緊鄰隧道的大型基坑變形控制設(shè)計(jì)

王小波，章良兵，王篤禮

(1.中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098；2.上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展及地下空間利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各種交通網(wǎng)越來越密集[1]。城市中的基坑工程常處于密集的既有建筑物、地下管線、地鐵隧道或人防工程旁，受各種條件限制，這些工程相互毗鄰，且距離很近，使得各工程在施工過程中相互影響和制約，建設(shè)環(huán)境越來越復(fù)雜，施工難度也不斷增加。因此，在保證基坑自身安全的前提下，如何保證基坑鄰近既有建筑物的安全是目前亟待解決的問題[2-3]。

基坑在開挖施工過程中，會(huì)引起土體應(yīng)力重分布[4]，從而使鄰近既有鐵路隧道產(chǎn)生附加變形，過大的變形將影響鄰近既有鐵路隧道的安全和正常運(yùn)營。目前，國內(nèi)眾多學(xué)者對基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響開展了大量研究。王立峰等[5]研究了基坑開挖過程中，鄰近地鐵隧道的水平位移和沉降分布規(guī)律；宋曉鳳等[6]研究了深基坑開挖過程中，不同支護(hù)結(jié)構(gòu)對鄰近既有地鐵隧道及軌道結(jié)構(gòu)的影響；伍尚勇等[7]研究了雙側(cè)深基坑按不同順序開挖對穿越其間的已運(yùn)營地鐵隧道的影響；黃迅等[8]研究了基坑分區(qū)開挖對鄰近既有地鐵隧道的變形影響，基坑采用分區(qū)開挖結(jié)合坑內(nèi)攪拌樁加固，可以有效控制基坑開挖引起的周邊環(huán)境位移水平;溫淑荔[9]研究了深基坑開挖時(shí)，加固深度和加固位置對既有建筑物水平和豎向位移的影響；周新雨等[10]研究了深基坑施工對鄰近地鐵隧道變形的影響，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。這些研究成果可為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測提供很好的指導(dǎo)作用，然而，由于城市地下交通網(wǎng)越來越密集，各種建筑之間的關(guān)系也越來越復(fù)雜，有些問題還有待繼續(xù)研究。

工程上通常采用擋土墻、護(hù)坡樁、樁錨等方式控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，減少基坑開挖對周圍影響。本文以緊鄰隧道的某地下人防基坑工程為例，采用樁錨支護(hù)、土壓平衡開挖、土工格柵回填等方法進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。同時(shí)，基于變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析基坑開挖和回填時(shí)，支護(hù)措施對既有鐵路隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，通過這幾種支護(hù)措施控制基坑和既有鐵路隧道的變形。

1 工程概況

某地下人防基坑工程總面積約10.3萬m2，其中深坑區(qū)面積約3.4萬m2，淺坑區(qū)面積約6.9萬m2。基坑分為地下2層，地下1層部分基坑深度為8.0m，地下2層部分基坑深度為18.0m。本工程的東西側(cè)均有既有鐵路線相鄰，工程周邊環(huán)境復(fù)雜。基坑平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置Fig.1 Plane layout of foundation excavation

2 工程地質(zhì)條件

本工程場地位于沖洪積扇扇緣地帶，區(qū)內(nèi)地形地貌較簡單，主要為沖積、洪積平原，場地原始地形地貌已經(jīng)過人工改造。場地地層按成因年代分為人工堆積層、新近沉積層和一般第四紀(jì)沖洪積層三大類。地層巖性主要為粉土填土、房渣土、粉土、粉質(zhì)黏土、有機(jī)質(zhì)黏土、泥炭質(zhì)黏土、黏土、粉砂、細(xì)砂等。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 人防基坑西側(cè)支護(hù)

基坑西側(cè)某一剖面處(見圖1中1—1剖面)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。人防基坑西側(cè)為既有鐵路隧道，為減小人防基坑開挖對既有鐵路隧道的影響，采取如下基坑支護(hù)方案：人防基坑采取土壓平衡開挖施工，即在隧道左右兩側(cè)同步開挖基坑和溝槽，以平衡隧道兩側(cè)土壓力；對隧道左側(cè)溝槽實(shí)施樁錨支護(hù)；采用土工格柵回填隧道左側(cè)溝槽，減小回填土壓力對支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響。

圖2 西側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Support structure design on west side

隧道左側(cè)溝槽的支護(hù)形式為樁錨支護(hù)，錨樁直徑為1 000mm，樁及其冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。錨桿注漿材料為P·O 42.5水泥，水灰比為0.45～0.50。錨桿張拉采用二次張拉法，初次張拉調(diào)直錨桿桿體，二次張拉鎖定。3道錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)如下：①第1道錨桿 4根7股φ15.2mm鋼絞線，總長度L=28.0m，間距1.5m，標(biāo)高-4.900m，傾角25°，自由段長度Lf=12.0m，錨固段長度La=16.0m，軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值Nk=440kN，鎖定值350kN；②第2道錨桿 5根7股φ15.2mm鋼絞線，總長度L=28.0m，間距1.5m，標(biāo)高-9.900m，傾角25°，自由段長度Lf=8.0m，錨固段長度La=20.0m，軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值Nk=570kN，鎖定值450kN；③第3道錨桿 5根7股φ15.2mm鋼絞線，總長度L=29.0m，間距1.5m，標(biāo)高-13.900m，傾角25°，自由段長度Lf=6.0m，錨固段長度La=23.0m，軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值Nk=580kN，鎖定值450kN。

灌注樁及其冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，灌注樁直徑為1 000mm，主受力鋼筋采用HRB400級(jí)、箍筋采用HPB300級(jí)。灌注樁混凝土保護(hù)層厚度為50mm、冠梁為30mm，鋼筋籠的主筋采用一級(jí)機(jī)械連接。

拉梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，其截面尺寸為500mm×500mm，間距1 200mm，兩端與灌注樁冠梁相連。

坑底肥槽內(nèi)設(shè)置排水盲溝，盲溝寬300mm，深300mm，溝內(nèi)填充碎石料；在坑底四周每隔30m設(shè)置1個(gè)集水坑，集水坑用磚砌(長×寬×高=600mm×600mm×800mm)或者用無砂混凝土水泥管(深度500mm，直徑600mm)，濾水管外填濾料，集水井內(nèi)下水泵，及時(shí)排出坑內(nèi)積水。

施工時(shí)，隧道兩側(cè)土體同步開挖至-15.400m標(biāo)高位置，溝槽左側(cè)支護(hù)樁的3道錨桿施工完畢后，繼續(xù)開挖人防基坑土體；當(dāng)人防基坑開挖至基底，且樁頂水平位移和深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定時(shí)，采用土工格柵回填左側(cè)溝槽，在回填過程中對錨頭澆筑C25混凝土固定；回填完畢后做好表面硬化，當(dāng)需要在本部位堆載時(shí)，應(yīng)架設(shè)臨時(shí)鋼梁，確保回填土工格柵不受豎向荷載。

3.2 基坑深淺交界處支護(hù)

基坑深淺交界處(見圖1中的2—2剖面)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

支護(hù)形式包括排樁支護(hù)及主動(dòng)區(qū)土體加固，其中排樁直徑均為800mm，樁、冠梁及拉板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。

既有線灌注樁及冠梁：灌注樁直徑為1 000mm，灌注樁及冠梁均采用C30混凝土；主受力鋼筋采用HRB400級(jí)、箍筋采用HPB300級(jí)；灌注樁混凝土保護(hù)層厚度為50mm、冠梁為30mm，鋼筋籠的主筋采用機(jī)械連接；冠梁施工前，需將鉆孔灌注樁頂部混凝土鑿除、清洗至設(shè)計(jì)標(biāo)高；施工過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施避免混凝土澆筑過程中鋼筋籠上浮。

由于項(xiàng)目工期緊，要求淺區(qū)和深區(qū)同時(shí)施工，為控制淺區(qū)基礎(chǔ)樁變形，在雙排樁樁間進(jìn)行格柵式土體加固，加固深度18.0m；施工時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行土體加固施工，后進(jìn)行基礎(chǔ)樁和護(hù)坡樁施工，當(dāng)剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完畢后(包括樁頂冠梁、拉梁及配筋墊層)，方可進(jìn)行深坑區(qū)開挖；橫穿結(jié)構(gòu)后澆帶部位拉梁應(yīng)在地下人防結(jié)構(gòu)施工完畢、相應(yīng)肥槽回填后剔除。

坑底肥槽內(nèi)設(shè)置排水盲溝寬300mm，深度為300mm，溝內(nèi)填充碎石料；在坑底四周每間隔30m設(shè)置1個(gè)集水坑，集水坑用磚砌(長×寬×高=600mm×600mm×800mm)或者用無砂混凝土水泥管(深度500mm，直徑600mm)，濾水管外填濾料，集水井內(nèi)下水泵，及時(shí)排出坑內(nèi)積水。

3.3 人防基坑?xùn)|側(cè)支護(hù)

人防基坑?xùn)|側(cè)為既有鐵路隧道，隧道拱頂埋深5.5m，拱肩埋深9.5m，與人防基坑淺區(qū)基本持平，距人防淺區(qū)結(jié)構(gòu)外墻3.0～6.0m，距人防深區(qū)結(jié)構(gòu)外墻40.0～60.0m，人防基坑開挖后，鐵路隧道拱肩以下部分仍埋置于土體中。此外，人防基坑開挖過程中，該隧道結(jié)構(gòu)已實(shí)施完成，拱頂覆土尚未回填，軌道板尚未鋪設(shè)，隧道結(jié)構(gòu)可承受一定的水平變形。人防基坑開挖對既有鐵路隧道的變形影響極小，故人防基坑?xùn)|側(cè)采用1∶1簡易放坡至隧道結(jié)構(gòu)邊，并要求拱頂覆土在人防結(jié)構(gòu)完成后共同回填。

4 隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

4.1 既有鐵路隧道變形分析

由于西側(cè)的既有鐵路隧道位于人防基坑的深區(qū)，基坑開挖對隧道變形的影響較大，因此本文重點(diǎn)分析西側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對既有鐵路隧道變形的影響。西側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工順序?yàn)椋合仁┕ぶёo(hù)樁，并同步開挖隧道左側(cè)溝槽和右側(cè)人防基坑，開挖至標(biāo)高-4.900m，施工第1道錨桿，接著開挖至標(biāo)高-9.900m，施工第2道錨桿，再開挖至標(biāo)高-15.400m，施工第3道錨桿，人防基坑繼續(xù)開挖至標(biāo)高-19.950m，并澆筑基坑底板，然后采用土工格柵回填隧道左側(cè)溝槽。

在既有鐵路隧道的左右側(cè)壁及隧道中線底板上分別設(shè)置水平位移和豎向位移監(jiān)測點(diǎn)。既有鐵路隧道監(jiān)測剖面如圖4所示，隧道各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移和豎向位移監(jiān)測值如表1所示。從1表中可以看出，既有鐵路隧道的水平位移和豎向位移監(jiān)測值均未超過隧道變形控制要求的范圍，本支護(hù)方案可行，能有效控制緊鄰大型基坑的隧道變形。

圖4 既有鐵路隧道監(jiān)測剖面Fig.4 Existing railway tunnel monitoring profile

表1 隧道各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移和豎向位移Table 1 The horizontal and vertical displacements of each monitoring point in the tunnel

4.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

在人防基坑西側(cè)的灌注樁上設(shè)置有水平位移監(jiān)測點(diǎn)，不同施工階段基坑水平位移監(jiān)測值隨深度的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同施工階段基坑水平位移監(jiān)測值Fig.5 Monitoring values of horizontal displacement of foundation excavation under different construction stages

在施工前3道錨桿時(shí)，由于采用隧道兩側(cè)同步開挖施工，平衡了隧道兩側(cè)的土壓力，開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響很小，監(jiān)測基坑最大水平位移不超過3.56mm；人防基坑繼續(xù)開挖至基坑底時(shí)，基坑的水平位移顯著增大，相比前一施工階段，最大增幅約1.13mm，這是由于采用了單側(cè)開挖的緣故；溝槽采用土工格柵回填后，相比前一施工階段，基坑水平位移最大增幅約0.67mm，增幅減小。

上述監(jiān)測結(jié)果表明：人防基坑采用土壓平衡開挖施工，可平衡隧道兩側(cè)土壓力，減小開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響；隧道左側(cè)溝槽實(shí)施樁錨支護(hù)，可有效控制圍護(hù)樁的側(cè)向位移；隧道左側(cè)溝槽采用土工格柵回填，可減小回填土壓力對支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響。溝槽回填完成后，基坑的最大水平位移監(jiān)測值為5.36mm，未超過基坑變形控制要求，表明本支護(hù)方案可行。

5 結(jié)語

1)基坑開挖產(chǎn)生的變形將影響鄰近既有鐵路隧道的安全與正常運(yùn)營，如何控制變形是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)亟待解決的問題。針對緊鄰既有鐵路隧道的某人防基坑工程，采用樁錨支護(hù)、土壓平衡開挖、土工格柵回填等方法進(jìn)行了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。

2)既有鐵路隧道的水平位移和豎向位移監(jiān)測值未超過隧道變形控制要求的范圍，基坑最大水平位移監(jiān)測值也未超過基坑變形控制要求的范圍，本支護(hù)方案可行，能有效控制既有鐵路隧道和人防基坑的變形。

3)支護(hù)方案能有效控制緊鄰大型基坑的隧道變形；人防基坑采用土壓平衡開挖施工，平衡了隧道兩側(cè)的土壓力，減小了開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響；隧道左側(cè)溝槽實(shí)施樁錨支護(hù)，能有效控制圍護(hù)樁的側(cè)向位移；隧道左側(cè)溝槽采用土工格柵回填，可進(jìn)一步控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。