施工的影響，主要發生朝向基坑內的水平位移。與盾構隧道豎向位移一樣，其水平位移發展歷程也可劃分為以下4個階段：

(1) 階段Ⅰ：該階段主要為基坑開挖階段。在此階段隨著基坑開挖深度的增加，隧道水平位移迅速發展，隧道的水平位移主要來源于這個階段，這是因為基坑開挖卸載作用引起了基坑圍護結構發生撓曲變形，使其產生朝向基坑內的移動，此時原本處于靜止平衡狀態的墻后土壓力由于卸載作用，逐步趨向于主動狀態土壓力，地層的應力平衡被打破，使周圍土體對襯砌結構的限制作用被削弱，由于隧道兩側不平衡的土壓力作用，導致隧道朝向基坑內移動。

(2) 階段Ⅱ：該階段為基坑已開挖至預定深度，主要進行基坑底板、中板和頂板等結構施工。在此階段，盡管隧道各個測點水平位移略有波動，但是整體上隧道的水平位移并無進一步發展的趨勢，隧道各個測點水平位移相對穩定，這是由于基坑結構施作增強了圍護結構的側向支護剛度，從而限制了土體朝向坑內發展，此時隧道與周圍地層處于一個相對平衡的狀態，因此隧道水平位移不再發展。

(3) 階段Ⅲ：該階段基坑開挖已完成，主要進行基坑上部主體結構施工。在此階段，隨著基坑上部主體結構施工，結構荷載隨著施工的進行不斷增加，結構荷載通過地下結構傳遞至基坑底部，在基坑底板及群樁基礎產生較大的附加荷載，使地層的應力場再次發生改變，從而引起兩側土體向外“擠出”，導致隧道朝向基坑外移動。

(4) 在階段Ⅳ：該階段基坑上部主體結構完成，主要進行商業綜合體室內裝修。在此階段，盡管隧道部分測點水平位移有增加或減少的波動，但是總體上看，隧道整體基本處于穩定的狀態，水平位移發展趨勢不明顯，這是由于基坑上部主體結構施工結束后，地層應力達到了一個新的平衡，隧道-周圍地層體系逐步穩定，隧道水平位移基本穩定。

圖7給出了基坑開挖各階段雙線盾構隧道豎向位移Sv與水平位移Sh的對比。

圖7 基坑開挖各階段雙線盾構隧道豎向位移Sv與水平 位移Sh的對比Fig.7 Comparison between vertical displacement Sv and horizontal displacement Sh of twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖7可見：基坑整個施工階段隧道豎向位移與水平位移的發展趨勢相同，基坑開挖引起的隧道豎向位移與水平位移具有一定的相關關系，隧道在發生了較大的豎向位移的同時伴隨著產生了較大的水平位移。

圖8給出了基坑開挖各階段右線和左線盾構隧道水平位移Sh的變化曲線。

圖8 基坑開挖各階段雙線盾構隧道水平位移Sh的 變化曲線Fig.8 Variation curves of horizontal displacements Sh of twin shield tunnels during each stage of foundation pit excavation

由圖8可見：當基坑開挖到設計深度時(階段Ⅰ)，右線隧道朝向基坑內發生水平位移，水平位移曲線類似“U”形模式，呈現基坑中部水平位移較大而向兩側逐步減小的趨勢，最大水平位移達到7.5 mm，隧道變形在規范限定的10 mm變形范圍內[18],該水平位移變形模式主要是基坑中部卸載效應較大所致；當基坑底板、中板和頂板施工完成后(階段Ⅱ)，除基坑西北角出現較大的水平位移外，右線隧道的變形基本與階段Ⅰ一致，這是由于中板混凝土齡期尚未到達設計強度而過早拆除基坑西北角支撐，導致了該區域范圍內側向支撐強度下降，從而引起隧道的局部水平變形，上文也發現支撐過早拆除引起隧道豎向位移的增加[見圖5(a)]；在基坑上部主體結構施工(階段Ⅲ)和室內裝修(階段Ⅳ)期間，隧道的水平位移局部區域出現了振蕩型變化，但是這兩個階段隧道水平位移的變化趨勢基本與階段Ⅰ、Ⅱ一致。

此外，左線隧道水平位移的變化趨勢與右線隧道基本一致，但是在階段Ⅰ和Ⅱ期間其最大水平位移僅為3 mm，明顯小于右線隧道。

3 隧道管片裂縫分布

在基坑開挖及上部主體結構完成后，隧道的沉降和水平位移均在10 mm范圍內[18]，滿足規范對隧道縱向變形的要求，但是對雙線盾構隧道內部襯砌結構進行健康巡查發現，管片依然出現了大量的裂縫，這是由于在基坑開挖前，既有隧道一直處于變形發展階段，隧道的襯砌結構安全本身處于“亞健康”狀態，且在基坑開挖擾動下，隧道內部襯砌結構的管片裂縫得到了進一步發展和擴展。

表2為雙線盾構隧道內部襯砌結構的管片裂縫分布統計。

表2 雙線盾構隧道內部襯砌結構的管片裂縫分布統計

由表2可知，從數量上而言，右線隧道巡查發現的管片滲漏水及裂縫數量遠大于左線隧道，且寬度在0.20～0.50 mm范圍內的管片裂縫主要出現在右線隧道。

圖9給出了沿雙線盾構隧道縱向方向的管片裂縫分布圖。

圖9 沿雙線盾構隧道縱向方向的管片裂縫分布圖Fig.9 Distribution of cracks in segmental linings along longitudinal direction of the twin shield tunnels

由圖9可見，沿雙線盾構隧道縱向方向的管片裂縫在基坑開挖范圍內均有分布，右線隧道管片裂縫的分布密集程度大于左線隧道，且靠近基坑東北角部位的管片裂縫密集程度略大于其他隧道區域，而此區域為隧道水平位移和豎向位移較大區域。可見，管片裂縫的發展與隧道水平位移、豎向位移密切相關。

圖10為雙線盾構隧道典型的管片表面裂縫分布特征。

圖10 雙線盾構隧道典型的管片表面裂縫分布特征Fig.10 Distribution of cracks on the typical segmental lining surface in the twin shield tunnels

由圖10可見，雙線盾構隧道管片裂縫的發展方向基本與隧道長度方向一致，管片裂縫相互平行，實測的管片表面裂縫寬度主要為0.20 mm左右，且裂縫并未貫穿管片的寬度，此類裂縫主要是由于管片環發生水平直徑增加，管片外表面受拉，而內表面受壓形成的壓縮性裂縫。

4 結 論

依托武漢市地鐵區間鄰近某大型商業綜合體深基坑工程，結合1 000 d的鄰近地鐵盾構隧道豎向位移和水平位移自動化監測結果，探究了在武漢粉砂地層中基坑施工全過程對鄰近盾構隧道變形的影響規律，并分析了隧道內部襯砌結構的管片裂縫分布特征，主要得到如下結論：

(1) 大型基坑開挖導致緊鄰盾構隧道發生沉降和朝向坑內的水平位移,結合基坑施工過程，盾構隧道的沉降和水平位移可以劃分為4個階段。

(2) 在階段Ⅰ，基坑施工引起的隧道縱向沉降和朝向坑內的水平位移曲線類似“U”形模式，基坑開挖中部范圍內的變形相對較大，最大沉降量和最大水平位移分別為7.1 mm和7.5 mm，均在右線隧道，且整個基坑施工階段隧道豎向位移與水平位移的發展趨勢相同，兩者變形具有一定的相關關系。

(3) 既有盾構隧道在緊鄰深基坑開挖施工作用下，引發了隧道內部襯砌結構的管片裂縫，靠近基坑一側的右線隧道的管片裂縫數量均大于遠離基坑的左線隧道；隧道的管片裂縫密集區域基本上與隧道較大沉降量和水平位移出現的區域相吻合。