平行雙基坑同步開挖引起鄰近地鐵盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測分析

劉鳳華

(上海隧道工程有限公司, 200082, 上海)

隨著城市化進程的加快,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[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)律進行了分析,并劃分了基坑施工影響區(qū)域。文獻[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[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[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[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力集中以及雙基坑開挖疊加效應進行分析,提出施工風險節(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塊標準塊、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)頂標高為-12.33 m,基坑底最小標高為-6.514 m。北側(cè)盾構(gòu)隧道距離2號風亭地連墻最小側(cè)向凈距約1.7 m,盾構(gòu)隧道頂標高為-14.958 m,基坑底最小標高為-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號風亭采用整體分層開挖的方式。基坑施工工況詳見表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,基坑長邊效應及其卸載應力集中導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影響。

注:正值表示隆起,負值表示沉降。

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;當采取相應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力集中所導致,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)的土體位移場和應力場隨著開挖的進行逐漸疊加至西側(cè)的后開挖區(qū),導致最大水平位移發(fā)生在基坑開挖的后開挖區(qū),這與文獻[8]的研究結(jié)果相似。

注:水平位移正值代表遠離基坑,負值代表朝向基坑。

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的預警值,但小于5.0 mm的警戒值。基坑開挖范圍內(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,負值代表管片橫向直徑變大。

3 結(jié)論

1) 基坑長邊效應及其卸載應力集中導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,進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,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。基坑施工過程中,尤其是雙基坑平行同步開挖應遵循限時的原則,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。