暗挖通道與深基坑交叉施工對地鐵影響的研究

王慧穎

(江西省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊，江西 九江 332000)

近些年來，隨著城市人口密度的提高和城市化進程的加速，城市地下工程與地鐵隧道在空間上的聯(lián)系越來越緊密，運營地鐵和建筑物地下室之間連通的情況越來越普遍[1]。通常與地鐵連接的水平通道采用淺埋暗挖法，豎向通道采用明挖法，二者開挖疊加產(chǎn)生的時空效應(yīng)將對既有的地鐵隧道產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力和造成形變等影響。當前，現(xiàn)有地鐵隧道的變形是由于臨近的暗挖通道與深基坑開挖對其產(chǎn)生影響的相關(guān)研究尚不多見[2]。

為保證地鐵隧道正常安全通行，相應(yīng)的規(guī)范要求在國家級各省市均已出臺，對隧道因外部施工產(chǎn)生的變形提出了更高標準的要求。如：DBJ/T 15-120—2017廣東省城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護技術(shù)規(guī)范[3]提出的城市軌道交通結(jié)構(gòu)隧道的水平位移及豎向位移安全控制值不得大于15 mm，深圳市《軌道交通運營安全保護區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法(2021年版)》[4]要求車站及隧道結(jié)構(gòu)水平和豎向位移不得超過10 mm,GB 50911—2013城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[5]則要求隧道結(jié)構(gòu)沉降控制在3 mm～10 mm、隧道結(jié)構(gòu)上浮控制在5 mm、隧道結(jié)構(gòu)水平位移控制在3 mm～5 mm。以上規(guī)范辦法對于預(yù)先假設(shè)工況后建模計算得到的隧道變形程度以及針對隧道不同情況的變形進行有效防護提出了更高質(zhì)量的要求。

內(nèi)容依托深圳地鐵1號線某車站改擴建連接通道工程，采用有限元模擬分析方法，分析水平暗挖連接通道和深基坑交叉施工對既有地鐵隧道的變形影響，為類似地下工程提供經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 新建連接通道工程

此工程分為兩部分，如圖1所示。

1)A出入口連接通道改擴建工程：在A出入口通道的基礎(chǔ)上向西拓寬，新建一條長約30 m，凈寬5.1 m的通道。埋深約4.5 m，改擴建段與隧道邊線最小的水平凈距離僅為3.3 m。改擴建通道采用與原出入口相似的斷面形式，將初期支護搭接在既有通道初期支護上，二次襯砌與既有通道二次襯砌緊貼形成如圖2所示的“雙連拱”形式的結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)受力的合理性并減少對既有出入口的影響。

2)新建連接通道工程：位于北側(cè)地下1層商業(yè)和南側(cè)地鐵A出入口之間。明挖深度9.8 m～11.2 m，開挖面積約502 m2，周長約52 m，新建段深基坑與隧道邊線最小距離為30.6 m。采用咬合樁+混凝土內(nèi)撐作為圍護結(jié)構(gòu)，其中基坑南側(cè)的支護樁與原A出入口的共用，支護樁φ1.2 m@2.0 m，外側(cè)打一排φ0.6 m@0.4 m雙管旋噴樁止水。

1.2 場地地質(zhì)條件

原始場地地貌為剝蝕殘積的丘陵地貌，現(xiàn)狀地形是經(jīng)過人工先開挖后整平而成，平坦而開闊。新建連接通道所處地層自上而下按順序排列：①第四系人工填土層,②第四系沖洪積砂土層,③第四系殘積層,④基巖層。其中改擴建工程主要存在于②礫砂層中，新建段基坑主要存在于①雜填土、②礫砂、③礫質(zhì)黏性土層中，各個巖土層的主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土層主要物理力學參數(shù)表

2 交叉施工影響分析

2.1 計算假定

1)基坑施工的計算為三維空間有限元問題。2)修正摩爾-庫侖模型被采用在本次巖土體本構(gòu)模型中。3)結(jié)構(gòu)體均采用線彈性材料模型。4)計算工程中將咬合樁和鉆孔灌注樁剛度等效為地連墻。5)模型土層選取最不利勘察孔，各土層分界面均假定為水平面。

2.2 計算模型

基于暗挖通道與深基坑交叉施工，為盡可能減少施工開挖對運營地鐵隧道的擾動，須對暗挖通道和深基坑的施工順序進行對比分析，確定合理施工順序。

建模時將X方向由基坑外緣擴至3倍基坑深度，Y方向擴至地鐵埋深3倍以上，豎向深度選取至強風化土層以下至少1倍基坑深度。因此計算的三維模型取40 m高度，100 m寬度,單元共計約11.2萬個，如圖3所示。

土體材料參數(shù)詳見表2。模型頂面邊界自由零約束，底部施加X，Y，Z(豎向、水平和縱向)約束，左右前后邊界分別施加X(水平)和Y(縱向)約束。模型計算中涉及到的主要荷載含有各個土層、建(構(gòu))筑物的重力。對模型水平位移和底部的豎向位移進行約束。

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

2.3 工況分析

暗挖通道最頂端與既有地鐵隧道襯砌外壁距離僅3.3 m，其超前注漿的范圍與開挖進尺的長度決定了地鐵隧道變形的程度；隧道拱頂以上的深基坑開挖，會使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平變形和拱頂隆起。為分析二者單獨以及不同施工順序下對地鐵隧道產(chǎn)生的變形影響，設(shè)置兩種不同工況的數(shù)值模型進行研究，其施工工況如表3所示。

表3 數(shù)值模型不同工況

模型1：新建連接通道深基坑先施工，擴建暗挖通道后施工。

模型2：擴建暗挖通道先施工，新建連接通道深基坑后施工。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 地鐵隧道豎向位移對比分析

1)先深基坑明挖后鄰近通道暗挖。

通過有限元計算，分別得到模型1深基坑開挖完成時和暗挖通道完成時的隧道沉降云圖，如圖4所示。a.深基坑完成時，左線隧道(遠離基坑側(cè))拱頂最大下沉0.21 mm，右線隧道(靠近基坑側(cè))拱頂隆起0.42 mm。b.暗挖通道完成時，左線隧道拱頂最大下沉0.32 mm，右線隧道拱頂隆起1.21 mm。同時，隆起發(fā)生最大變形的位置位于鄰近暗挖通道處。地鐵隧道的總豎向位移中35%是由深基坑開挖引起的，余下的65%是由暗挖通道開挖引起的。由此推斷，占比較小的是由基坑的開挖造成的隧道變形，靠近開挖側(cè)的隧道更易隆起。

2)先鄰近通道暗挖后深基坑明挖。

模型2地鐵隧道位移云圖如圖5所示，優(yōu)先施工鄰近暗挖通道，隨后施工深基坑。a.暗挖通道完成時，左線隧道(遠離基坑側(cè))拱頂最大下沉為0.05 mm，右線隧道(靠近基坑側(cè))則拱頂隆起0.56 mm。b.深基坑完成時，左線隧道拱頂?shù)淖畲笙鲁翞?.33 mm，右線隧道則拱頂隆起0.67 mm，隆起發(fā)生最大變形的位置也位于鄰近暗挖通道處。地鐵隧道的總豎向位移中的83.5%是由暗挖通道開挖引起的，余下的16.5%是由深基坑開挖引起的。

提取通道暗挖及深基坑明挖左右線隧道各個拱頂節(jié)點的豎向位移數(shù)據(jù)，沿隧道縱向提取兩個模型的拱頂豎向位移量作進一步的比較和分析，如圖6所示。

根據(jù)經(jīng)驗與相關(guān)研究，不同的基坑開挖深度，鄰近隧道有可能會出現(xiàn)沉降形變或是隆起形變。究其原因：一是與隧道頂部與基坑坑底之間距離有關(guān)；二是與基坑凈距有關(guān)。隧道頂部與基坑底部豎向距離越短，基坑開挖卸荷對隧道結(jié)構(gòu)造成的擾動效果就越大，所以地鐵靠基坑側(cè)的右線隧道拱頂呈隆起趨勢，而與之相隔15 m的左線隧道基本上在基坑開挖的影響范圍之外[6],拱頂沉降數(shù)據(jù)差異相對較小，故暗挖通道開挖是地鐵隧道產(chǎn)生沉降的主要因素。

2.4.2 地鐵隧道水平位移對比分析

1)先深基坑明挖后鄰近通道暗挖。

模型1深基坑開挖完成時和暗挖通道完成時的隧道水平位移云圖如圖7所示。深基坑完成時，左線隧道水平位移最大值為0.79 mm，右線隧道水平位移最大值為2.09 mm；暗挖通道完成時，左線隧道水平位移最大值為1.02 mm，右線隧道水平位移最大值為2.71 mm，且水平發(fā)生最大變形的位置均位于暗挖通道處。深基坑開挖地鐵隧道產(chǎn)生的水平位移占總水平位移的77%，而暗挖通道開挖占比為23%。由此可見，基坑開挖產(chǎn)生的土體變形是影響地鐵隧道水平位移的決定性因素。

2)先鄰近通道暗挖后深基坑明挖。

模型2深基坑開挖完成時和暗挖通道完成時的隧道水平位移云圖如圖8所示。暗挖通道完成時，左線隧道水平位移最大值為0.18 mm，右線隧道水平位移最大值為0.49 mm；深基坑完成時，左線隧道水平位移最大值為1.0 mm，右線隧道水平位移最大值為2.56 mm，且水平發(fā)生最大變形的位置均位于暗挖通道處。暗挖通道開挖地鐵隧道產(chǎn)生的水平位移占總水平位移的19%，而深基坑占比為81%。由此可見，地鐵隧道產(chǎn)生水平位移的主控因素為深基坑明挖。

分析通道暗挖及深基坑明挖左右線隧道拱腰處的水平位移，沿隧道縱向提取兩個模型的水平位移值進行對比分析，如圖9所示。

由圖9可知，模型1與模型2的水平位移最大值基本上一致，因此暗挖通道施工和深基坑施工的先后順序?qū)λ淼浪轿灰频挠绊懖⒉淮螅溆绊懽畲笠蛩貫榛娱_挖的深度。而左右線隧道水平位移值均大于拱頂沉降值，這是因為隧道位于基坑側(cè)方，基坑土方開挖將釋放土體應(yīng)力，基坑支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向坑內(nèi)的水平位移，導致隧道靠近基坑一側(cè)的水平側(cè)向壓力減小，使隧道受到一個向坑內(nèi)的水平附加力，進而使隧道產(chǎn)生向坑內(nèi)的水平位移，而暗挖通道施工經(jīng)過管超前、嚴注漿、短開挖、強支護等手段可以大大減弱其施工對正在運營地鐵隧道的影響。

3 對既有隧道變形影響的控制方法

根據(jù)分析結(jié)果，隧道結(jié)構(gòu)拱頂位移主要由暗挖通道開挖決定，隧道結(jié)構(gòu)水平位移主要由側(cè)向基坑開挖決定。雖然隧道結(jié)構(gòu)的拱頂隆起及水平位移均滿足相關(guān)要求，但這是因為隧道結(jié)構(gòu)主要在側(cè)向基坑的微弱影響區(qū)內(nèi)[7]，如果出現(xiàn)超前支護不及時、基坑超挖或支護結(jié)構(gòu)水平位移較大等情況，需進一步提出控制隧道變形的方法。

1)暗挖通道使用“新意法”施工工藝。新意法通過全斷面超前注漿不僅能夠釋放超前核心土上的超限應(yīng)力，還能提高圍巖的承載能力[8]。這樣便可采用大型機械進行全斷面開挖，不僅大大提高施工效率，還能減少對周邊圍巖的擾動次數(shù)，進而減小既有隧道的變形量。2)基坑內(nèi) 被動區(qū)和暗挖通道可先進行地基處理，提高持力層土體物理力學參數(shù)，從而抑制地層變形，常采用的基坑加固方式有水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁和注漿加固等。3)基坑采用盆式開挖，從兩邊向中間對稱開挖，同時周圍預(yù)留反壓土臺可以對支護結(jié)構(gòu)起反壓作用，有利于支護結(jié)構(gòu)的安全性，減少形變及土體位移。

4 結(jié)論

1)對于既有地鐵隧道周邊存在暗挖通道與深基坑出現(xiàn)交叉施工的情形，比較合適的施工順序是優(yōu)先施工鄰近地鐵隧道的深基坑，再進行暗挖通道的施工，可以有效保證既有隧道的結(jié)構(gòu)變形在合理范圍內(nèi)。2)暗挖通道的開挖由于存在卸載作用，會造成施工范圍內(nèi)地鐵隧道的拱頂隆起；明挖基坑的開挖同樣也會使周邊土體向基坑內(nèi)移動，從而使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑方向的位移。其豎向位移主要由暗挖通道控制，水平位移主要由深基坑控制，整體位移的大小主要是由深基坑來決定。選取的工程項目局限于深圳市坡殘積土及花崗巖地層，未考慮不同類型基坑不同開挖深度及其他地層條件等情況。因該項目監(jiān)測階段尚未開始，后期需結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行更深一步的情況分析。