吴龙梁，王 威，钟 勇，任振洋，汪 洋，郭 栋
(1.哈尔滨工业大学 (深圳) 土木与环境工程学院, 广东 深圳 518055; 2.深圳市建筑工务署, 广东 深圳 518031;3.铁科院(深圳)研究设计院有限公司, 广东 深圳 518035)
随着城市轨道交通的大规模兴建, 临近既有地铁车站及隧道的基坑工程也日益增多。基坑开挖改变了土体原有的应力场和位移场, 从而容易引起临近地铁隧道产生位移和变形[1-2]。为了保证隧道结构安全与地铁正常运营, 对于基坑开挖引起的地铁隧道变形控制要求极其严格[2-3]。
现场变形监测数据能够体现各种影响因素的综合作用, 实时反馈隧道的稳定与安全性。开展隧道位移和变形的实测分析, 是研究基坑工程对隧道变形影响规律最有效的方法之一[4-13]。学者基于现场监测数据对基坑开挖影响下的邻近地铁隧道变形特性进行了研究: 魏纲等[6]结合地下工程的桩基施工阶段及基坑开挖阶段的隧道变形监测数据分析了隧道位移收敛的变化规律, 发现桩基施工对隧道沉降的影响较大, 基坑开挖对隧道的水平位移影响较大; 郑刚等[7]对基坑开挖工程的桩施工及开挖阶段进行全程监测, 结合实际数据分析了不同阶段对下卧运营隧道的影响; 王立峰等[8]对邻近基坑开挖地铁隧道的水平位移和沉降的时空分布作了深入分析, 发现施工中应考虑基坑分块开挖造成的时空效应影响; 丁智等[9]对基坑开挖全阶段施工过程中的深层土体侧向位移与邻近地铁隧道变形之间的规律进行了研究, 探讨了基坑开挖的施工危险点与重点影响区域。既有基坑开挖对隧道影响的研究较少涉及软土工程领域, 关于软土地层深基坑开挖对下卧隧道影响的实测分析尚不多见。由于软土具有较大的压缩性、 较低的抗剪强度, 以及较强的蠕变特性, 使得软土地层基坑开挖导致的周边土体变形更难控制[10,14-15]。若能正确评估软土地区深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响规律, 对于指导软土地区基坑工程和地下工程的设计和施工都具有重大意义。
本文以某上跨已运营地铁隧道的基坑工程为背景, 结合基坑开挖全过程中地铁隧道的监测数据, 对基坑工程不同施工节点下卧及侧下方隧道位移和变形的特征进行深入分析, 得到了软土深基坑开挖对下卧地铁隧道的影响规律, 研究结果可为软土地区类似工程设计和施工提供参考依据和指导意见。
本项目为深圳市某景观桥梁承台基坑工程。基坑呈75.5 m×13.5 m的矩形, 开挖面积约为1 019 m2, 开挖深度约为5.3 m, 开挖范围分布有深厚软土, 属软土深基坑工程。基坑底部下卧有处于运营状态的地铁5号和11号线, 两者隧道结构一致, 但与开挖基坑的空间位置存在差异。5号线隧道结构边缘距离景观桥桩基最小净距为3.7 m, 承台基坑底部距离地铁结构外边缘距离最小为8.9 m。11号线隧道结构边缘距离景观桥桩基最小净距为3.0 m, 承台基坑底部距离地铁结构外边缘距离最小为4.5 m。基坑与隧道结构的空间位置如图1所示。本工程地层从上至下依次为填石、 淤泥、 砾质黏性土和全风化花岗岩, 其中淤泥层厚度为2.1～6.5 m。岩土层的物理力学指标如表1所示。由于基坑紧邻地铁, 加之不良地质条件, 本工程基坑开挖对地铁隧道变形控制的难度较大。
图1 基坑与隧道的空间位置Fig.1 Spatial location of foundation pit and tunnel
表1 岩土层的物理力学指标参数
基坑支护采用锚撑和对撑组合支护形式, 开挖区域被分为若干竖井, 井身由超前支护和初期支护组成。其中, 超前支护为Φ83 mm×5 mm注浆钢花管, 环向间距0.5 m; 初期支护为Φ22 mm钢筋锚杆, 锚杆长度为2 m, 水平和竖向间距分别为0.5和0.3 m; 钢支撑采用Φ609 mm钢管, 壁厚16 mm。
基坑开挖前采取了井点降水措施, 同时对地铁隧道影响区域进行了袖阀管注浆加固处理。注浆加固采用的水泥浆的水灰比为0.8, 注浆孔间距为1.5 m, 注浆压力为0.3 MPa。桥梁桩基础施工完成后, 土方采用分层分段的方式放坡开挖。先开挖基坑A1、 B1区, 随后开挖A2、 B2区, 再依次开挖C1和C2区。基坑开挖完成后迅速浇筑抗浮底板, 并进行桥梁承台和墩台施工, 最后拆除支撑并回填, 基坑施工工况如表2所示。本基坑工程历时103天, 2019年5月23日开始土方开挖, 7月3日基坑挖至设计底板标高, 7月28日抗浮底板浇筑完成, 9月5日回填完成。
表2 基坑施工工况
为加强地铁隧道的变形控制, 对基坑开挖影响范围内的隧道进行位移和变形监测, 隧道监测断面划分及隧道监测点布置如图2所示。隧道位移监测和变形监测分别涉及地铁隧道40和100环, 每环间距1.5 m。位移监测每4环设置一个断面, 基坑下卧11号线左、 右线和5号线左线设置有11个断面, 基坑侧下方的5号线右线设置有8个断面。各隧道断面分别设置了2个水平位移监测点、 2个轨道沉降监测点、 1个隧道拱顶沉降监测点, 并确定了3个隧道直径收敛变形监测方向, 如图2b所示。隧道位移监测采用全自动化监测系统, 在4条隧道内各安装一台徕卡TS50全站仪, 采用GeoMoS和StarNet软件进行实时测量分析和数据处理。地铁隧道的收敛变形监测采用徕卡Scan Station P40扫描仪进行面状式三维激光扫描, 通过采集隧道的横断面数据, 得到隧道内部不同方向的最大净空直径, 并以此来分析隧道变形情况。
图2 监测断面及监测点布置图Fig.2 Layouts of monitoring sections and points
3.1 隧道位移的空间分布
汇总拱顶沉降监测点CJ1和左侧水平位移监测点SP1-1的监测数据, 分别得到隧道在基坑开挖过程中的累计沉降和水平位移变化规律, 如图3、 4所示。累计沉降位移正值表示下沉, 负值为上抬; 水平位移正值表示向隧道右线方向, 负值表示向隧道左线方向。总体上, 隧道竖向位移既有下沉也有上抬, 基坑开挖范围内累计沉降的变化显著; 隧道水平位移的发展方向基本固定, 各隧道的水平位移大体上向基坑中心方向发展, 最大水平位移主要出现在基坑开挖范围之内。分析原因可知, 基坑开挖前的桥梁桩基础施工对土层产生了一定的扰动, 由于地层中深厚软土具有低强度和蠕变特性, 加之基桩和隧道距离较近, 对隧道产生了一定程度的影响。桩基础施工时对土层产生了向下的附加荷载, 同时桩孔施工时水平方向的应力释放打破了原有力学平衡, 因而导致隧道产生了向下的沉降位移和朝向桩孔方向的水平位移。因受到桩基“由中心向两侧”施工工序的影响, 各隧道呈现出向基坑中心方向发生水平位移的规律。此外, 由于基坑与隧道存在近似错层正交的空间位置关系, 且基坑开挖范围产生的附加荷载最大, 从而导致隧道在基坑开挖范围内产生相对较大的位移。
图3 CJ1累计沉降量监测结果Fig.3 Monitoring results of accumulated settlement at CJ1
图4 SP1-1水平位移监测结果Fig.4 Monitoring results of horizontal displacement at SP1-1
位移监测结果如表3所示。5号线左线最大累计沉降位移量为5.3 mm, 为上抬位移, 发生在基坑底部正下方的第7断面(119环)处。5号线右线最大累计沉降位移量为2.1 mm, 为上抬位移, 发生在第5断面(116环)处。11号线左、 右线最大累计沉降位移量分别为8.5和9.1 mm, 均为上抬位移, 且均发生在位于基坑底部正下方的第5断面(547和541环)处。总体上, 11号线累计沉降位移量大于5号线, 表明隧道下卧深度越小其上抬位移越大。5号线左线的累计沉降位移量明显大于其右线, 即基坑下方隧道的上抬位移大于基坑侧隧道, 表明距离基坑底部的水平距离越近其上抬位移越大。上述规律与文献[2, 10]的研究结果相近似, 从而再次验证了基坑和隧道结构的空间关系是影响累计沉降位移量的重要因素这一重要结论。5号线左、 右线最大水平位移量分别为2.4和1.5 mm, 分别发生在基坑开挖范围的第6断面(115环)处和第5断面(116环)处。11号线左、 右线最大水平位移量分别为1.3和1.4 mm, 均发生在位于基坑底部正下方的第7断面(555和549环)处。5号线右线的水平位移相对较大, 表明基坑侧下方的隧道更易产生水平位移。总体上, 隧道的水平位移相对较小, 上抬位移相对较大。这主要是由基坑与隧道的空间位置关系决定的, 另外, 先施工的桩基础对隧道水平位移也产生了一定的限制作用。
表3 隧道位移监测结果
3.2 隧道位移的时程分析
图5为隧道拱顶最大累计沉降位移和隧道侧最大水平位移的时程曲线。隧道发生竖向位移和水平位移的最大变量分别为14.5和2.5 mm。工况1引起的隧道沉降位移和水平位移较小, 表明袖阀管注浆加固地铁周边土体施工对隧道变形基本无影响。工况2引起的隧道下沉位移和水平位移分别占其总位移变量的最大比例可达37.3%和85.7%, 表明桥梁桩基础施工引起了明显的隧道下沉位移和水平位移。工况3引起的隧道上抬位移占总竖向位移变量的最大比例为75.8%, 表明隧道上抬位移主要由基坑A1、 B1区开挖所引起。隧道在工况4～12期间产生了小幅度的波动变化, 但总体位移逐渐趋于稳定, 表明分层分段开挖基坑能够较好地控制隧道变形。分析位移波动的原因可知, 隧道的最终变形是多方面影响因素的综合反映, 除基坑开挖方式这一主要影响因素以外, 施工期间水位变化、 地铁运营、 施工时间等因素也会对隧道变形产生一定的影响。
图5 隧道监测时程曲线Fig.5 Time history curves of tunnel monitoring
3.3 隧道截面变形分析
软土地区盾构法施工的隧道受恒载、 活载、 动载的影响, 其变形曲线通常为非标准的椭圆。为了进一步分析隧道的横向变形和管片的受力变形情况, 对地铁道隧进行三维激光扫描, 以净空直径最大宽度值为评价指标开展隧道截面的变形分析。扫描数据采用三次均匀样条插值法进行处理, 通过数据拼接可得到隧道精确的拟合点云如图6所示。通过逐环测量基坑回填完成后(工况12)的隧道净空最大宽度, 得到每个断面的变形情况图7。
图6 三维扫描点云图(11号线左线)Fig.6 Point cloud of 3D scanning
图7 隧道净空直径最大宽度Fig.7 Maximum width of tunnel clearance diameter
5号线左线隧道55～158环断面在0°～180°、 45°～225°、 135°～315°三个方向上的净空收敛直径平均值分别为5 431.25、 5 388.41、 5 409.02 mm。其中, 扫描范围内的最大值为0°～180°方向上的5 456.13 mm, 位于第85环。11号线左线隧道484～585环在上述3个方向上的净空收敛直径平均值分别为5 459.95、 5 403.01、 5 396.62 mm, 扫描范围内的最大值为0°～180°方向上的5 470.12 mm, 位于第574环。11号线右线隧道464～605环在上述3个方向上的净空收敛直径平均值分别为5 458.82、5 392.11、 5 410.12 mm, 扫描范围内的最大值为0°～180°方向上的5 485.51 mm, 位于第541环。由此可见, 隧道截面主要发生了0°～180°方向上的横向变形, 其主要是由桥梁承台和抗浮底板产生的竖向附加荷载所引起的。11号线的隧道净空最大宽度总体上大于5号线, 表明隧道下卧深度越浅, 隧道截面变形越显著。根据三维激光扫描结果, 11号线左、 右线在0°～180°这个方向上超过隧道限界5 470 mm共有31环, 其中左线2环, 右线29环。隧道净空最大宽度超限界情况主要发生在基坑开挖区域, 表明桥梁基础施工对隧道横向变形影响较大, 需引起重点关注。
通过对某桥梁承台基坑工程施工的全过程进行位移和变形监测, 研究分析了软土区深基坑开挖对下卧隧道的影响规律, 主要结论如下:
(1)软土地层的桩基础施工和基坑开挖将引起较大的土体扰动和附加荷载, 由于软土具有强蠕变性、 高压缩性和低强度等特性, 将引起下卧隧道产生较明显的位移和变形。
(2)基坑和隧道结构的空间关系是影响隧道位移和变形的重要因素。下卧隧道以竖向位移为主, 而侧下方隧道同时产生竖向位移和水平位移; 最大竖向位移和水平位移均发生在基坑开挖投影范围内, 距离基坑底越近隧道上抬位移越大。下卧隧道变形以0°～180°方向横向变形为主, 且埋深越浅变形越大。
(3)桩基施工引起隧道下沉, 基坑开挖引起隧道上浮。隧道下沉和水平位移主要发生在桩基施工阶段, 而上浮位移主要发生在基坑A1、 B1区开挖阶段。
(4)本基坑工程采取预先加固、 超前支护和分层分段开挖的施工方法, 较好地控制了下卧隧道的位移和变形, 从而确保了地铁的安全运营。
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