李順群,馬偉亮,葉茂松,黃雄飛,張 彥
(1.天津城建大學(xué) a.土木工程學(xué)院,b.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384;2.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,安徽 合肥 230601)
隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展,地下空間的利用日漸增多,越來(lái)越多的基坑工程在既有隧道周邊進(jìn)行施工。雖然基坑工程不斷加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu),但是,無(wú)論何種支護(hù)結(jié)構(gòu)都避免不了對(duì)周邊土體的擾動(dòng),使周邊土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變?;娱_(kāi)挖對(duì)周圍土體產(chǎn)生卸荷作用,坑底土體產(chǎn)生回彈變形,坑外土體會(huì)因內(nèi)外水土壓力差的作用而向坑內(nèi)方向偏移,進(jìn)而導(dǎo)致鄰近隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形。國(guó)內(nèi)外一些大城市都發(fā)生過(guò)因基坑工程施工而引起的地鐵隧道砌筑開(kāi)裂、道床板脫落等事故,嚴(yán)重威脅列車行車安全,因此研究基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響,并作出預(yù)測(cè)和評(píng)估,是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[1-3]。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合工程的數(shù)值模擬進(jìn)行分析[4-8],還有學(xué)者采用理論計(jì)算和模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行研究[9-12],這些方法都需要對(duì)實(shí)際的工程進(jìn)行大量簡(jiǎn)化,因此對(duì)實(shí)際工程計(jì)算的精度比較低,且通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)合研究和基坑開(kāi)挖對(duì)隧道影響的規(guī)律性研究較少。
本文中以合肥大學(xué)城深基坑項(xiàng)目為背景,通過(guò)小應(yīng)變硬化模型(HSS)進(jìn)行模擬計(jì)算,并結(jié)合鄰近地鐵隧道的土體三維應(yīng)力、隧道變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果,分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響;通過(guò)對(duì)坑外16個(gè)位置的隧道進(jìn)行模擬計(jì)算,分析不同位置隧道的變形規(guī)律,從而為其他相似基坑工程提供參考。
合肥大學(xué)城地下空間的東廣場(chǎng)工程場(chǎng)地位于合肥地鐵3號(hào)線繁華大道到大學(xué)城北段的西側(cè),基坑的占地面積為35 564.3 m2,東西向長(zhǎng)度為314.7 m,西側(cè)南北向長(zhǎng)度為100.6 m,東側(cè)南北向長(zhǎng)度為185 m。地下二層結(jié)構(gòu)段開(kāi)挖深度為13.77~16.6 m,地下一層結(jié)構(gòu)段開(kāi)挖深度為8.8~11.6 m,坑中坑段長(zhǎng)度為4.8 m。具體情況如圖1所示。
圖1 合肥大學(xué)城地下空間東廣場(chǎng)工程基坑與隧道位置
基坑在鄰近隧道側(cè)采用D1000@1600鉆孔灌注樁和D900@600懸臂式鉆孔灌注樁加2道混凝土內(nèi)支撐進(jìn)行圍護(hù),樁嵌入基底深度為8 m,混凝土內(nèi)支撐尺寸為1 000 mm×800 mm(長(zhǎng)度×寬度),間距為4 m。綜合考慮基坑開(kāi)挖深度和支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或變形過(guò)大對(duì)基坑周邊環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響的嚴(yán)重性,設(shè)置基坑支護(hù)安全等級(jí)為一級(jí)。
本工程場(chǎng)地東側(cè)南北向有一條現(xiàn)狀道路,施工前需鑿除;現(xiàn)狀翡翠路下有已建地鐵區(qū)間隧道,距離主體結(jié)構(gòu)邊線約15.4 m,隧道埋深為15 m。
經(jīng)勘查,本工程場(chǎng)地宏觀地貌單元屬江淮丘陵,微地貌熟崗地,擬建工程場(chǎng)地現(xiàn)為城市景觀綠地,場(chǎng)地地形總體呈東西高、中部低?;由疃确秶鷥?nèi)的土層主要為素填土(厚度為1.0~2.5 m)、粉質(zhì)黏土(厚度為2.5~17.5 m)、黏土(厚度為17.5~20.5 m)、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層。地下水位為-20 m左右,為弱潛水,主要接受大氣降水補(bǔ)給。地下潛水水位隨季節(jié)變化有0.50 m左右的升降幅度??垢∷粸檎綐?biāo)高下0.50 m。由于本基坑基本位于黏土層中,因此場(chǎng)地土層滲透系數(shù)小。對(duì)于基坑降水,坑內(nèi)采用明溝排水,坑頂不設(shè)置截水溝,直接將水排入基坑后抽排,雨水季節(jié)加大抽排量。
在基坑施工全過(guò)程對(duì)地鐵上行線隧道18個(gè)剖切面和下行線隧道31個(gè)剖切面進(jìn)行監(jiān)測(cè),每個(gè)剖切面布置上、下、左、右共4個(gè)應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#,如圖2所示。
本文中采用天津城建大學(xué)和天津三為科技有限公司開(kāi)發(fā)的三維土壓力盒[13]進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器由基座和7個(gè)常規(guī)一維土壓力盒組成,每個(gè)常規(guī)土壓力盒為一個(gè)測(cè)試單元,根據(jù)7個(gè)測(cè)試單元中任意6個(gè)的測(cè)試數(shù)據(jù)可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)位置的三維應(yīng)力狀態(tài)。三維土壓力盒具有固定的三維坐標(biāo)方向,在埋設(shè)時(shí)將三維土壓力盒的x軸沿著翡翠路平行基坑方向,y軸沿著水平指向基坑方向,z軸豎直向上。
本工程共設(shè)置12個(gè)三維土壓力盒,分別埋在12個(gè)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),所有的三維土壓力盒均布置在基坑和隧道之間深度為7.5、15.0 m的位置,且沿東西和南北2個(gè)方向等間距布置。如圖2所示,1-1和1-2孔洞位于中軸線位置,3-1和3-2位于基坑南側(cè)邊緣位置。其中,b-b剖面共布置4個(gè)土壓力盒,分別對(duì)應(yīng)5#、6#、7#、8#測(cè)點(diǎn)。三維土壓力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。
圖3 三維土壓力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置
考慮到模型計(jì)算效率、基坑和隧道位置的影響因素,計(jì)算選取b-b剖面(2-1和2-2鉆孔所在斷面)進(jìn)行分析研究。計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖4所示。
圖4 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖(單位:m)
基坑開(kāi)挖深度為16 m,開(kāi)挖寬度為80 m,考慮模型的對(duì)稱性,取1/2基坑尺寸進(jìn)行建模?;油馊∷椒较蜷L(zhǎng)度為160 m,約為10倍開(kāi)挖深度,坑底以下取深度為48 m,約為3倍開(kāi)挖深度,基本可以消除邊界效應(yīng)。模型采用15節(jié)點(diǎn)單元,單元個(gè)數(shù)為2 846,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為23 170。模型底面設(shè)置全位移約束,側(cè)向約束法向位移。建模時(shí)將內(nèi)支撐通過(guò)等面積法等效為錨桿進(jìn)行計(jì)算,將灌注樁按等剛度法等效為連續(xù)墻,其中鉆孔灌注樁等 效為厚度為0.72 m的連續(xù)墻,懸臂式鉆孔灌注樁等效為厚度為0.69 m的連續(xù)墻,地下連續(xù)墻采用Plate單元進(jìn)行模擬。
表1 合肥大學(xué)城地下空間東廣場(chǎng)工程各土層物理性質(zhì)
地下連續(xù)墻和混凝土內(nèi)支撐的彈性模量取值為3×107kN/m,泊松比取值為0.2。等效厚度為0.72 m的連續(xù)墻抗彎剛度取值為9.3×104kN/m,抗壓剛度取值為2.16×107kN/m;厚度為0.69 m的連續(xù)墻抗彎剛度取值為8.2×104kN/m,抗壓剛度取值為2.07×107kN/m,內(nèi)支撐抗壓剛度取值為2.4×107kN/m。
本基坑工程使用順做法進(jìn)行施工,根據(jù)工程安排和實(shí)際施工情況進(jìn)行模型中工況的設(shè)定。首先計(jì)算模型初始地應(yīng)力,使其達(dá)到平衡狀態(tài)之后,進(jìn)行模擬隧道開(kāi)挖,然后進(jìn)行圍護(hù)樁的施工,最后進(jìn)行基坑開(kāi)挖和內(nèi)支撐的構(gòu)筑。由于本文中只考慮基坑施工對(duì)隧道位移的影響,因此將隧道施工產(chǎn)生的位移清零,再進(jìn)行之后的工況計(jì)算。模型采用6個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算,具體工況如表2所示。
表2 計(jì)算工況
根據(jù)三維土壓力盒的埋設(shè)方位,設(shè)σy為水平且垂直基坑方向的應(yīng)力,σx為水平且平行基坑方向的應(yīng)力,σz為豎直方向的應(yīng)力。因?yàn)楣こ态F(xiàn)場(chǎng)只在回填和第3次開(kāi)挖期間(工況6、7)進(jìn)行三維土壓力的監(jiān)測(cè),所以,根據(jù)文獻(xiàn)[19],可以依據(jù)三維土壓力盒測(cè)試結(jié)果計(jì)算出三維應(yīng)力狀態(tài)。由于剪切應(yīng)力較小,因此本文中只考慮3個(gè)方向的正應(yīng)力。
在2020年12月3日—2021年1月22日對(duì)基坑工程進(jìn)行50 d監(jiān)測(cè)。12月3日開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)第1道混凝土支撐已經(jīng)構(gòu)筑完成,土體已經(jīng)開(kāi)挖至16 m;12月3—11日進(jìn)行回填土體(回填至第2道混凝土支撐);12月12—20日進(jìn)行構(gòu)筑混凝土支撐;12月21日開(kāi)始進(jìn)行第3次土體的開(kāi)挖,到12月31日完成。
本文中主要對(duì)7#測(cè)點(diǎn)位置(與基坑邊緣距離為5 m,深度為15 m)的監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖5(a))進(jìn)行分析。由圖可以看出:水平方向的應(yīng)力σx與σy大小基本相等,豎直方向的應(yīng)力σz最大,且在基坑回填期間應(yīng)力仍在增大,土體表現(xiàn)為加載;在第3次開(kāi)挖期間應(yīng)力緩慢減小,土體表現(xiàn)為卸荷;在基坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí),坑外土體應(yīng)力基本穩(wěn)定為最終狀態(tài)。3個(gè)方向應(yīng)力的變化趨勢(shì)和數(shù)值與模擬計(jì)算結(jié)果(圖5(b))基本吻合,證明考慮小應(yīng)變特性的本構(gòu)模型可以很好地反映土體情況,同時(shí)也說(shuō)明本模型參數(shù)準(zhǔn)確、可靠。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可以看出,基坑開(kāi)挖期間坑外土體在豎向和水平向均存在卸荷,但水平向的卸荷量大于豎向的。第2、3次基坑開(kāi)挖深度一致,但在第2次開(kāi)挖的土體卸載量遠(yuǎn)大于第3次開(kāi)挖的,主要原因是第3次基坑開(kāi)挖比第2次時(shí)多了一道連續(xù)墻,因此第3次開(kāi)挖對(duì)坑外土體的擾動(dòng)程度遠(yuǎn)小于第2次開(kāi)挖的,也說(shuō)明了第2道圍護(hù)結(jié)構(gòu)和第2道內(nèi)支撐的有效性。
第2次開(kāi)挖基坑為主要階段,對(duì)周圍土體影響最大,根據(jù)不同位置應(yīng)力σy(圖6)看出,坑外不同位置的土體第2次開(kāi)挖期間卸荷量均最大,在第2次開(kāi)挖期間,5#測(cè)點(diǎn)位置卸荷約為70 kN,7#測(cè)點(diǎn)位置卸荷約為110 kN,8#測(cè)點(diǎn)位置卸荷約為30 kN,表明距離基坑越遠(yuǎn),土體受擾動(dòng)程度越小,與基坑等距離的深度為15 m位置的土體擾動(dòng)程度比深度為7.5 m位置的大。
5#、6#、7#—應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖6 不同位置水平且垂直基坑方向的應(yīng)力σy
圖7所示為基坑施工中鄰近隧道側(cè)土體沉降曲線。從圖中可以看出,在距離基坑2倍開(kāi)挖深度之內(nèi)坑外地表為主要沉降影響區(qū)。坑外最大沉降位置位于距基坑0.5倍開(kāi)挖深度位置,最大沉降量為17.7 mm,符合規(guī)范要求。
圖7 鄰近隧道側(cè)土體沉降曲線
由于右側(cè)灌注樁為主要圍護(hù)結(jié)構(gòu),因此只對(duì)右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖8所示為基坑施工引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移和彎矩。基坑的首道支撐設(shè)置在地表下2 m處,因此灌注樁的上段位移較小,最大位移出現(xiàn)在距離地表深度8 m的位置,在這個(gè)位置,灌注樁朝基坑方向偏移25.8 mm,且在深度為5 m處受到的彎矩最大。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移和彎矩滿足規(guī)范要求。
受施工方法、工程地質(zhì)條件、內(nèi)支撐深度和間距等因素的影響,圍護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生各種變形,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形大致可分為凹凸、復(fù)合、踢腳、懸臂4種不同的模式,本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為復(fù)合式。根據(jù)鄭剛等[20]的研究,可根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同變形模式劃分坑外的隧道變形影響區(qū)。
根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式和最大變形量,可將坑外的隧道變形控制區(qū)劃分為主要影響區(qū)(Ⅰ)、次要影響區(qū)(Ⅱ)、一般影響區(qū)(Ⅲ)和微弱影響區(qū)(Ⅳ),如圖9所示。根據(jù)本工程中隧道所在的位置,判斷隧道位于一般影響區(qū)(Ⅲ),預(yù)估最終的變形控制值應(yīng)為5~10 mm。由于本基坑施工前對(duì)坑外鄰近隧道側(cè)的土體進(jìn)行了加固處理,且在施工期間采取各種措施避免擾動(dòng)坑外鄰近隧道側(cè)的土體,對(duì)隧道的控制效果較好,因此最終隧道的位移應(yīng)與預(yù)估控制值存在差異。
Ⅰ—主要影響區(qū);Ⅱ—次要影響區(qū);Ⅲ—一般影響區(qū);Ⅳ—微弱影響區(qū)。圖9 基坑外不同位置隧道的位移影響區(qū)劃分
3.4.1 隧道變形分析
由于基坑開(kāi)挖對(duì)右線隧道影響最大,因此本文中只對(duì)右線隧道進(jìn)行分析,分別取隧道上、下、左、右4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置(1#、2#、3#、4#),圖10所示為基坑施工過(guò)程中這4個(gè)位置處產(chǎn)生的總位移、水平位移和豎向位移。從圖中可以看出,1#、3#測(cè)點(diǎn)位置處產(chǎn)生的總位移最大,2#、4#測(cè)點(diǎn)位置處產(chǎn)生的位移比較小。由于基坑開(kāi)挖時(shí)鄰側(cè)土體回彈變形,隧道整體向左下方偏移,因此隧道斷面整體呈橢圓形,如圖11所示。
(a)總位移
1#、2#、3#、4#—應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖11 基坑開(kāi)挖前、后的隧道變形示意圖
從圖10(a)中可以看出,第2次基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的變形影響最大,其中1#、3#測(cè)點(diǎn)位置處變形最大,2#、4#測(cè)點(diǎn)位置處變形較小,隧道斷面變?yōu)闄E圓形。從圖10(b)中可以看出,隧道1#、3#測(cè)點(diǎn)位置向基坑方向偏移了約1.4 mm,基坑施工全過(guò)程中隧道向基坑最大水平位移約為2.3 mm。從圖10(c)中可以看出,在第2次基坑開(kāi)挖期間,隧道先向上偏移,隨后向下偏移,一直到工況5土體回填結(jié)束,而基坑在第3次開(kāi)挖期間隧道又產(chǎn)生向上的偏移。在基坑施工過(guò)程中,隧道向深度方向最大位移約為1.3 mm。
在基坑施工期間,對(duì)隧道左、右線進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),在每個(gè)斷面上對(duì)上、下、左、右4個(gè)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),表3所示為b-b斷面位置不同方向的隧道位移的監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值。從表中可以看出,豎向位移和橫向位移的監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值基本吻合,且都符合規(guī)范的要求,說(shuō)明通過(guò)建立模型計(jì)算基坑施工導(dǎo)致的隧道位移是可靠的。
表3 不同方向的隧道位移監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值
3.4.2 隧道附加應(yīng)力分析
圖12所示為根據(jù)模型計(jì)算出的不同階段隧道襯砌管片的彎矩和軸力,其中橫坐標(biāo)為計(jì)算階段,只取每個(gè)階段最終的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖中可以看出,第2次開(kāi)挖時(shí)管片受到的軸力和彎矩增加幅度最大,當(dāng)?shù)?道混凝土支撐構(gòu)筑完成之后再次開(kāi)挖,對(duì)隧道管片的影響大幅度減小。管片的最大軸力約為680 kN,最大彎矩約58 kN·m,根據(jù)配筋復(fù)核結(jié)果,證明了隧道襯砌管片能夠滿足強(qiáng)度要求。
(a)彎矩
采用模擬計(jì)算方法,分別設(shè)置隧道與基坑的距離L(5、10、15、20 m)和隧道的埋深H(5、10、15、20 m),研究基坑外不同位置隧道的變形規(guī)律。
圖13所示為基坑外不同位置隧道的水平、豎向位移。從圖中可以看出,不同位置隧道的變形主要集中在第2次基坑開(kāi)挖期間,在L=10 m、H=5 m位置的隧道最大水平位移為18.85 mm,在L=5 m、H=5 m位置的隧道豎向位移最大,為23.02 mm?;踊靥钇陂g隧道基本保持穩(wěn)定,說(shuō)明基坑回填對(duì)鄰近隧道的影響較小。在第3次基坑開(kāi)挖期間,坑外不同位置的隧道均出現(xiàn)小幅上浮,而水平方向的位移基本保持穩(wěn)定,說(shuō)明第2道內(nèi)支撐和第2排灌注樁對(duì)隧道的保護(hù)有顯著效果。
基坑外不同位置隧道的最終水平、豎向位移如圖14所示。從圖14(a)中可以看出,坑外不同位置的隧道在基坑開(kāi)挖期間均向基坑方向偏移,除L=5 m、H=5 m位置外,其他位置隧道距離基坑越近處偏移量越大,深度越大處偏移量越小,這與基坑開(kāi)挖周圍土體卸荷回彈有關(guān),且L=5 m、H=5 m位置離2道內(nèi)支撐較近,受到的保護(hù)較好,也說(shuō)明對(duì)于距離隧道較近的基坑,應(yīng)重點(diǎn)考慮施工對(duì)隧道的影響。從圖14(b)中可以看出,在L=5 m、H=20 m位置的隧道表現(xiàn)為上浮,除此之外其他位置的隧道最終豎向位移表現(xiàn)為沉降,這是由于基坑開(kāi)挖導(dǎo)致坑底土體回彈,各位置土體均向坑底偏移,而坑底以下土體向基坑方向偏移,即表現(xiàn)為上浮,因此不同位置隧道的位移方向也會(huì)存在差異。在H=5 m和H=10 m位置的隧道,深度越大、距離基坑越遠(yuǎn)處的豎向沉降越??;而在H=15 m、H=20 m位置隧道,坑底回彈的因素導(dǎo)致距離基坑越遠(yuǎn)、深度越大處的豎向位移越大。
本文中以合肥大學(xué)城地下空間東廣場(chǎng)工程鄰近既有隧道的深基坑開(kāi)挖項(xiàng)目為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬手段,研究了基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體以及鄰近隧道的影響,得到如下結(jié)論:
1)三維土壓力實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬計(jì)算基本吻合,說(shuō)明考慮小應(yīng)變特性的硬化模型可以很好地反映土體應(yīng)力和變形情況,且模型參數(shù)準(zhǔn)確、可靠。
2)基坑開(kāi)挖期間,坑外土體在水平、豎向均表現(xiàn)為卸荷作用,且豎向應(yīng)力在各階段中均大于水平應(yīng)力。在第2次基坑開(kāi)挖期間,坑外土體卸荷量最大,且距離基坑越遠(yuǎn)受擾動(dòng)程度越小,同一距離時(shí),深度為15 m位置土體比深度為7.5 m位置土體受到的擾動(dòng)大。
3)距離基坑2倍開(kāi)挖深度之內(nèi)的坑外地表為主要沉降影響區(qū)??油庾畲蟪两滴恢梦挥诰嗷?.5倍開(kāi)挖深度位置,最大沉降量為17.7 mm。圍護(hù)樁的最大水平位移出現(xiàn)在距離地表深度為8 m的位置,朝基坑方向最大偏移量為25.8 mm,圍護(hù)樁在距底面深度為5 m處受到的彎矩最大(140 kN·m),變形均滿足規(guī)范要求。
4)隧道的上部和左部點(diǎn)的變形最大,隧道最大水平位移約為2.3 mm,隧道向深度方向最大位移約為1.3 mm,與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合,變形量符合規(guī)范的要求。襯砌管片的最大軸力約為680 kN,最大彎矩約為58 kN·m,根據(jù)配筋復(fù)核結(jié)果,證明隧道襯砌管片能夠滿足強(qiáng)度要求。
5)坑外不同位置的隧道在基坑開(kāi)挖期間均向基坑方向偏移,除L=5 m、H=5 m位置外,其他位置隧道距離基坑越近處偏移量越大,深度越大處偏移量越?。辉贚=5 m、H=20 m位置的隧道表現(xiàn)為上浮,這是由于基坑開(kāi)挖導(dǎo)致坑底土體回彈,各位置土體均向坑底偏移,因此不同位置隧道的位移方向也會(huì)存在差異。