沈 璽

(上海軌道交通維護(hù)保障有限公司，上海 200233)

0 引 言

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，越來越多的基坑工程施工發(fā)生在地鐵隧道的保護(hù)區(qū)范圍之內(nèi)，這必將對地鐵隧道的豎向變形和收斂產(chǎn)生不利影響.上海地區(qū)土層條件較差，承壓水位較高[1-2]，基坑開挖卸載和降承壓水會(huì)更容易引起臨近地鐵隧道發(fā)生變形并影響運(yùn)營隧道的結(jié)構(gòu)安全.

近年來眾多學(xué)者對基坑開挖影響下隧道的變形進(jìn)行了研究.劉國彬，等[3]以上海廣場基坑工程為背景,結(jié)合軟土基坑隆起變形的殘余應(yīng)力法和軟土的卸荷模量,探索了利用坑內(nèi)加固和基坑工程的時(shí)空效應(yīng)施工法等措施來控制基坑下的已建成隧道的上抬變形.李家平[4]以上海雅居樂廣場淺基坑工程為背景,采用數(shù)值方法分析了地基加固、抗拔樁以及考慮時(shí)空效應(yīng)的分塊、限時(shí)開挖等技術(shù)措施以減小下部隧道變形的效果.張治國，等[5]提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的一維有限元方程計(jì)算方法.周澤林，等[6]推導(dǎo)了隧道與周圍土體相互作用的有限元耦合平衡方程，引入彈性半空間層狀模型，建立了層狀地基中基坑開挖對鄰近隧道影響的耦合分析方法.

本研究基于硬化土本構(gòu)模型理論，建立了基坑和隧道的有限元模型，采用流固耦合分析方法對前階段基坑開挖進(jìn)行模擬，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，同時(shí)采用本模型對后續(xù)基坑施工進(jìn)行了預(yù)測分析，為基坑后續(xù)施工和地鐵安全保護(hù)提供建議.

1 工程概況

上海前灘大型商業(yè)區(qū)25-1號地塊位于上海三條線路交匯處，該項(xiàng)目基坑分為南、北兩個(gè)區(qū)域，分別位于地鐵6號線和11號線的南北兩側(cè)，基坑開挖面積約29 300 m2.其中，南區(qū)開挖面積約29 000 m2，根據(jù)地鐵保護(hù)相關(guān)要求，共分為8個(gè)小坑分別開挖，該側(cè)基坑普遍挖深約14.5 m，基坑外側(cè)采用1 m厚地墻進(jìn)行圍護(hù)，墻深45 m，基坑內(nèi)側(cè)隔墻采用0.8 m厚地墻，墻深30 m；北區(qū)開挖面積約10 300 m2，基坑普遍挖深在11.2 m，共分7個(gè)小坑進(jìn)行開挖，同樣采用0.8 m厚地連墻圍護(hù)，地墻深度為24 m，地墻外又采用厚0.8 m、深38 m的TRD進(jìn)行止水.

該項(xiàng)目基坑開挖面積大，且兩側(cè)基坑距離地鐵11號線隧道最近皆在10 m左右，其施工極有可能對地鐵隧道產(chǎn)生不利影響，因此該基坑等級為特級.根據(jù)地鐵監(jiān)護(hù)測量發(fā)現(xiàn)，在項(xiàng)目南區(qū)1b基坑和北區(qū)1基坑開挖期間，鄰近地鐵的最大豎向變形量約為1 cm，隧道的最大收斂變形達(dá)到將近2.5 cm，皆發(fā)生在圖1中的斷面Ⅰ處，該處地鐵6號線為矩形隧道，地鐵11號線為單圓隧道，隧道頂埋深約為13.5 m，(見圖2).

根據(jù)勘察成果和相關(guān)資料，本場地位于上海典型古河道分布區(qū)，分布有較厚的⑤2-1砂質(zhì)粉土層和⑤2-2層粉砂層，這兩層為承壓含水層，滲透性相對較好，項(xiàng)目施工期間微承壓水位約為地面下6 m.本場地第⑧層相對隔水層缺失嚴(yán)重，因此第⑦層和第⑨層承壓含水層連通較為普遍，承壓水位也在地下約6 m左右.本場地的典型工程地質(zhì)剖面(見圖3).

圖1 基坑項(xiàng)目與地鐵相對位置關(guān)系(A線—6號線，B線—11號線，C線—8號線)

圖2 斷面Ⅰ處隧道與基坑剖面相對位置關(guān)系

圖3 場地典型工程地質(zhì)剖面

2 模型建立與分析驗(yàn)證

2.1 硬化土本構(gòu)模型

硬化類彈塑性本構(gòu)模型采用帽子屈服面，以塑性體應(yīng)變?yōu)橛不瘏?shù)，能較好地描述黏性土在破壞之前的非線性和依賴于應(yīng)力水平或應(yīng)力路徑的變形行為，HS模型是典型的硬化類彈塑性模型[7-10].HS模型假設(shè)三軸排水試驗(yàn)的剪應(yīng)力q與軸向應(yīng)變ε1成雙曲線關(guān)系，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(見圖4).

圖4 HS模型關(guān)于三軸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

(1)

式中：σ3—三軸試驗(yàn)中的圍壓；

m—?jiǎng)偠人揭蕾噧缰笖?shù)，根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，粘性土中m取0.8，砂性土中m取0.5.

因此，HS模型不僅可以反映土體的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，還能反映巖土工程復(fù)雜的應(yīng)力路徑，適合于多種土類(軟土和較硬土層)的破壞和變形行為的描述.

2.2 模型建立

采用巖土工程專用軟件Midas GTS NX對隧道變形最大的斷面Ⅰ進(jìn)行建模.考慮本研究的主要對象為地鐵隧道，而南區(qū)1b基坑較大，因此，對南區(qū)1b基坑采取對稱建模的方式，北區(qū)基坑采用全斷面建模，并向外延伸2倍開挖深度以外，模型水平向尺寸為240 m，豎向選取100 m深度進(jìn)行建模研究.

模型邊界分為位移邊界和水頭邊界兩種.其中，位移邊界需要約束模型底部兩個(gè)方向位移和模型側(cè)向的水平方向位移，水頭邊界需要根據(jù)第⑤2層微承壓含水層和第⑦、第⑨承壓含水層的觀測平均水位定義其水頭邊界，即為地面以下6 m.模型及網(wǎng)格劃分(見圖5).根據(jù)勘察成果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再結(jié)合上海地區(qū)HS本構(gòu)參數(shù)取值經(jīng)驗(yàn)，確定土體的HS本構(gòu)模型參數(shù)(見表1)[11-12].

表1 土體HS本構(gòu)計(jì)算參數(shù)

圖5 模型及網(wǎng)格劃分

2.3 模型驗(yàn)證

通過現(xiàn)場施工情況，可將本基坑之前施工工況分為三個(gè)階段，各階段的主要工況信息(見表2).其中第1階段場地還未進(jìn)行開挖，但受南側(cè)其他施工地塊降水的影響，本場地內(nèi)水位模擬場地承壓水位隨之受到影響，南邊界承壓水位變化(見圖6)，在模擬中可控制該階段的南側(cè)邊界水位變化來實(shí)現(xiàn).

表2 各階段工況信息匯總表

圖6 第一階段模擬場地南邊界承壓水位變化情況

項(xiàng)目先進(jìn)行南1b區(qū)基坑施工，基坑分三層土開挖，在開挖第二層土?xí)r就開始降第⑤2層微承壓水，基坑施工過程中該層最大水位降深約7 m.待南1b區(qū)基坑底板形成之后，北1區(qū)基坑開始施工，基坑分二層土開挖，開挖第二層時(shí)進(jìn)行⑤2層微承壓水降水，基坑開挖到底時(shí)該位置承壓水降深約3 m.三個(gè)階段結(jié)束后場地的豎向變形云圖(見圖7).

為了驗(yàn)證基坑開挖對隧道變形影響模擬分析的合理性，將模擬所得的隧道沉降和收斂歷時(shí)曲線與實(shí)測對比，圖8和圖9分別為各階段11號線上行線沉降和收斂模擬值與實(shí)測值的對比.從圖中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好；由于基坑位于隧道側(cè)上方進(jìn)行開挖，因此隧道沉降整體呈上抬趨勢；在階段2中，在南1b基坑開挖前期未降承壓水，11號線上行線上抬較為明顯，后期將承壓水時(shí)豎向變形稍有回落；階段3后期隧道上抬明顯是由項(xiàng)目暫時(shí)結(jié)束承壓水降水從而引起承壓水位上抬造成的；隧道的收斂受承壓水水位的變化不明顯，其隨著基坑的開挖一直呈增大的趨勢，11號線上行線目前實(shí)測收斂已將近3 cm.

圖7 開挖完成時(shí)場地的豎向變形云圖

圖8 11號線上行線隧道沉降模擬值與實(shí)測值的對比

圖9 11號線上行線隧道收斂模擬值與實(shí)測值的對比

3 基坑下階段施工引起的隧道變形預(yù)測

現(xiàn)階段該項(xiàng)目僅遠(yuǎn)離地鐵的南1b和北1大區(qū)基坑施工完成，而近地鐵側(cè)的北4區(qū)和南3b區(qū)還未進(jìn)行施工.根據(jù)后續(xù)施工安排，本項(xiàng)目先進(jìn)行北4區(qū)開挖，再進(jìn)行南3b區(qū)開挖.為了預(yù)測分析11號線盾構(gòu)隧道在后續(xù)基坑施工過程中的變形情況，在此采用上一節(jié)經(jīng)過實(shí)測驗(yàn)證的模型對隧道的后續(xù)沉降和收斂變形進(jìn)行了預(yù)測.

圖11和圖12分別為北4區(qū)和南3b區(qū)基坑開挖期間地鐵11線隧道豎向變形和收斂變化曲線.從圖中可以看出，兩個(gè)近地鐵基坑開挖引起的11號線隧道最終豎向抬升約5 mm，11號線收斂變形增大約8 mm；北4區(qū)在開挖第二層土?xí)r開始降承壓水，南3b區(qū)在開挖第三層土?xí)r開始降承壓水，因此隧道的豎向變形和收斂曲線受承壓水降水影響稍有波動(dòng).

根據(jù)上海市軌道交通安全保護(hù)區(qū)暫行管理規(guī)定[13]，在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的工程活動(dòng)引起隧道變形不能超過20 mm，而本基坑在前期遠(yuǎn)區(qū)施工期間，已造成11號線收斂變形達(dá)到約28 mm，預(yù)測在后續(xù)近地鐵基坑施工期間，有將增加8 mm收斂變形，大大超出了地鐵保護(hù)的要求，需要在下階段施工之前，對隧道采收斂變形進(jìn)行糾正并采取一定的保護(hù)措施，比如在隧道內(nèi)通過注漿孔對隧道進(jìn)行注漿加固等，并控制好后續(xù)施工的施工質(zhì)量，必要時(shí)在基坑降承壓水階段，對臨近地鐵側(cè)坑外采取回灌措施.

圖10 開挖結(jié)束時(shí)場地的豎向變形云圖

圖11 后續(xù)施工中11號線豎向變形預(yù)測

圖12 后續(xù)施工中11號線收斂變形預(yù)測

4 結(jié) 論

本研究基于上海前灘大型商業(yè)區(qū)25-1號地塊的鄰近地鐵基坑工程，采用流固耦合分析模型對工程降水及基坑開挖影響下地鐵隧道的沉降和收斂進(jìn)行了分析，并對后續(xù)施工進(jìn)行了預(yù)測分析，得到了以下主要結(jié)論：

(1)結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證了本模型在模擬基坑施工造成的鄰近隧道變形分析中的適用性，從而為項(xiàng)目后期分析及類似工程項(xiàng)目分析預(yù)測提供了參考.

(2)基坑位于隧道側(cè)上方開挖時(shí)，由于卸載引起的坑底回彈會(huì)造成隧道豎向抬升，而降深層承壓水會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生沉降，因此該隧道豎向變形隨施工工況波動(dòng)較明顯.

(3)根據(jù)當(dāng)前南1b區(qū)和北1區(qū)基坑開挖施工下B線隧道收斂將約28 mm，需及時(shí)采取隧道內(nèi)注漿或隧道外側(cè)注漿等方式對隧道進(jìn)行修復(fù)加固.

(4)預(yù)測后續(xù)北4區(qū)和南3b隧道基坑施工期間，如果不采用保護(hù)措施，隧道收斂將持續(xù)增大約8 mm，累計(jì)收斂將達(dá)到近38 mm，會(huì)對隧道運(yùn)營安全帶來一定的隱患.因此建議應(yīng)先對隧道進(jìn)行注漿修復(fù)，再進(jìn)行基坑施工，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，特別是坑底回彈量和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形.