王　霆

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司　南京　210008)

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南京長江漫灘區(qū)基坑開挖與降水對(duì)既有地鐵隧道影響的數(shù)值分析

王霆

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司南京210008)

摘要基坑開挖與降水會(huì)使鄰近既有地鐵隧道產(chǎn)生內(nèi)力調(diào)整和變形重分布，影響其正常使用和運(yùn)營安全。開挖與降水過程中基坑支護(hù)、地基土體和隧道結(jié)構(gòu)之間相互作用和影響，其變形穩(wěn)定問題是一個(gè)復(fù)雜的三維力學(xué)問題，可采用三維數(shù)值模擬進(jìn)行分析。基于FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件，對(duì)南京長江漫灘區(qū)某大面積基坑開挖全過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析開挖卸荷、降水對(duì)鄰近2條地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形影響。計(jì)算表明，基坑開挖卸荷時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形量值和變形相對(duì)曲率較小，未超過安全控制值；但降水產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)沉降變形量值較大，對(duì)地鐵線路的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；基坑開挖；降水；地鐵隧道；FLAC 3D軟件；變形分析

1研究現(xiàn)狀

地鐵沿線的城市商業(yè)、娛樂和住宅開發(fā)中很大一部分涉及基坑工程，基坑開挖卸荷會(huì)打破周圍地基土體和鄰近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使其產(chǎn)生應(yīng)力和變形重分布[1]。地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，尤其是隧道內(nèi)鋼軌的變形直接影響到列車行車速度、運(yùn)行品質(zhì)和列車安全。因此，針對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近既有地鐵隧道線路的變形影響分析和評(píng)估以及在此基礎(chǔ)上采取的變形控制措施的研究越來越多。

魏綱、蔡建鵬和劉國寶、鄭剛等、劉斯琴等、李瑛等[1-5]采用數(shù)值分析方法研究了基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道的影響，普遍得出上覆基坑開挖卸荷引起的隧道變形以隆起為主的結(jié)論，并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化方案以保障下臥地鐵隧道安全。胡云龍、王志杰等、裴行凱等、左殿軍等、胡海英等[6-10]關(guān)于基坑開挖對(duì)側(cè)向既有地鐵隧道變形影響進(jìn)行數(shù)值分析，普遍認(rèn)為隧道變形主要以水平變形為主，隧道可能隆起也可能沉降。另外,還有學(xué)者研究了基坑降水對(duì)地鐵隧道的影響，王丙乾[11]分析上方基坑降水產(chǎn)生的隧道沉降，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較；黃信等[12]采用滲流變形耦合方法研究基坑降水對(duì)既有地鐵隧道的影響；朱悅銘等[13]基于下負(fù)荷面劍橋模型進(jìn)行數(shù)值研究基坑降水影響。

目前，相關(guān)研究主要關(guān)注鄰近地鐵線路的基坑工程，但在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)，基坑開挖與降水也可能對(duì)相對(duì)較遠(yuǎn)的地鐵線路產(chǎn)生影響。南京河西地區(qū)屬于長江漫灘區(qū)，該地區(qū)地層上部黏土層為軟土層和硬土層互層結(jié)構(gòu)，下層為厚度較大的承壓含水層，該地區(qū)地質(zhì)條件特殊且復(fù)雜，地下水豐富，對(duì)深基坑工程施工影響極大[14]；同時(shí)該地區(qū)的軌道交通安全控制保護(hù)范圍也有別于其他地區(qū)，新修訂的《南京軌道交通條例》將長江及秦淮河等地質(zhì)條件復(fù)雜、存在安全隱患的漫灘地區(qū)軌道交通控制保護(hù)區(qū)范圍界定在“軌道交通結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)150 m內(nèi)”[15]。換句話說，南京長江漫灘地區(qū)百米外的基坑施工會(huì)對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，因此值得深入分析和研究。

目前，包括基坑工程在內(nèi)的巖土工程多采用商用數(shù)值分析軟件，如Midas GTS、ANSYS、ABAQUS、FLAC3D[16-19]等進(jìn)行研究分析。三維有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC3D能很好地模擬巖土材料力學(xué)特性，且計(jì)算效率高，開放性較好，便于二次開發(fā)，已廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域。

筆者基于FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬南京河西地區(qū)某商業(yè)開發(fā)項(xiàng)目的大面積深基坑開挖全過程，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)與地基土體變形規(guī)律，重點(diǎn)分析了基坑開挖卸荷與降水對(duì)鄰近地鐵隧道的變形影響，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果針對(duì)該基坑設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施提出建議。

2工程概況

南京河西某商業(yè)項(xiàng)目二期工程，緊鄰已完工的一期工程，其基坑?xùn)|西長約216 m，南北長約224 m，總面積為44 847 m2(見圖1(a))，基坑開挖深度約為14.50 m，局部(塔樓基坑)開挖深度為17.5 m，基坑具有面積大、開挖深的特點(diǎn)。

基坑西側(cè)與項(xiàng)目一期基坑相接，一期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 100@1 300鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)(見圖1(b))，

圖1　基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)

樁外設(shè)Φ850三軸攪拌樁作為止水帷幕，灌注樁段嵌固深度約為20 m，帷幕長23 m。由于采用了懸掛式止水帷幕，基坑施工期間坑內(nèi)降水造成鄰近地鐵明挖區(qū)間產(chǎn)生較大變形，結(jié)構(gòu)裂縫開展，影響隧道運(yùn)營安全。由于吸取一期基坑的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)二期基坑另外三側(cè)采用了1 000 mm地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，嵌固深度約為34 m，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5～1.5 m(見圖1(c))。地下連續(xù)墻于2011年施工完畢，接頭采用工字鋼?；迂Q向設(shè)3層鋼筋混凝土支撐，內(nèi)支撐設(shè)計(jì)采用對(duì)撐、角撐、邊桁架體系支撐。

基坑場(chǎng)地屬于長江漫灘相地貌單元，地勢(shì)平整，起伏不大，場(chǎng)地自上而下地層分為：雜填土、素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖。場(chǎng)地地下水主要以孔隙潛水為主，設(shè)計(jì)地下 潛水位在地 面以下0.5 m。各土層設(shè)計(jì)選用力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1　各土層設(shè)計(jì)力學(xué)指標(biāo)值

基坑南側(cè)與地鐵明挖隧道相鄰，最小凈距約為99.4 m，隧道覆土為3.5～6.1 m；東側(cè)與運(yùn)營中的地鐵盾構(gòu)隧道相鄰，最小凈距約為56 m，隧道覆土為12.16～14.31 m。開挖基坑與地鐵隧道的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2　地鐵隧道與開挖基坑位置關(guān)系

由于本場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑處于地鐵結(jié)構(gòu)控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，地鐵盾構(gòu)隧道和明挖隧道全部處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，需要研究基坑開挖卸荷對(duì)地鐵隧道的影響。同時(shí)，灌注樁外側(cè)攪拌樁止水帷幕深23 m，地下35～50 m為透水性很強(qiáng)的粉土粉砂層；加之下臥巖面會(huì)有起伏，地下連續(xù)墻不能保證完全入巖來隔斷承壓水，基坑止水帷幕無法隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系。近期基坑抽水試驗(yàn)表明，基坑內(nèi)部單井抽水涌水量穩(wěn)定在53 m3/h時(shí)，坑外觀測(cè)井水位下降 0.25 m，群孔抽水試驗(yàn)時(shí)坑外觀測(cè)井水位下降達(dá)1.24 m[20]?？梢?，坑內(nèi)降水將使得坑外地下水位降低明顯，因此有必要研究坑外水位下降對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。

3三維數(shù)值模擬

3.1計(jì)算模型

根據(jù)地鐵區(qū)間隧道與基坑工程的平、剖面關(guān)系，建立三維計(jì)算模型。充分考慮工程模擬精度與效率，模型尺寸為480 m×550 m×70 m，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為116 613個(gè)，實(shí)體單元數(shù)為104 224個(gè)。土體采用實(shí)體單元模擬，采用彈塑性M-C模型計(jì)算；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)單元模擬，其中地連墻、車站結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)殼單元模擬，隧道襯砌采用結(jié)構(gòu)襯砌單元模擬，基坑內(nèi)部支撐和立柱采用結(jié)構(gòu)梁單元模擬，結(jié)構(gòu)單元均考慮線彈性模型計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3　三維有限元計(jì)算模型

模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部限制垂直移動(dòng)，上邊界為自由地表，立柱底端約束豎向轉(zhuǎn)動(dòng)；考慮土體及結(jié)構(gòu)自重，地面超載20 kPa。

材料模型計(jì)算參數(shù)詳見表1，強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖的強(qiáng)度參數(shù)缺少試驗(yàn)值，可參考南京地區(qū)相關(guān)基坑工程的材料參數(shù)取值。

3.2開挖卸荷模擬

基坑共分4步開挖工況，1層開挖深度為0.95 m，2層開挖深度為6.65 m，3層開挖深度為10.55 m，4層開挖深度為14.05 m至坑底，基底標(biāo)高為15.1 m?？觾?nèi)設(shè)置3道內(nèi)支撐。計(jì)算過程為：模擬地鐵隧道開挖前初始應(yīng)力狀態(tài)→地鐵開挖后隧道結(jié)構(gòu)地基土體穩(wěn)定狀態(tài)→地下連續(xù)墻砌筑→位移清零→第1層基坑開挖→施作第1道支撐→第2層基坑開挖→施作第2道支撐→第3層基坑開挖→施作第3道支撐→基坑開挖至設(shè)計(jì)基坑底部。

圖4為基坑開挖后地下連續(xù)墻水平位移云圖，地連墻x方向最大水平位移約為31.4 mm，位于基底附近；z方向最大水平位移約為28.5 mm，位于基底附近。

圖4　地連墻水平位移云圖

表2為各層基坑開挖后鄰近地鐵隧道的最大變形值，可見地鐵隧道的變形值在整體上隨著基坑開挖深度的增加而增加。圖5為開挖至基坑底部后隧道水平位移云圖。結(jié)合表2可看出，基坑開挖卸荷產(chǎn)生的地鐵隧道變形主要以水平變形為主，變形量均小于規(guī)范允許值20 mm[21]，而且基坑開挖對(duì)2號(hào)線盾構(gòu)隧道的影響大于對(duì)10號(hào)線明挖隧道的影響。圖6為2號(hào)線盾構(gòu)隧道水平位移和豎向位移沿隧道方向變化曲線(即變形相對(duì)曲率)。其中，水平變形曲率為0.021×10-3，豎向變形曲率為0.024×10-3，均小于隧道變形相對(duì)曲率控制值0.067×10-3[21]；圖6中的水平位移以靠近基坑方向?yàn)檎?，豎向位移向下為正。

表2　各層基坑開挖后地鐵隧道特征位移值　mm

圖5　地鐵隧道水平位移云圖

圖6　盾構(gòu)隧道水平位移和豎向位移沿隧道長度變化曲線

3.3降水模擬

基坑抽水實(shí)驗(yàn)表明，基坑內(nèi)降水將影響坑外地下水位，考慮到基坑西側(cè)攪拌樁止水帷幕未進(jìn)入不透水層，加之兩條地鐵隧道均位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，若降水處理不當(dāng)或是地下連續(xù)墻質(zhì)量存在缺陷(已施工完成5年)而在實(shí)際施工過程中存在滲漏水，水位降低后淤泥質(zhì)土體固結(jié)必然會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生影響。

本次降水計(jì)算考慮最不利降水工況，模擬基坑外地下水位同步降低2、6、9和14 m的工況。與考慮流-固耦合的計(jì)算方法不同，水位同步降低不用考慮具體滲流路徑以及坡降曲線，孔隙水壓力被積分為節(jié)點(diǎn)力作用在模型節(jié)點(diǎn)上，在求解平衡方程時(shí)，被視為“外力”。

圖7為水位降低2、6、9、14 m的隧道沉降云圖，表3為最大沉降值統(tǒng)計(jì)表。可見，因?yàn)樗淼缆裆钤颍油馑幌陆祵?duì)明挖隧道的影響大于盾構(gòu)隧道；坑外水位下降超過6 m后，地鐵隧道豎向位移顯著增加且已超過安全控制值20 mm。

圖7　不同下降水位地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降云圖

3.4結(jié)果分析與工程建議

表3　不同下降水位下地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值　mm

由計(jì)算結(jié)果可知,基坑開挖卸荷對(duì)地鐵線路變形影響較小,開挖卸荷引起的地鐵隧道最大變形值、最大變形曲率均小于安全控制值。為加強(qiáng)地鐵側(cè)被動(dòng)區(qū)土體抗力,進(jìn)一步控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,在地鐵側(cè)的坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)采用Φ850三軸深層攪拌樁(縱橫搭接250 mm)進(jìn)行加固。

由計(jì)算分析可知，坑外水位降低對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形影響很大，對(duì)明挖隧道的影響大于盾構(gòu)隧道；坑外水位下降超過6 m后，地鐵隧道豎向位移超過了安全控制值。為盡量減小基坑施工對(duì)坑外水位的影響，可在地下連續(xù)墻外側(cè)增加一排700 mm厚TRD(水泥加固地下連續(xù)墻)工法止水帷幕，并通過降水試驗(yàn)驗(yàn)證該措施是否能保證地下水位滿足基坑及地鐵隧道安全要求；此外應(yīng)合理布置降壓井和坑外回灌井，優(yōu)化降壓井運(yùn)行工況，減小基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響；加強(qiáng)地下水位監(jiān)測(cè)，以防出現(xiàn)基坑涌水，根據(jù)相關(guān)研究成果初步判斷滲漏點(diǎn)深度范圍進(jìn)行有針對(duì)性的封堵。

4施工監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，該基坑工程開挖完成后，深層土體最大水平位移為36.75 mm，坑外水位降低2.15 m。圖8為基坑深層土體隨深度變化的水平位移監(jiān)測(cè)值與有限元計(jì)算值的對(duì)比圖?？梢?，本文計(jì)算得到的連續(xù)墻變形實(shí)測(cè)值稍大于計(jì)算值，其規(guī)律與實(shí)測(cè)比較吻合。

圖8　基坑地下墻水平位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值比較

根據(jù)對(duì)地鐵隧道的監(jiān)測(cè)結(jié)果，明挖和盾構(gòu)隧道隨基坑開挖的沉降變化曲線見圖9。

圖9　基坑開挖時(shí)序下隧道最大沉降曲線

由于基坑開挖和坑外水位降低對(duì)于隧道變形的影響是綜合效應(yīng)，因此無法將隧道豎向變形監(jiān)測(cè)值中的基坑開挖和坑外水位變動(dòng)引起的隧道變形分開。通過基坑開挖、降水引起的隧道沉降理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比表明，二者數(shù)值接近，規(guī)律相同，且均滿足規(guī)范安全要求；同時(shí)，根據(jù)計(jì)算可定量判斷卸荷和降水對(duì)地鐵隧道沉降的貢獻(xiàn)。

5結(jié)論

本文基于FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件研究南京長江漫灘地區(qū)某商業(yè)項(xiàng)目基坑工程，重點(diǎn)分析基坑開挖卸荷和坑外降水對(duì)地鐵明挖隧道和地鐵盾構(gòu)隧道的變形影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，基坑開挖卸荷引起的地下連續(xù)墻變形適中，對(duì)地鐵線路變形影響也較小，地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大變形值、最大變形曲率均小于安全控制值。二期基坑采取地下連續(xù)墻入巖隔水方案并在地墻外側(cè)采取補(bǔ)強(qiáng)措施后，有效控制了基坑內(nèi)外水頭聯(lián)系，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，坑外水位下降有限，引起的隧道變形在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，保證了隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營的安全。

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(編輯：郝京紅)

Study on the Effect of Pit Excavation and Dewatering on Metro Tunnels in Floodplain Area of Nanjing Yangtze River

Wang Ting

(Nanjing Metro Construction Co., Ltd., Nanjing 210008)

Abstract:Redistribution of stress and deformation fields of metro tunnel structures happens when an adjacent pit excavation and dewatering is carried out, and affects the normal operation and safety of the subways. Pit support, foundation soil and tunnel structure interact, and its deformation are a 3 dimensional complex mechanical problem that can be analyzed by 3-D numerical simulation. The excavation processes of a large and depth pit in floodplain area of Nanjing Yangtze river is simulated by FLAC 3D in this paper, and the deformation of two adjacent subway tunnels caused by excavation unloading and dewatering is substantively analyzed. It is indicated that the deformation value and deformation curvature of tunnels structure are small and do not exceed the safety thresholds. However, the settlement deformations results from dewatering are so large and have direct effect on the normal operation and security of subways.

Key words:urban rail transit; pit excavation; dewatering; metro tunnel; FLAC 3D; deformation analysis

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.019

收稿日期:2016-03-17修回日期: 2016-04-13

作者簡介:王霆，男，碩士, 研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事城市軌道交通建設(shè)及管理工作，wang_ting@njmetro.com.cn

中圖分類號(hào)U231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1672-6073(2016)03-0081-06