宋勝利，申付新，王 凱，楊文峰，趙桐德

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著城市建設(shè)高速發(fā)展，城市軌道交通網(wǎng)越來(lái)越密集，高層建筑物在既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道區(qū)間周邊的新建逐漸增加。為減少深基坑開(kāi)挖對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵的影響，對(duì)基坑支護(hù)要求不斷提高，其支護(hù)結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足自身安全的同時(shí)還要保證鄰近地鐵線(xiàn)路的正常運(yùn)營(yíng)。所以要對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道的變形情況進(jìn)行研究，將其控制在允許范圍內(nèi)十分必要[1-3]。為保證鄰近深基坑地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，必須考慮基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的變形影響，并進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)和采取相關(guān)控制措施[4]。

深基坑工程自身具有復(fù)雜性，且開(kāi)挖過(guò)程受時(shí)空效應(yīng)影響明顯，這增加了深基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰隧道影響規(guī)律研究的難度。為此，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者就深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響進(jìn)行大量研究分析，并取得寶貴的研究成果。王衛(wèi)東等[5]對(duì)南方軟土深基坑進(jìn)行研究，并通過(guò)數(shù)值模擬方法分析基坑開(kāi)挖卸載對(duì)地鐵隧道區(qū)間變形的影響；王立峰等[6]研究發(fā)現(xiàn)隧道管片的變形隨埋深的不同而呈現(xiàn)不同的變形模式；宋曉鳳等[7]認(rèn)為深基坑開(kāi)挖時(shí)，基坑側(cè)壁與隧道的水平凈距為2倍的開(kāi)挖深度是一個(gè)臨界值，可將基坑開(kāi)挖影響范圍分為強(qiáng)影響區(qū)和弱影響區(qū)，并隨著基坑側(cè)向支撐強(qiáng)度的增加，雙排樁較單排樁對(duì)隧道水平變形的抑制作用增強(qiáng)；戚科駿等[8]研究發(fā)現(xiàn)隧道變形與基坑開(kāi)挖存在明顯的時(shí)空效應(yīng)，且隧道變形明顯滯后于基坑開(kāi)挖；杜江濤等[9]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行對(duì)比分析的方法探究隧道變形規(guī)律；劉庭金等[10]在分析樁錨深基坑引發(fā)地鐵盾構(gòu)隧道病害的原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)樁錨支護(hù)導(dǎo)致地鐵隧道附近土體產(chǎn)生松動(dòng)區(qū)，地鐵隧道斷面出現(xiàn)“橫橢圓形”變形趨勢(shì)。

雖然眾多學(xué)者對(duì)于基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)鄰近隧道的應(yīng)力及變形進(jìn)行了研究，但隨著城市用地的緊張，房屋建筑與地鐵線(xiàn)路之間的關(guān)系也逐漸復(fù)雜，二者的距離也越來(lái)越小，所以對(duì)于樁錨深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的變形還有待繼續(xù)研究。

本文以北京地區(qū)某鄰近地鐵隧道采用樁錨結(jié)構(gòu)支護(hù)的深基坑開(kāi)挖為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的研究方法，探究樁錨支護(hù)深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 基坑及地鐵隧道區(qū)間概況

某工程處于北京市通州區(qū)運(yùn)河核心區(qū)，總用地面積28 847m2，其中建設(shè)用地面積17 815m2，擬建3棟寫(xiě)字樓、1棟單身公寓，寫(xiě)字樓地上23層，公寓地上24層，地下室均為3層?；哟笾鲁示匦?，長(zhǎng)103.23m，寬42m。擬建場(chǎng)地地形較平坦，開(kāi)挖深度16.76～17.76m，靠近地鐵隧道側(cè)的開(kāi)挖深度較小，約16.76m。鄰近已運(yùn)營(yíng)的地鐵6號(hào)線(xiàn)二期工程通運(yùn)門(mén)站—北運(yùn)河站區(qū)間。隧道左線(xiàn)距離基坑較近，右線(xiàn)為遠(yuǎn)側(cè)，左右線(xiàn)隧道水平相距13m。基坑側(cè)壁距離用地紅線(xiàn)4.0m，距離地鐵隧道管片19.5～21.0m。基坑與地鐵相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵相對(duì)位置

1.2 鄰近地鐵側(cè)支護(hù)概況

此基坑支護(hù)為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為1年，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，鄰近地鐵隧道的基坑側(cè)壁支護(hù)深度16.76m，采用“樁錨支護(hù)體系”。護(hù)坡樁長(zhǎng)23.50m，樁徑800mm，樁間距1 400mm，樁身混凝土為C25，樁身混凝土保護(hù)層厚50mm。樁間布置4道預(yù)應(yīng)力錨桿，既有地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道底部埋深為13.8～15.3m，隧道的掘進(jìn)設(shè)備采用直徑6 280mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，采用厚300mm的C50預(yù)制混凝土管片襯砌，地鐵側(cè)基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)與室內(nèi)土工試驗(yàn)成果的綜合分析，主要土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型基本假定

1）假定計(jì)算模型初始應(yīng)力只考慮土體自重，固結(jié)早已完成。

圖2 地鐵側(cè)基坑支護(hù)

表1 各土層參數(shù)指標(biāo)

2）假定止水帷幕隔水效果良好，且地下水不作為此次研究問(wèn)題的重點(diǎn)，故不考慮地下水的影響。

3）假定本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、6號(hào)線(xiàn)地鐵隧道結(jié)構(gòu)及土體之間變形協(xié)調(diào)。

4）假定土體均質(zhì)，為理想型彈塑性體，各土層水平分布，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)按照彈性材料考慮。

5）假定以最不利因素分析，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)自重與土體自重計(jì)算荷載均以最不利情況考慮；基坑周?chē)亩演d按照20kPa計(jì)算。

2.2 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

通過(guò)利用FLAC3D軟件模擬該基坑開(kāi)挖對(duì)已運(yùn)營(yíng)6號(hào)線(xiàn)隧道的作用?？紤]到本基坑工程量巨大，若建立完整的模型計(jì)算耗時(shí)又費(fèi)力，并且研究重點(diǎn)是2-2剖面的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)。最終確定模型尺寸為長(zhǎng)70m，高35m，寬9m。隧道襯砌可采用實(shí)體單元模擬，取混凝土密度，彈性模量按照鋼筋混凝土進(jìn)行相應(yīng)提高。實(shí)體單元為開(kāi)挖土體及周?chē)馏w；結(jié)構(gòu)單元為冠梁、圍梁、護(hù)坡樁、錨桿。模型共23 180個(gè)節(jié)點(diǎn)，19 737個(gè)單元。

2.3 模型材料參數(shù)

根據(jù)基坑工程實(shí)際情況及對(duì)北京地區(qū)土體的分析經(jīng)驗(yàn)，將數(shù)值模擬土體本構(gòu)模型定為Mohr-Coulomb模型，基坑支護(hù)錨桿和護(hù)坡樁設(shè)計(jì)參數(shù)如表2，3所示，其中錨桿直徑均取150mm。

表2 錨桿參數(shù)指標(biāo)

表3 護(hù)坡樁參數(shù)指標(biāo)

2.4 施工工序模擬

1）工況1 在地面施作護(hù)坡樁及澆筑冠梁等。

2）工況2 從地面向下開(kāi)挖深度為2.8m，即為布置第1排預(yù)應(yīng)力錨桿下0.5m處。

3）工況3 從此時(shí)的坑底繼續(xù)開(kāi)挖3.3m深至布置第2排預(yù)應(yīng)力錨桿下0.5m處。

4）工況4 從此時(shí)的坑底繼續(xù)開(kāi)挖4.0m深至布置第3排預(yù)應(yīng)力錨桿下0.5m處。

5）工況5 從此時(shí)的坑底繼續(xù)開(kāi)挖3.5m深至布置第4排預(yù)應(yīng)力錨桿下0.5m處。

6）工況6 從此時(shí)的坑底繼續(xù)開(kāi)挖3.2m深至基坑底，同時(shí)澆筑基坑底板。

2.5 相關(guān)變形控制規(guī)定

本工程基坑安全等級(jí)整體按一級(jí)考慮，鄰近地鐵側(cè)采取變形加強(qiáng)控制，樁頂水平及豎向位移控制值為20mm，報(bào)警值為16mm，變化速率3mm/d。依據(jù)地鐵軌道相關(guān)的規(guī)范規(guī)定：地鐵隧道水平位移和豎向位移預(yù)警值限制在10mm之內(nèi)，控制值均限制在20mm之內(nèi)?；颖O(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 地鐵側(cè)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 數(shù)值模擬可靠性分析

首先檢驗(yàn)數(shù)值模擬的擬合性，將數(shù)值模擬計(jì)算的2-2剖面支護(hù)樁基坑側(cè)壁的水平位移計(jì)算值與基坑支護(hù)樁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合對(duì)比，可直觀發(fā)現(xiàn)護(hù)坡樁水平位移的變化趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 水平位移對(duì)比

由圖4可知，護(hù)坡樁水平位移曲線(xiàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)走勢(shì)很接近，變化規(guī)律高度一致。數(shù)值模擬水平位移最大值為8.91mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水平位移最大值為9.32mm，均在控制值范圍以?xún)?nèi)，說(shuō)明此基坑樁錨支護(hù)可保證基坑自身使用安全，且數(shù)值模擬計(jì)算的簡(jiǎn)化沒(méi)有問(wèn)題，材料參數(shù)取值符合實(shí)際情況，可通過(guò)該模型研究對(duì)鄰近地鐵隧道產(chǎn)生的變形影響。

3.2 地鐵隧道斷面豎向分析

3.2.1 變形情況

利用已建模型對(duì)將各工況引起地鐵隧道斷面變形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)豎向變形最大值均發(fā)生在隧道靠近基坑側(cè)，可直觀表現(xiàn)變形狀況，方便研究其規(guī)律（見(jiàn)表4）。

表4 左線(xiàn)隧道豎向最大變形值

由表4可得出數(shù)值模擬地鐵隧道的豎向變形隨著工況開(kāi)挖逐漸增大，最大豎向位移發(fā)生工況6，數(shù)值為0.880mm。逐步工況分析，由工況1可知，鉆孔灌注樁和冠梁的施工對(duì)地鐵隧道影響微小，可忽略不計(jì)。工況2的隧道豎向變形出現(xiàn)下沉。左線(xiàn)地鐵上部受壓，發(fā)生下沉，同時(shí)底部也發(fā)生下沉。分析此原因，由于基坑開(kāi)挖尚很淺，土體卸載對(duì)地鐵隧道影響不是很明顯。隨著第1道錨桿打入施工，錨桿錨固段距離地鐵隧道約3.4m，錨固段到達(dá)隧道正上方，隧道上方周?chē)馏w整體與預(yù)應(yīng)力錨桿協(xié)同工作。錨固端土體對(duì)隧道有向下壓迫趨勢(shì)，土體擾動(dòng)加上土體承載力降低，導(dǎo)致其出現(xiàn)下沉，并未因隧道位于基坑下側(cè)隨開(kāi)挖導(dǎo)致其上浮。

工況3～6中地鐵隧道左線(xiàn)橫斷面位移均表現(xiàn)為整體上浮，最大位移發(fā)生近基坑側(cè)，隧道發(fā)生一定角度的扭轉(zhuǎn)。

3.2.2 變形原因分析

第2道錨桿的錨固段與隧道凈距為1.8m，地鐵隧道左側(cè)土體與錨桿的協(xié)同工作導(dǎo)致部分土體受到擾動(dòng)，整體有向左位移的趨勢(shì)，形成土體松動(dòng)區(qū)，對(duì)地鐵卸載較明顯，隧道出現(xiàn)偏左上方向的上升位移。伴隨著工況4開(kāi)挖完成，基坑開(kāi)挖深度已接近于地鐵隧道的埋深。隨著第3道錨桿打入后，錨桿的錨固段已深入地鐵隧道下方，在土體與錨固段相互作用機(jī)理下，使隧道有向上抬起的趨勢(shì)，從而左線(xiàn)隧道產(chǎn)生了左側(cè)明顯高于右側(cè)的上浮。同理，第4道錨桿的打入，隧道受到的向上分力增大，土體卸載非常明顯，上浮趨勢(shì)也增加。最終，基坑開(kāi)挖到底并澆筑底板，隧道豎向位移達(dá)到最大值，由于預(yù)應(yīng)力錨桿與基坑周邊土體的協(xié)同受力，基坑開(kāi)挖深度遠(yuǎn)超過(guò)隧道埋深，此時(shí)地鐵隧道受土體開(kāi)挖卸載影響明顯，隧道未出現(xiàn)下沉，仍處于上浮狀態(tài)。

總之，鄰近深基坑的地鐵隧道，隨著基坑的開(kāi)挖，靠近基坑一側(cè)的隧道豎向變形明顯大于遠(yuǎn)離側(cè)。左線(xiàn)隧道整體處于上浮狀態(tài)，隧道近基坑側(cè)壁豎向位移較遠(yuǎn)離側(cè)大，豎向被擠壓，隧道橫斷面產(chǎn)生一定角度的扭轉(zhuǎn)，方向指向基坑開(kāi)挖側(cè)。

3.3 地鐵隧道斷面水平方向分析

將數(shù)值模擬計(jì)算的各工況引起地鐵隧道斷面橫向變形累計(jì)最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 左線(xiàn)隧道水平向最大變形值

該基坑施工完畢后，經(jīng)模擬計(jì)算可得最大橫向位移同樣發(fā)生工況6，亦發(fā)生在隧道靠近基坑的一側(cè)，橫向變形最大值為2.520mm。由工況1可知，鉆孔灌注樁和冠梁的施工，對(duì)地鐵隧道影響微小，可忽略不計(jì)。由工況5～6可知，隧道水平位移發(fā)展較快，差值為1.185mm，應(yīng)引起注意。

隧道隨著基坑開(kāi)挖深度增加，隧道整體向基坑方向水平位移越來(lái)越大。分析工況6水平位移發(fā)展迅速的原因，工況5完成后，繼續(xù)開(kāi)挖3.2m，此時(shí)基坑開(kāi)挖深度已超過(guò)隧道埋深，地鐵隧道受土體開(kāi)挖卸載非常明顯，樁錨支護(hù)與土體協(xié)同工作，有整體向基坑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，導(dǎo)致隧道水平位移增加較大。

綜合分析可知，左線(xiàn)地鐵隧道左側(cè)壁位移明顯大于右側(cè)，整體向基坑側(cè)位移，隧道橫斷面被水平拉伸，但發(fā)生一定角度的扭轉(zhuǎn)，沿徑向指向基坑開(kāi)挖位置。

3.4 隧道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

基坑開(kāi)挖施工期間，對(duì)地鐵6號(hào)線(xiàn)隧道左線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以水平和豎向位移為主。2-2斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)隧道豎向位移最大值監(jiān)測(cè)圖發(fā)現(xiàn)，隧道豎向位移隨基坑開(kāi)挖深度增加而上浮變大，增大到最大值為1.036mm，當(dāng)澆筑底板完成，豎向變形最大值為0.912mm，減少0.124mm，之后趨于穩(wěn)定?；娱_(kāi)挖整個(gè)過(guò)程中，地鐵左線(xiàn)隧道最終最大豎向變形值為0.912mm，與數(shù)值模擬計(jì)算最大豎向位移值0.880mm相差很小，進(jìn)一步驗(yàn)證模型數(shù)值模擬基坑工程支護(hù)的合理性。

由隧道豎向位移最大值監(jiān)測(cè)圖可知，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，開(kāi)挖深度越來(lái)越大，隧道水平位移后期增長(zhǎng)較快，基坑開(kāi)挖完成累計(jì)最大水平位移值為2.868mm，混凝土底板澆筑后，隧道水平位移減少0.261mm，之后為2.607mm基本穩(wěn)定不變。對(duì)比數(shù)值模擬計(jì)算的地鐵隧道最大水平位移值2.520mm，說(shuō)明基坑的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系滿(mǎn)足要求。

綜合隧道水平位移與沉降分析，當(dāng)基坑開(kāi)挖完成澆筑底板后，地鐵隧道的水平和豎向變形都有所降低，對(duì)于深基坑開(kāi)挖，應(yīng)當(dāng)合理控制開(kāi)挖深度，減少基坑暴露時(shí)間，及時(shí)澆筑基坑底板可有效控制鄰近地鐵隧道變形。

總之，綜合分析以上數(shù)值模擬水平及豎向位移圖和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析，對(duì)照數(shù)值模擬開(kāi)挖到基坑底部的總位移可直觀看出樁錨支護(hù)對(duì)于周?chē)馏w及地鐵隧道受基坑開(kāi)挖的影響趨勢(shì)。綜合研究發(fā)現(xiàn)，除工況1～2外，隧道基本整體發(fā)生上浮。隨著深基坑開(kāi)挖，靠近基坑一側(cè)的隧道變形明顯大于遠(yuǎn)基坑側(cè)的隧道，且靠近基坑的側(cè)壁位移大于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)。由地鐵隧道變形的數(shù)據(jù)分析，地鐵隧道最大水平位移值遠(yuǎn)大于豎向位移值?？傻没娱_(kāi)挖過(guò)程中隧道橫斷面的變形規(guī)律：橫向發(fā)生拉伸，豎向被擠壓，呈現(xiàn)橫橢圓形，隨著開(kāi)挖工況不同，隧道出現(xiàn)一定角度的扭轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）深基坑的樁錨支護(hù)對(duì)鄰近已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響較大。鄰近深基坑的地鐵隧道，隨著基坑的開(kāi)挖，靠近基坑一側(cè)的隧道變形明顯大于遠(yuǎn)離的一側(cè)，且隧道靠近基坑的側(cè)壁位移大于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)。樁錨支護(hù)的錨固段距離地鐵隧道較近，錨桿與土體協(xié)同工作，導(dǎo)致隧道整體產(chǎn)生上浮。

2）由數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的簡(jiǎn)化合理可行，該基坑采用樁錨支護(hù)體系可保證基坑自身安全使用。對(duì)于深基坑開(kāi)挖，應(yīng)當(dāng)合理控制開(kāi)挖深度，減少基坑暴露時(shí)間，及時(shí)澆筑基坑底板可有效控制鄰近地鐵隧道變形。

3）鄰近深基坑的地鐵隧道水平方向位移影響大于豎向位移。隧道橫斷面在豎向產(chǎn)生壓縮，橫向發(fā)生拉伸，呈橫橢圓形，隨著開(kāi)挖工況，沿徑向指向基坑開(kāi)挖位置，并產(chǎn)生一定角度的扭轉(zhuǎn)。該研究可為后續(xù)鄰近地鐵隧道的深基坑開(kāi)挖提供參考。