馬 靜

(北京市市政專業(yè)設(shè)計院股份公司，北京 100037)

0 引言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)不斷完善，大量的地鐵隧道投入運(yùn)營。在已建地鐵隧道上方進(jìn)行基坑土方開挖和上覆建筑物建造已經(jīng)成為一種常見的現(xiàn)象。建筑基坑施工全過程可分為基坑土方開挖卸荷過程及建筑物施工加載過程，在施工過程中，地鐵隧道及其周圍土體原有的應(yīng)力狀態(tài)多次被打破，造成盾構(gòu)隧道圍巖應(yīng)力的多次重分布，對處于運(yùn)營狀態(tài)的地鐵隧道造成了嚴(yán)重影響。對地鐵隧道上方的出現(xiàn)基坑開挖卸荷-加載行為，若不進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)評估，并采取有效措施對地鐵隧道進(jìn)行保護(hù)，將導(dǎo)致地鐵隧道發(fā)生變形，甚至破壞，直接威脅地鐵的安全運(yùn)營[1-2]。

國內(nèi)外不少學(xué)者均對此問題進(jìn)行了大量有益的分析和探討，為建筑基坑施工全過程中下方地鐵隧道的保護(hù)提供了大量的經(jīng)驗。張治國[3]、姜兆華[4]、吉茂杰[5]、陳郁[6]等從理論解析的角度出發(fā)，對基坑土方開挖卸荷階段，鄰近隧道的變形計算方法進(jìn)行了研究；Ding J S[7]、劉國彬[8]、商可[9]等以實(shí)際工程為例，運(yùn)用數(shù)值計算的方法，對基坑土方開挖卸荷施工過程中，下方地鐵隧道的變形特征進(jìn)行了分析?，F(xiàn)有研究成果側(cè)重建筑基坑土體開挖卸荷過程中，下方地鐵隧道變形特征的研究，但對于建筑物施工加載階段，下方地鐵隧道的變形特征研究較少。

基于此，本文以北京某典型地鐵隧道及鄰域的基坑工程為基礎(chǔ)，考慮基坑位于盾構(gòu)隧道正上方及斜上方2種計算方案，對建筑基坑施工全過程中下方地鐵隧道的變形動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京某鄰近地鐵隧道深基坑工程位于朝陽區(qū)亮馬橋路，基坑場地西側(cè)為運(yùn)營中的地鐵10號線，該區(qū)間隧道自2008年7月開始運(yùn)營。本工程中，建筑基坑位于盾構(gòu)隧道斜上方位置，基坑側(cè)壁與盾構(gòu)隧道管片水平距離6.0m，盾構(gòu)隧道頂部距離基坑槽底3.0m。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片采用300mm厚的C50預(yù)制混凝土管片，管片環(huán)寬1200mm?；娱_挖深度9.0m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上部2.0m采用放坡支護(hù)，下部7.0m采用“地下連續(xù)墻+預(yù)應(yīng)力錨索”聯(lián)合支護(hù)的方式。地下連續(xù)墻厚0.8m，幅寬6.0m，混凝土強(qiáng)度等級C25?；酉虏康叵逻B續(xù)墻支護(hù)區(qū)域設(shè)置兩道預(yù)應(yīng)力錨索，孔徑150mm。第一道錨索位于地下連續(xù)墻頂部，錨索入射角度10°，水平間距1.50m，錨桿總長21m，其中錨固段長度15.0m；第二道錨索位于-5.5m處，錨索入射角度10°，水平間距1.50m，錨桿總長23m，其中錨固段長度18.0m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場鉆探結(jié)果，該工程地基土層按成因年代可劃分為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層兩類。基坑深度范圍內(nèi)的地基土層主要以黏性土、粉土和砂土的交互沉積土層為主。地表以下有2～3m的房渣土和碎石填土層。上部建筑物采用梁式筏板基礎(chǔ)，基底標(biāo)高23.9m，位于粉質(zhì)粘土層。

2 數(shù)值計算方案及計算模型建立

2.1 數(shù)值計算方案及監(jiān)測點(diǎn)布置

應(yīng)用MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，考慮基坑與既有盾構(gòu)隧道的相對位置關(guān)系，數(shù)值計算考慮2種方案。方案1中，基坑位于盾構(gòu)隧道的正上方，基坑槽底距離盾構(gòu)隧道管片頂部3.0m，基坑與盾構(gòu)隧道的相對位置關(guān)系及監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖1(a)所示；方案2中，基坑位于盾構(gòu)隧道斜上方，基坑槽底距離盾構(gòu)隧道管片頂部距離與方案1相同，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)邊緣距離盾構(gòu)隧道管片最近距離6.0m，基坑與盾構(gòu)隧道相對位置關(guān)系及監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖1(b)所示。

圖1 基坑支護(hù)方案及監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.1 Foundation pit supporting scheme and layout of monitoring points

2.2 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

為忽略邊界效應(yīng)對數(shù)值計算結(jié)果的影響，數(shù)值計算模型中地基土體范圍須取3倍以上基坑深度，本工程中，應(yīng)充分考慮上覆荷載對模型邊界產(chǎn)生的影響。數(shù)值計算中，模型長×寬×高為120m×120m×60m，3倍模型土方開挖深度為24m，基坑槽底至模型底部邊界54m，支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)距離模型水平邊界40m，可滿足上覆荷載對模型邊界產(chǎn)生的影響。數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分采用定義線性梯度的方法，盾構(gòu)隧道及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍網(wǎng)格密集，邊界處網(wǎng)格稀疏，在滿足計算精度的同時，可以縮短計算時間。數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

數(shù)值計算模型四周設(shè)置位移邊界條件，模型上表面為自由面，四周約束其法向位移，底部約束其豎向位移。地鐵隧道與土層之間通過設(shè)置接觸，模擬盾構(gòu)隧道與地基土層之間的擠壓和摩擦效應(yīng)。接觸單元應(yīng)用Mohr Coulomb準(zhǔn)則，通過設(shè)置接觸面之間的法向剛度模量、切向剛度模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，模擬地基土與隧道結(jié)構(gòu)間的擠壓和摩擦。依據(jù)MIDAS/GTS幫助文件，法向剛度模量取相鄰單元較小彈性模量值的50倍；剪切剛度模量取相鄰單元較小剪切模量的50倍；粘聚力取基坑外側(cè)土體粘聚力的3倍；內(nèi)摩擦角取基坑外側(cè)土體內(nèi)摩擦角的3倍。

2.3 模型材料參數(shù)選取

依據(jù)數(shù)值計算模型初期試算結(jié)果及相關(guān)研究成果[10]，地基土層采用修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型模擬，且卸荷模量取3倍加載模量，可以有效地控制基坑土方開挖卸荷引起的地基土回彈過大的現(xiàn)象。故此，數(shù)值計算模型中，地基土層以實(shí)體單元建立，土體本構(gòu)選用修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型。地基土體參數(shù)取值依據(jù)工程勘察報告選取，詳見表1。

圖2 數(shù)值計算模型網(wǎng)格剖分Fig.2 FEM mesh of calculation model

巖土類別厚度/m壓縮模量/MPa泊松比重度/(kN/m3)粘聚力/(kN/m2)摩擦角/°加載模量/MPa卸載模量/MPa雜填土2.07.00.3618.510157.021粘質(zhì)粉土Ⅰ5.27.70.2521.62120.715.446.2粉質(zhì)黏土13.29.70.2620.728.720.619.458.2粘質(zhì)粉土Ⅱ1.818.70.2520.67302337.4111.2中砂3.230.00.2721.003060180圓礫卵石—55.00.2322.0035110330

結(jié)構(gòu)模型中，地下連續(xù)墻、預(yù)應(yīng)力錨桿、盾構(gòu)隧道管片、筏板基礎(chǔ)等均采用彈性本構(gòu)模型。地下連續(xù)墻及筏板基礎(chǔ)采用板單元模擬，盾構(gòu)隧道管片采用實(shí)體單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬。結(jié)構(gòu)模型具體參數(shù)依據(jù)工程實(shí)際值確定，具體參數(shù)詳見表2。

2.4 建筑施工全過程工序模擬

建筑物施工過程中，地鐵隧道及其鄰域土體共經(jīng)歷4次應(yīng)力重分布過程：(1)地鐵隧道貫通后，隨著時間的推移，隧道圍土的固結(jié)沉降逐步達(dá)到穩(wěn)定，數(shù)值計算中，該過程通過調(diào)高工序1收斂標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)；(2)基坑土方開挖卸荷過程，數(shù)值計算中，該過程通過結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格“激活”及土方模型網(wǎng)格“鈍化”命令實(shí)現(xiàn)，本工程中，土體平均重度約為20.73kN/m3，基坑開挖深度為9m，土方開挖卸荷量總計186.57kPa；(3)建筑物施工加載過程，該過程通過建筑物網(wǎng)格“激活”命令實(shí)現(xiàn)，數(shù)值計算模型中，每層樓按12kPa荷載考慮，每次加載2層，擬建建筑物地下3層，地上9層，加載量總計144kPa；(4)建筑物施工完成后，地鐵隧道及其周圍土體逐步達(dá)到穩(wěn)定，該過程通過調(diào)高工序16的收斂標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。本工程中，數(shù)值計算具體工序見表3。

表2 結(jié)構(gòu)部分物理力學(xué)參數(shù)表

表3 數(shù)值計算工序

3 計算結(jié)果與分析

數(shù)值計算模型方案1中，基坑位于盾構(gòu)隧道正上方；方案2中，基坑位于盾構(gòu)隧道左側(cè)斜上方。根據(jù)基坑與盾構(gòu)隧道的相對位置關(guān)系，本文規(guī)定，豎向位移為正值時，表示盾構(gòu)隧道發(fā)生上浮；負(fù)值時，表示盾構(gòu)隧道發(fā)生下沉。水平位移為正值時，表示盾構(gòu)隧道發(fā)生朝向左側(cè)的位移；負(fù)值時，表示盾構(gòu)隧道發(fā)生朝向右側(cè)的位移。

圖3 地鐵隧道位移時程響應(yīng)Fig.3 Displacement time-history response of shield tunnel at different working conditions

3.1 盾構(gòu)隧道位移時程響應(yīng)分析

建筑物施工全過程中，基坑下方地鐵隧道監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)5、監(jiān)測點(diǎn)9、監(jiān)測點(diǎn)13的豎向位移及水平位移時程曲線如圖3所示。方案1中，盾構(gòu)隧道豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移，隨著基坑開挖卸荷的進(jìn)行，盾構(gòu)隧道逐步發(fā)生上浮，豎向位移最大值出現(xiàn)在土方開挖至基坑底部時，約為18.8mm；隨著上部建筑結(jié)構(gòu)施工的進(jìn)行，盾構(gòu)隧道逐步發(fā)生下沉，基坑加載完成后，豎向位移總量約為11.41mm，并未恢復(fù)至初始狀態(tài)，若建筑物樓層繼續(xù)增加，荷載不斷增大，則盾構(gòu)隧道豎向位移可能恢復(fù)至最初狀態(tài)并持續(xù)增大。方案2中，盾構(gòu)隧道水平位移大于豎向位移，隨著基坑土體開挖卸荷的不斷推進(jìn)，盾構(gòu)隧道豎向位移逐步上浮，水平位移朝向基坑方向。最大水平位移均出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)1的位置，即盾構(gòu)隧道頂部，基坑開挖卸荷完成后，最大水平位移5.48m；基坑加載完成后，水平位移減少73%，約為1.52mm。

圖4 地鐵隧道位移分布雷達(dá)圖(徑向坐標(biāo)表示位移, 單位：mm；環(huán)向坐標(biāo)表示監(jiān)測點(diǎn)編號)Fig.4 Radar chart of distribution of shield tunnel displacement

綜合分析上述特征可知，建筑基坑施工位于盾構(gòu)隧道正上方時，應(yīng)對盾構(gòu)隧道的豎向位移加強(qiáng)控制，在建筑基坑開挖卸荷-加載影響區(qū)范圍內(nèi)，隨著基坑與盾構(gòu)隧道水平距離的增加，豎向位移的影響逐步減弱，水平位移的影響逐步增加，應(yīng)逐步重視水平位移的影響，對盾構(gòu)隧道周圍深層土體水平位移進(jìn)行加密監(jiān)測。建筑基坑施工過程中，下方地鐵隧道的最大豎向位移及最大水平位移均出現(xiàn)在基坑開挖卸荷完成階段，此時，應(yīng)盡早進(jìn)行基礎(chǔ)底板封閉施工，避免“晾槽”現(xiàn)象的發(fā)生，否則，將會對盾構(gòu)隧道造成極為不利的影響。

3.2 盾構(gòu)隧道位移分布

基坑開挖卸荷-加載過程中，下方地鐵隧道在基坑開挖卸荷完成及基坑加載完成工序下，位移分布如圖4所示。方案1中，盾構(gòu)隧道豎向位移及水平位移呈對稱分布，最大豎向位移出現(xiàn)土方開挖至基坑底部時的盾構(gòu)隧道頂部位置，此時，地鐵隧道頂部與與底部豎向位移差約為3.41mm；最大水平位移出現(xiàn)在土方開挖至基坑底部時的監(jiān)測點(diǎn)13及監(jiān)測點(diǎn)5位置，監(jiān)測點(diǎn)13水平位移朝向基坑左側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，監(jiān)測點(diǎn)5水平位移朝向基坑右側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的水平位移大小基本相同，約為1.7mm，左右兩側(cè)水平位移差約為3.4mm。方案2中，盾構(gòu)隧道右側(cè)豎向位移大于左側(cè)豎向位移，左右兩側(cè)位移差為0.65mm；盾構(gòu)隧道上部水平位移大于下部，頂部和底部位移差約為0.66mm，盾構(gòu)隧道發(fā)生朝向基坑方向的扭轉(zhuǎn)。綜合分析上述特征可知，基坑開挖卸荷-加載位置在盾構(gòu)隧道正上方時，豎向位移及水平位移呈對稱分布，在基坑開挖卸荷-加載影響區(qū)范圍內(nèi)，隨著基坑與盾構(gòu)隧道水平距離的增加，盾構(gòu)隧道發(fā)生朝向基坑方向的扭轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，以北京地區(qū)地基土層結(jié)構(gòu)為例，對建筑基坑施工全過程中，下方地鐵隧道的變形動態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行了研究。得出以下結(jié)論：

(1)基坑位于盾構(gòu)隧道正上方時，應(yīng)以控制盾構(gòu)隧道豎向位移為主，在基坑開挖卸荷-加載影響區(qū)范圍內(nèi)，隨著基坑與盾構(gòu)隧道水平距離的增加，豎向位移的影響逐步減弱，水平位移的影響逐步增加，應(yīng)逐步重視水平位移的影響，對盾構(gòu)隧道周圍深層土體水平位移進(jìn)行加密監(jiān)測。

(2)建筑基坑施工全過程中，下方地鐵隧道最大豎向位移及最大水平位移均出現(xiàn)在基坑土方開挖卸荷完成階段，此時，應(yīng)及早進(jìn)行底板封閉施工，避免出現(xiàn)過長時間的“晾槽”。

(3)建筑基坑施工全過程中，當(dāng)基坑土方開挖卸荷-加載位置位于隧道正上方時，盾構(gòu)隧道的豎向位移及水平位移均呈對稱分布，在基坑開挖卸荷-加載影響區(qū)范圍內(nèi)，隨著基坑與盾構(gòu)隧道水平距離的增加，盾構(gòu)隧道發(fā)生朝向基坑方向的扭轉(zhuǎn)。