孫斌彬，陳甦，李學(xué)東，陳春明，唐強(qiáng)*

(1.蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215137；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察局第四地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 蘇州 215129)

基坑施工引起臨近地鐵隧道變形實(shí)測(cè)及有限元分析

孫斌彬1，陳甦1，李學(xué)東2，陳春明2，唐強(qiáng)1*

(1.蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215137；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察局第四地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 蘇州 215129)

為了研究基坑施工對(duì)臨近既有地鐵隧道變形的影響，對(duì)蘇州地區(qū)10個(gè)基坑施工引起的臨近地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，分析隧道變形隨基坑施工發(fā)展的時(shí)空特征。研究表明：基坑施工導(dǎo)致臨近地鐵隧道朝基坑方向移動(dòng)，同時(shí)引起拱頂沉降、道床隆起以及隧道斷面水平向拉伸；隧道水平位移、豎向位移以及水平收斂變形隨基坑開(kāi)挖深度的加大而增大，一般在基坑開(kāi)挖完成或者支撐拆除時(shí)達(dá)到最大值；隧道變形曲線空間分布具有對(duì)應(yīng)基坑中部或中部附近處隧道斷面變形較大的特點(diǎn)；隧道變形曲線的時(shí)空特征，受土方開(kāi)挖方式、坑內(nèi)加固、地面超載、降水活動(dòng)、基坑與隧道相對(duì)空間位置關(guān)系等因素影響。對(duì)某基坑施工引起的臨近地鐵隧道變形的有限元模擬計(jì)算表明，隧道變形隨地連墻厚度減小、基坑與隧道間距減小而增大。

基坑；地鐵隧道；水平位移；豎向位移；收斂變形；時(shí)空特征

0 引言

基坑施工會(huì)導(dǎo)致臨近地鐵隧道產(chǎn)生附加變形，而過(guò)大的附加變形將影響地鐵正常運(yùn)行甚至運(yùn)營(yíng)安全，因而上海市規(guī)定[1]：地鐵結(jié)構(gòu)外邊線兩側(cè)3 m范圍內(nèi)不得進(jìn)行任何工程建設(shè)，地鐵結(jié)構(gòu)最終絕對(duì)變形不能超過(guò)20 mm。關(guān)于基坑施工對(duì)臨近地鐵隧道的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論推導(dǎo)[2-8]、實(shí)測(cè)分析[9-12]、數(shù)值模擬[13-16]以及離心模型試驗(yàn)[17-20]等方法進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果。由于基坑施工對(duì)臨近地鐵隧道產(chǎn)生的附加變形受到基坑和地鐵隧道的設(shè)計(jì)與施工、相互間的位置關(guān)系以及工程地質(zhì)與水文地質(zhì)等多種因素的影響，十分復(fù)雜，因此有必要結(jié)合各地具體情況，對(duì)此開(kāi)展深入的研究。

本文以蘇州地區(qū)基坑工程為背景，對(duì) 10個(gè)基坑工程施工引起的臨近地鐵隧道變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了整理歸納，結(jié)合有限元模擬計(jì)算，探討了隧道水平位移、豎向位移和收斂變形等隨基坑施工的時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素。

1 工程背景

10個(gè)基坑工程均毗鄰蘇州地鐵1、2號(hào)線區(qū)間隧道一側(cè)，如圖1(a)所示，基坑開(kāi)挖面積、深度、臨近地鐵側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)型式及其與地鐵的平、立面關(guān)系等見(jiàn)表1。10個(gè)基坑工程的地質(zhì)條件比較接近，在基坑開(kāi)挖深度及地鐵隧道埋深范圍內(nèi)，土層基本為填土、粉質(zhì)粘土、粘土和粉土；隧道側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均為地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁加砼支撐及鋼支撐。

對(duì)臨近基坑工程的地鐵隧道監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括拱腰水平位移(10個(gè))、拱頂和道床豎向位移(分別為4個(gè)和8個(gè))以及拱腰水平收斂變形(5個(gè))等，測(cè)點(diǎn)布置如圖1(b)所示。

圖1 基坑與臨近地鐵隧道相對(duì)位置示意圖Fig.1 Relative position of foundation pit and subway tunnels

工程序號(hào)工程名稱基坑概況開(kāi)挖面積/m2開(kāi)挖深度/m隧道側(cè)基坑支護(hù)型式臨近地鐵隧道概況與基坑水平凈距/m頂部埋深/m1港中旅新區(qū)項(xiàng)目4800048～90地連墻+1道砼支撐131～17390～1002恒豐銀行辦公樓3740106地連墻+2道砼支撐103～10990～1073金融港商務(wù)中心20580111地連墻+2道砼支撐127～266864職業(yè)大學(xué)教學(xué)樓337045鉆孔灌注樁+1道砼支撐156～244815江蘇銀行辦公樓4290171～183地連墻+3道砼支撐11197～1256蘇州移動(dòng)綜合大樓12500107～145鉆孔灌注樁+2道砼支撐252～42385～1357新光三越百貨15913191～211地連墻+1道砼支撐+4道鋼支撐143～285928火車(chē)站綜合樓879057鉆孔灌注樁+1道角撐177～387689星悅城3985112～121鉆孔灌注樁+2道砼支撐41～112132～14110汽車(chē)西站綜合樞紐5400083～115地連墻+2道砼支撐117～75797～99

2 地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及其分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

為節(jié)省篇幅，圖2為部分隧道近線拱腰(A點(diǎn))水平位移實(shí)測(cè)曲線；圖3為部分近線拱頂(C點(diǎn))豎向位移實(shí)測(cè)曲線；圖4為近線道床(B點(diǎn))豎向位移實(shí)測(cè)曲線；圖5為部分近線拱腰水平收斂實(shí)測(cè)曲線。水平位移、豎向位移正值分別表示隧道結(jié)構(gòu)朝基坑方向和向上位移，水平收斂正值表示隧道拱腰水平收斂測(cè)線伸長(zhǎng)。

(a)序號(hào)1

(b)序號(hào)2

(c)序號(hào)3

(d)序號(hào)5

(a)序號(hào)2

(b)序號(hào)4

(a)序號(hào)1

(b)序號(hào)4

(a)序號(hào)5

(b)序號(hào)9

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 隧道變形曲線空間分布形態(tài)

由圖2可知，臨近地鐵隧道拱腰水平位移方向朝向基坑，水平位移曲線空間分布總體表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)基坑中部或其附近處隧道斷面拱腰水平位移較大，而對(duì)應(yīng)基坑端部處隧道斷面拱腰水平位移較小。由圖3可知，隧道拱頂豎向位移方向向下，即為沉降，拱頂沉降曲線空間分布基本表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)基坑中部或端部處隧道斷面拱頂沉降較大。由圖4可知，隧道道床豎向位移方向向上(序號(hào)1基坑工程除外)，即為隆起，道床隆起曲線空間分布基本表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)基坑中部或其附近處隧道斷面道床隆起較大，而對(duì)應(yīng)基坑端部處隧道斷面處道床隆起較小。由圖5可知，隧道拱腰水平收斂變形以水平伸長(zhǎng)為主，水平收斂曲線空間分布基本表現(xiàn)為：對(duì)應(yīng)基坑中部的隧道斷面拱腰水平伸長(zhǎng)量較大，對(duì)應(yīng)基坑端部的隧道斷面拱腰水平伸長(zhǎng)量較小。

由于基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體的遮蔽作用較弱(即長(zhǎng)邊效應(yīng))及其卸荷應(yīng)力集中，基坑中部的土體位移通常大于基坑端部一定范圍內(nèi)的土體位移。而基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑與隧道間土體、隧道結(jié)構(gòu)的位移都受到基坑周邊土體位移場(chǎng)的影響，三者水平變形大小不一，但變形趨勢(shì)一致。因此，基坑施工引起的隧道變形(包括拱腰水平位移、拱頂和道床豎向位移以及拱腰水平收斂變形)曲線空間分布一般表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)基坑中部斷面處隧道變形較大，而對(duì)應(yīng)基坑端部斷面處隧道變形較小。但是由于基坑施工引起的隧道變形原因十分復(fù)雜，在某些特定條件下，隧道變形的空間分布形態(tài)也會(huì)有所變化。如圖2(a)所示，序號(hào)1(包括未給出圖形的序號(hào)7)基坑工程引起的隧道拱腰水平位移曲線空間分布的上述一般特征并不明顯，是因?yàn)椴捎梅謪^(qū)跳挖的開(kāi)挖方式減弱了基坑長(zhǎng)邊效應(yīng)(而序號(hào)7則是由于分區(qū)開(kāi)挖和坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)采取水泥土攪拌樁裙邊加固措施，共同抑制了坑外土體向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì))，因此隧道水平位移在基坑范圍內(nèi)總體比較均勻；如圖3(b)所示，序號(hào)4基坑工程引起的隧道拱頂豎向位移曲線空間分布一般特征不明顯，這可能與基坑挖深與地鐵隧道埋深相對(duì)位置關(guān)系等有關(guān)；如圖4(a)所示，序號(hào)1基坑工程引起的隧道道床豎向位移向下，即為沉降，這是因?yàn)榛邮┕て陂g發(fā)生過(guò)止水帷幕滲漏，引起隧道附近地下水位下降，從而導(dǎo)致鄰近地鐵隧道發(fā)生沉降。

2.2.2 隧道變形最大值及其發(fā)生位置

統(tǒng)計(jì)的10個(gè)基坑工程引起的隧道拱腰水平位移最大值為2.8～12.3 mm，總體在監(jiān)測(cè)控制值(10 mm)以內(nèi)；序號(hào)9、10基坑工程引起的隧道拱腰水平位移超過(guò)控制值(分別為12.3 mm和10.6 mm)，是因?yàn)榍罢咴谑┕て诎l(fā)生過(guò)止水帷幕滲漏，后者卸土方量較大所致；9個(gè)基坑工程引起的隧道拱腰水平位移最大值斷面均出現(xiàn)在基坑中部或中部附近。統(tǒng)計(jì)的序號(hào)1～4基坑工程引起的隧道拱頂最大沉降為1.4～5.6 mm，全部在監(jiān)測(cè)控制值(10 mm)以內(nèi)，其中序號(hào)2和3基坑工程引起的隧道拱頂最大沉降斷面分別對(duì)應(yīng)基坑中部或中部附近。統(tǒng)計(jì)的序號(hào)2～6、8～9基坑工程引起的隧道道床最大隆起為1.3～5.5 mm，全部在監(jiān)測(cè)控制值(10 mm)以內(nèi)，統(tǒng)計(jì)的序號(hào)1、5、7、8、9基坑工程引起的隧道水平伸長(zhǎng)量為0.8～17.0 mm，都在監(jiān)測(cè)控制值(20 mm)以內(nèi)，基坑施工引起的隧道道床豎向位移最大值和拱腰水平收斂最大值斷面基本對(duì)應(yīng)于基坑中部或者中部附近。

2.2.3 隧道變形隨施工進(jìn)程變化

由圖2～圖5可知，隧道拱腰水平位移、拱頂豎向位移、道床豎向位移以及拱腰水平收斂最大值基本發(fā)生在基坑開(kāi)挖至坑底或支撐拆除工況。這是因?yàn)殡S著基坑開(kāi)挖深度的增加，基坑卸荷量逐漸增大，基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)卸荷量達(dá)到最大；另外支撐拆除造成基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)擋土作用減弱，從而也將導(dǎo)致較大的隧道變形。

但隧道變形還受其它因素影響，如圖2(d)所示，序號(hào)5基坑工程引起的隧道水平位移在開(kāi)挖至第一道支撐時(shí)就達(dá)到了最大值，主要是由于此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)施工完成不久，施工時(shí)靠注漿抑制周?chē)貙幼冃?，管片變形尚未穩(wěn)定。

2.2.4 基坑至隧道距離對(duì)隧道變形最大值的影響

圖6和圖7反映了隧道拱腰水平位移最大值、水平收斂值與基坑至隧道最小水平凈距的關(guān)系，即水平凈距增大，隧道拱腰水平位移(序號(hào)6和10基坑工程的相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因離散性較大而未列入)、隧道水平伸長(zhǎng)量均減小。

圖6 隧道拱腰水平位移最大值與基坑至 隧道最小水平凈距的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum horizontal displacement and minimum horizontal distance

圖7 基坑至隧道最小水平凈距對(duì)隧道 拱腰水平最大伸長(zhǎng)量的影響Fig.7 Relationship between maximum horizontal convergence and minimum horizontal distance

3 基坑施工引起的臨近地鐵隧道變形有限元模擬

3.1 工程概況

恒豐銀行辦公樓基坑及其與隧道關(guān)系概況見(jiàn)表1(序號(hào)2)和圖8所示。需說(shuō)明的該基坑?xùn)|側(cè)、北側(cè)和西側(cè)圍護(hù)體采用800 mm厚地下連續(xù)墻；南側(cè)地鐵側(cè)(并向東西兩側(cè)各延伸20 m)采用1 000 mm厚地墻。

(a)平面關(guān)系

(b)立面關(guān)系圖8 序號(hào)2基坑與臨近地鐵隧道相對(duì)位置示意圖Fig.8 The Schematic diagram of relative position of foundation pit and subway tunnels of No.2 project

3.2 計(jì)算模型

在本文中選取典型剖面A-A進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析。根據(jù)文獻(xiàn)[21-25]，為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型平面尺寸取邊界至基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)5倍開(kāi)挖深度，模型計(jì)算深度取5倍開(kāi)挖深度，即模型幾何尺寸為200 m×160 m×55 m。土體邊四周和底部邊界采取法向約束，上部邊界自由。整體模型如圖9所示。土體材料采用Modified Mohr-Coulmb模型，根據(jù)地勘資料和參考文獻(xiàn)[26]，E50取地勘報(bào)告上壓縮模量ES(1-2)的4倍，土層參數(shù)具體見(jiàn)表2。隧道管片及其他主要結(jié)構(gòu)單元采用線彈性模型，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。模型計(jì)算工況見(jiàn)表4。

圖9 整體模型示意圖Fig.9 Sketch map of whole model

土層名稱重度γ/(kN·m-3)割線模量E50/MPa直剪(固快)Ck/kPaφk/(°)泊松比v素填土18924042348102903粉粘夾粘土19624043135137403粉質(zhì)粘土18930081469188203粘土20130686078138103粉質(zhì)粘土19130123459166503粉質(zhì)粘土19129322060151003

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of structures

表4 模型計(jì)算工況Tab.4 Construction process of finite element modeling

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

地鐵隧道近線拱腰水平位移有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖10所示，拱頂豎向位移有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

(a)工況2

(b)工況4

從圖10～11可以看出，總體上，有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)得到的隧道水平位移和豎向位移曲線形態(tài)與數(shù)值基本接近。挖至基坑底部時(shí)，拱腰水平位移有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)最大值分別為7.1 mm和5.4 mm，分別對(duì)應(yīng)斷面15和斷面19；拱頂豎向位移有限元計(jì)算和實(shí)測(cè)最大值分別為-4.5 mm和-5.6 mm，分別對(duì)應(yīng)斷面15和斷面14。有限元計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果間存在的差異，主要是基坑實(shí)際施工工況較復(fù)雜，有限元分析時(shí)難以完全模擬復(fù)雜的實(shí)際施工工況所致。

為分析地連墻剛度及基坑與隧道間距對(duì)隧道變形的影響，分別取南側(cè)地連墻厚度為600、800、1 000、1 200 mm和基坑與地鐵隧道間距為4.4、10.6、16.8 m等不同情況，進(jìn)行基坑開(kāi)挖對(duì)隧道變形的有限元模擬計(jì)算，結(jié)果如圖12～圖13所示。

(a)工況2

(b)工況4

(a)水平位移

(a)水平位移

(b)豎向位移

由圖12～圖13 可知，隧道拱腰水平位移和拱頂豎向位移隨地連墻厚度增加而減小，當(dāng)隧道距基坑10.6 m、地連墻厚度分別為1 200、1 000、800、600 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的隧道拱腰水平位移分別為6.7、7.1、7.6、8.4 mm，對(duì)應(yīng)的拱頂豎向位移分別為-4.0、-4.5、-5.0、5.5 mm。隧道拱腰水平位移和拱頂豎向位移隨基坑與隧道水平間距增加而減小，當(dāng)?shù)剡B墻厚度為1 000 mm、基坑與隧道間距分別為16.8、10.6、4.4 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的隧道拱腰水平位移分別為4.2、7.1、11.4 mm，對(duì)應(yīng)的拱頂豎向位移分別為-2.1、-4.5、-10.4 mm。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)蘇州地區(qū)10個(gè)基坑工程施工引起的臨近地鐵隧道實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)的整理分析，以及基坑工程施工引起的臨近隧道變形有限元模擬計(jì)算，得到結(jié)論如下：

(1)基坑施工導(dǎo)致臨近地鐵隧道朝基坑方向位移，同時(shí)出現(xiàn)拱頂沉降、道床隆起以及隧道橫斷面水平向拉伸。

(2)基坑施工引起的臨近地鐵隧道水平位移、豎向位移以及收斂變形曲線的空間分布具有對(duì)應(yīng)基坑中部或中部附近處隧道斷面變形較大，對(duì)應(yīng)基坑端部處隧道斷面變形較小的特點(diǎn)。隧道變形隨著基坑開(kāi)挖深度的加大而增大，一般在基坑開(kāi)挖完成或者支撐拆除時(shí)達(dá)到最大值，但土方分區(qū)開(kāi)挖、坑內(nèi)加固、地面超載、降水活動(dòng)、基坑與隧道豎向相對(duì)位置關(guān)系等也會(huì)影響隧道變形曲線的時(shí)空分布。

(3)隨著地連墻厚度減小，隧道水平位移和豎向位移增大；隨著基坑與隧道水平距離減小，隧道水平位移和豎向位移增大。

(4)在臨近地鐵隧道的基坑工程設(shè)計(jì)與施工中，建議加強(qiáng)基坑中部的支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)隧道側(cè)土方合理進(jìn)行分區(qū)開(kāi)挖，減少基坑邊緣超載，控制止水帷幕施工質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)信息化施工，以減少基坑施工對(duì)臨近地鐵隧道的影響。

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DeformationMeasurementandFiniteElementAnalysisofSubwayTunnelDeformationCausedbyFoundationPitConstruction

Sun Binbin1，Chen Su1，Li Xuedong2，Chen Chunming2，Tang Qiang1*

(1.School of Urban Rail Transportation，Soochow University，Suzhou 215137； 2.The 4th Geological Brigade of Jiangsu Geology&Mineral Exploration Bureau，Suzhou 215129)

In order to study the influence of foundation pit construction on the deformation of the existing subway tunnels，the deformation monitoring data of 10 foundation pit projects in Suzhou were collected and counted，and the temporal and spatial characteristics of tunnel deformation with the development of foundation pit construction was analyzed.The following conclusions were arrived.First，construction of the foundation pit caused the adjacent subway tunnels to move towards the foundation pit as well as the vault to sink，the road bed to uplift，and the tunnel cross-section to elongate horizontally.Second，the horizontal，vertical displacement and horizontal convergence deformation of subway tunnel increased with the depth of excavation，and the maximal deformation usually appeared at the stage when the excavation had been completed or when the shoring of trench had been removed.Third，the spatial distribution of subway tunnel deformation curves had the maximal deformation at the cross-section corresponding to the middle of foundation pit or the surrounding area.Finally，the temporal and spatial characteristics of the tunnel deformation curve was affected by factors such as excavation method，reinforcement means，surface overloading，precipitation activity，and relative space between the foundation pit and tunnel.The finite element simulation of the deformation of a subway tunnel caused by a foundation pit construction showed that the deformation of the tunnel increased when the diaphragm wall got thinner and the decrease of the spacing between the foundation pit and the tunnel.

Foundation pit；subway tunnel；horizontal displacement；vertical displacement；convergence deformation；spatial-temporal characteristic

U231.1

：A

：1001-005X(2017)05-0096-08

2017-05-18

江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局科研項(xiàng)目(2014-KY-7)

孫斌彬，碩士研究生。研究方向：巖土工程，E-mail：1430147578@qq.com

唐強(qiáng)，博士，副教授。研究方向：巖土工程，E-mail：tangqiang@suda.edu.cn

孫斌彬，陳甦，李學(xué)東，等.基坑施工引起臨近地鐵隧道變形實(shí)測(cè)及有限元分析[J].森林工程，2017，33(5)：96-103.