魏 綱, 郭丙來, 吳海峰, 王 哲, *, 陳 博, 孫 博

(1. 浙大城市學(xué)院 浙江省城市盾構(gòu)隧道安全建造與智能養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310015;2. 浙大城市學(xué)院 城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化浙江省工程研究中心, 浙江 杭州 310015;3. 浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 浙江 杭州 310014; 4. 浙江城建勘察研究院有限公司, 浙江 杭州 311112;5. 浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院, 浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,位于既有盾構(gòu)隧道旁側(cè)的基坑工程越來越常見。如上海某建筑基坑與軌道交通1號(hào)線區(qū)間隧道最近距離僅7 m[1];杭州地鐵1號(hào)線西側(cè)建筑基坑與地鐵區(qū)間隧道最近距離約11 m[2]。位于盾構(gòu)隧道旁側(cè)的基坑在施工過程中,側(cè)壁卸荷作用會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,進(jìn)而通過土體傳遞給旁側(cè)盾構(gòu)隧道,在隧道襯砌上引起附加荷載,最終導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道產(chǎn)生變形,而隧道變形過大則會(huì)影響地鐵隧道運(yùn)營安全。Chang等[3]報(bào)道了在臺(tái)北捷運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)過程中,Panchiao Line隧道區(qū)間由于鄰近基坑開挖而破壞的工程案例。為了避免基坑開挖導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道發(fā)生安全事故,既有盾構(gòu)隧道對(duì)變形的要求相當(dāng)嚴(yán)格?！冻鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[4]明確規(guī)定盾構(gòu)隧道豎向、水平位移以及徑向收斂不得大于20 mm。因此有必要針對(duì)基坑開挖引起的盾構(gòu)隧道變形規(guī)律進(jìn)行研究。

目前,國內(nèi)外已有不少學(xué)者開展了基坑開挖引起鄰近盾構(gòu)隧道變形的相關(guān)研究。在理論研究方面,ZHANG等[5]、魏綱等[6-7]基于兩階段分析法,首先,計(jì)算出基坑開挖引起的側(cè)壁卸荷應(yīng)力;然后,利用Mindlin應(yīng)力解,得到作用在盾構(gòu)隧道上的附加荷載,建立位移平衡微分方程,求解得到隧道位移。數(shù)值模擬方面,戚科駿等[8]以上海某臨近隧道的基坑工程為例,利用有限元模擬軟件分析了開挖期間隧道變形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)基坑底部的加固深度和開挖過程中的時(shí)間因素都影響著隧道的最終變形;鄭剛等[9]利用數(shù)值模擬分析方法劃分了基坑旁側(cè)盾構(gòu)隧道的變形影響區(qū);王利軍等[10]基于FLAC3D模擬了超大深基坑開挖對(duì)旁側(cè)盾構(gòu)隧道的影響,發(fā)現(xiàn)地鐵隧道整體變形呈對(duì)稱分布,變形以水平位移為主,沉降較小,水平位移呈倒八字形。

由于基坑工程的復(fù)雜性以及隱蔽性,理論研究以及數(shù)值模擬方法均無法精確反映施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,而實(shí)測(cè)分析則能較好地揭示基坑開挖以及鄰近盾構(gòu)隧道變形機(jī)制。魏綱等[11]基于杭州2號(hào)線地鐵旁側(cè)某基坑施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),提出分區(qū)開挖施工應(yīng)先開挖遠(yuǎn)離隧道側(cè)基坑,后開挖近隧道側(cè)基坑,并給出了地鐵隧道水平位移計(jì)算公式。邵華等[12]分析了上海裕年國際商務(wù)大廈基坑開挖期間旁側(cè)上海1號(hào)線的變形數(shù)據(jù),同樣提出先開挖非地鐵側(cè)土方能有效減小盾構(gòu)隧道變形;王立峰等[13]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),提出基坑分塊開挖應(yīng)考慮時(shí)空效應(yīng)對(duì)臨近盾構(gòu)隧道變形的影響,并提出隧道變位估算的預(yù)測(cè)公式。沈雯等[14]發(fā)現(xiàn)鄰近基坑開挖的區(qū)間隧道呈現(xiàn)沉降變形,水平向基坑側(cè)發(fā)生位移,且橫向發(fā)生水平收斂。許四法等[15]基于實(shí)際工程探究了基坑開挖全過程對(duì)旁側(cè)盾構(gòu)隧道的變形影響。

以往學(xué)者多對(duì)實(shí)測(cè)分析方面開展研究,目前多分區(qū)大型深基坑工程案例比較少見,且針對(duì)開挖過程中基坑自身以及旁側(cè)隧道變形的協(xié)同分析也鮮有報(bào)道?；娱_挖過程中,基坑為擾動(dòng)源,盾構(gòu)隧道為作用對(duì)象,土體則是兩者之間的介質(zhì),基坑與隧道應(yīng)視為一個(gè)系統(tǒng)。因此,探究基坑與旁側(cè)隧道的聯(lián)合變形規(guī)律對(duì)控制旁側(cè)盾構(gòu)隧道的變形具有重要意義。

以杭州某鄰近地鐵7號(hào)線區(qū)間隧道基坑工程為背景,分析開挖期間基坑以及旁側(cè)盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律,探討基坑以及旁側(cè)盾構(gòu)隧道兩者之間變形的協(xié)同響應(yīng)機(jī)制。

1 工程概況和監(jiān)測(cè)布置

1.1 工程概況

杭州市某基坑工程臨近既有7號(hào)線地鐵區(qū)間隧道,基坑地下3層區(qū)域呈方形,開挖長度約130 m,寬度約105 m,開挖深度14.81～15.95 m。地下3層基坑北側(cè)外掛一長條形地下1層小基坑,開挖長度為約69 m,寬度約7.1 m,開挖深度6.65 m。

地下1層和地下3層基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線距北側(cè)地鐵7號(hào)線的最小凈距分別為7.96 m和12.5 m,如圖1所示。基坑分為A、B、C、D、E、F 6個(gè)區(qū)塊,其中F分為F1、F2。

隧道頂距離地下1層基坑底7.35～9.10 m,距地下3層基坑底-1.61～0.30 m。地下1層基坑(F區(qū))采用鉆孔樁+三軸水泥攪拌樁+2道內(nèi)支撐(1道鋼筋混凝土支撐、1道鋼支撐);近地鐵側(cè)(A區(qū)、B區(qū))采用地下連續(xù)墻+3道鋼筋混凝土支撐+地中壁支護(hù)形式,其它區(qū)塊則采用鉆孔樁+三軸水泥攪拌樁+3道鋼筋混凝土支護(hù)形式,同時(shí)采用三軸攪拌樁施作止水帷幕、槽壁加固及被動(dòng)區(qū)加固,如圖2所示。

圖2 基坑與隧道剖面圖

基坑開挖范圍內(nèi)主要有填土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土;隧道主要位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土中如圖3所示?；涌拥准八淼乐饕挥谟倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土土層,局部為淤泥質(zhì)黏土,干強(qiáng)度中等、壓縮性高、韌性中等。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

基坑采用分層分塊開挖形式,施工順序總體為: 先同步開挖A、C區(qū);待A和C區(qū)結(jié)構(gòu)施工完成后,開挖B、E區(qū);最后開挖D、F1和F2區(qū)?；訌?020年10月22日開挖,具體工況和施工時(shí)間如表2所示。

圖3 基坑與隧道地質(zhì)剖面圖

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 基坑施工工況

1.2 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖4為基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖。其中,CX表示基坑邊坡變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),埋置于圍護(hù)結(jié)構(gòu)后方土體內(nèi); DB表示地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),位于基坑頂部周邊; W表示墻頂垂直、水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn); ZC表示支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。隧道右線75～260環(huán)為監(jiān)測(cè)范圍,在基坑正投影區(qū)域每5環(huán)布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,兩端外擴(kuò)40環(huán)區(qū)域每10環(huán)布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,右線共布設(shè)30個(gè)斷面。監(jiān)測(cè)斷面布置如圖5所示。其中,隧道兩側(cè)1#和2#棱鏡監(jiān)測(cè)隧道水平收斂,3#和4#棱鏡監(jiān)測(cè)道床差異沉降,4#棱鏡監(jiān)測(cè)道床沉降和水平位移。

2 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

2.1 墻/樁頂垂直、水平位移

圖6為A和C區(qū)開挖階段墻頂垂直以及水平位移圖。A區(qū)由于施工場(chǎng)地原因,監(jiān)測(cè)點(diǎn)W2、W4、W5、W6在開挖期間長期處于覆蓋狀態(tài),數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重,因此僅選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)W1、W3和W7數(shù)據(jù)。圖中垂直位移正值代表隆起,水平位移正值代表向基坑側(cè)變形,后同。

由圖6可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)W1由于A區(qū)北側(cè)空地材料堆放的原因,呈現(xiàn)出與其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)不一致的垂直位移發(fā)展趨勢(shì),在A區(qū)底板澆筑完成后墻頂垂直位移仍表現(xiàn)為沉降。除監(jiān)測(cè)點(diǎn)W1外,A和C區(qū)第1層土方開挖后墻頂均呈現(xiàn)沉降變形趨勢(shì),而隨著基坑的進(jìn)一步開挖,墻頂變形逐漸發(fā)展為隆起變形。原因是: 第1層土方開挖時(shí),挖深較小,基坑底部卸荷有限,不足以抵消圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重的影響,因此墻頂表現(xiàn)為沉降;而隨著基坑的進(jìn)一步開挖,坑底卸荷量進(jìn)一步增大,坑底回彈增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸上抬。程康等[16]在分析杭州市某基坑開挖性狀時(shí)也得到了同樣的結(jié)論?；娱_挖導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受主動(dòng)土壓力,墻頂呈現(xiàn)向基坑內(nèi)側(cè)位移的趨勢(shì)。C區(qū)各測(cè)點(diǎn)墻頂水平位移均隨著基坑挖深的增加而逐漸增加,各層土方開挖后,墻頂最大水平位移分別為5、9、12 mm;而在澆筑底板后,墻頂水平位移均有一定程度的減小。

圖4 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)斷面布置圖

圖6 A和C區(qū)開挖階段墻頂垂直及水平位移圖

圖7示出了B和E區(qū)開挖階段墻頂垂直及水平位移。A、C區(qū)于2020年11月底開挖,而B區(qū)在2021年9月底才開挖,此時(shí)B區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重引起的沉降已基本穩(wěn)定,因此,與A、C區(qū)不同,B區(qū)墻頂沉降隨著開挖的進(jìn)行,始終呈現(xiàn)隆起狀態(tài),且隨著挖深的增加,墻頂隆起呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。由于A、C區(qū)結(jié)構(gòu)的隔斷作用,B區(qū)南側(cè)測(cè)點(diǎn)W21、W22、W23以及西側(cè)測(cè)點(diǎn)W24在開挖階段的水平位移均較小。針對(duì)分區(qū)開挖施工,要注意控制優(yōu)先開挖分區(qū)的變形,同時(shí)在支護(hù)方案設(shè)計(jì)階段也應(yīng)考慮施工順序的影響。

圖8示出了D和F區(qū)開挖階段墻頂垂直及水平位移。由圖可看出,F區(qū)開挖引起的變形較小; D區(qū)W35隨著基坑挖深的增加,墻頂沉降逐漸增大的同時(shí),墻頂向基坑內(nèi)側(cè)偏移。

基坑開挖時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降產(chǎn)生影響,當(dāng)開挖卸荷量小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降;當(dāng)卸荷量發(fā)展到足以抵消圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重時(shí),則發(fā)生隆起。

2.2 地表沉降

圖9—11示出A、B、C區(qū)開挖期間不同工況、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降變形曲線,圖中工況對(duì)應(yīng)表2中的工況,負(fù)值表示沉降。圖9—11所示的地表沉降規(guī)律與2.1節(jié)中所述的墻頂位移規(guī)律一致。A區(qū)開挖期間,大部分地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了不同程度的沉降;B區(qū)開挖過程中,地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)首先呈現(xiàn)沉降的趨勢(shì),隨后發(fā)生一定的隆起變形,最終趨于穩(wěn)定;而C區(qū)開挖過程中,大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)隆起變形。

圖7 B和E區(qū)開挖階段墻頂垂直及水平位移圖

圖8 D和F區(qū)開挖階段墻頂垂直及水平位移圖

圖9 A區(qū)開挖階段地表沉降

圖10 B區(qū)開挖階段地表沉降

2.3 深層土體水平位移

選取典型土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)(CX1、CX10、CX17、CX24、CX26、CX27)進(jìn)行深層土體水平位移分析。圖12示出了典型深層土體水平位移曲線,其中正值表示向基坑內(nèi)位移。

由圖12(a)可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX1的水平位移不斷增大。隨著基坑開挖深度的增加,土體變形最大位置逐漸下移,且都在開挖深度附近,變形主要呈現(xiàn)復(fù)合型模式(中間大、兩邊小)。底板澆筑完成后,監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX1最大變形為49.24 mm,略大于報(bào)警值40 mm。

由圖12(b)可知,土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX10在基坑開挖前期表現(xiàn)為懸臂型變形模式。與CX1有所區(qū)別,監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX10淺層土體在開挖期間頂部表現(xiàn)為向坑外變形,這可能是A、C區(qū)相對(duì)開挖卸荷引起的。西側(cè)A區(qū)開挖體量大,則土體卸荷應(yīng)力大,導(dǎo)致C區(qū)東側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向坑外變形,底板澆筑完成后,CX10最大變形約35 mm。

由圖12(c)可知,由于C區(qū)結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成,且B區(qū)尺寸較小,監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX17的變形較CX1和CX10小,最大水平位移為25 mm左右。監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX1、CX10、CX17的變形都隨著基坑開挖深度的增加,變形最大位置逐漸下移,且都在開挖深度附近。

由圖12(d)可知,E區(qū)開挖期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX24的深層土體變形呈現(xiàn)復(fù)合型模式,隨著基坑開挖深度的增加,變形逐漸增加。與前面不同的是,其變形的最大位置始終在第2道支撐附近,這可能與監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX24所處的土體分層情況有關(guān)。與CX1、CX17、CX24一樣,基坑開挖到底后,均進(jìn)行了及時(shí)封底,控制了土體進(jìn)一步變形。

(a) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX1 (b) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX10

(c) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX17 (d) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX24

(e) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX26 (f) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX27

由圖12(e)可知,F區(qū)挖深較小,監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX26最大水平位移僅為12.5 mm左右。由于D區(qū)鄰近的A、B、C、E區(qū)結(jié)構(gòu)均已完成,當(dāng)D區(qū)開挖到底時(shí),CX27的變形較小,最大變形僅為27 mm左右。但是由于開挖到底后未及時(shí)封底,底板澆筑完成時(shí),CX27的最大變形區(qū)發(fā)展到35 mm。

2.4 支撐軸力分析

考慮到數(shù)據(jù)的完整性,以C區(qū)為例分析開挖期間支撐軸力變化。圖13為C區(qū)開挖期間支撐軸力變化。第1層土方開挖期間,圍護(hù)結(jié)構(gòu)上土體卸荷應(yīng)力主要由第1道支撐承受;隨著挖深的增加,第1道支撐的軸力逐漸增加,第1層土方開挖完成時(shí),第1道支撐最大軸力達(dá)到3 286 kN。第2道支撐架設(shè)后,在第2層土方開挖過程中,第2道支撐承擔(dān)了主要的土體卸荷應(yīng)力,此階段第1道支撐軸力不再進(jìn)一步發(fā)展,第2道支撐軸力則隨著開挖深度的增加而逐漸增大。同樣,第3道支撐架設(shè)之后,隨著第3層土方的開挖,第3道支撐軸力逐漸增大,而第1道和第2道支撐軸力則趨于穩(wěn)定。

圖13 C區(qū)支撐軸力實(shí)測(cè)分析

3 隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

3.1 隧道道床沉降分析

地鐵右線隧道監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?5～260環(huán),圖14示出了基坑不同施工階段右線道床沉降變形曲線,其中負(fù)值表示沉降。

如圖14所示,A、C區(qū)開挖直至底板封閉施工,地鐵右線隧道產(chǎn)生了一定的道床沉降,且集中在基坑對(duì)應(yīng)區(qū)域。其中,A區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域(170～220環(huán))距基坑邊界更近,道床沉降普遍大于C區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域(105～140環(huán))。A、C區(qū)底板澆筑完成后到B區(qū)開挖區(qū)間為A、C區(qū)結(jié)構(gòu)施工階段,值得注意的是,在此階段,右線隧道道床發(fā)生了顯著的沉降。這與邵華等[12]提出的“挖土支撐階段是對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)影響最大的階段”有所出入,結(jié)構(gòu)施工對(duì)隧道道床沉降的影響甚至大于開挖階段。因此,在結(jié)構(gòu)施工階段,應(yīng)控制基坑內(nèi)材料以及設(shè)備的堆積,避免進(jìn)一步加劇鄰近地鐵隧道的沉降。

圖14 基坑不同施工階段右線道床沉降曲線

B、E區(qū)開挖期間,已完成的結(jié)構(gòu)并未對(duì)隧道產(chǎn)生封閉隔離作用,隧道道床沉降進(jìn)一步發(fā)展,變形主要集中在140～225環(huán)。E區(qū)結(jié)構(gòu)完成后,由于A、C區(qū)和B、E區(qū)的結(jié)構(gòu)對(duì)隧道產(chǎn)生隔離效應(yīng),因此D區(qū)開挖期間,隧道道床沉降變化較小,基本穩(wěn)定。隧道道床最終沉降接近20 mm,因此在施工完成之后,對(duì)局部變形過大的盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行了修復(fù)和鋼環(huán)加固。

選取4個(gè)有代表性的隧道監(jiān)測(cè)位置(120環(huán)、155環(huán)、190環(huán)、215環(huán)),分析隧道道床沉降隨著開挖時(shí)間的變化規(guī)律,如圖15所示。A、C區(qū)開挖期間,隧道道床沉降有一定的發(fā)展,但是變化不大。而在結(jié)構(gòu)施工階段,隧道道床沉降有顯著的變化,原因有: 1)由于軟土在受力變形過程中存在時(shí)間效應(yīng),即土體變形延遲,因此,基坑開挖產(chǎn)生的土體位移無法在隧道變形上得到瞬時(shí)響應(yīng); 2)結(jié)構(gòu)施工階段,大自重結(jié)構(gòu)的施工相當(dāng)于坑底堆載,進(jìn)一步增大了隧道的道床沉降變形。與A、C區(qū)類似,B、E開挖期間,隧道道床沉降得到進(jìn)一步發(fā)展。120環(huán)斷面的道床沉降變化幅度不大,是因?yàn)?20環(huán)對(duì)應(yīng)C區(qū)開挖區(qū)域,而此時(shí)C區(qū)結(jié)構(gòu)已完成,對(duì)該區(qū)域的土體起到較好的支撐作用,因此B、E區(qū)開挖對(duì)120環(huán)斷面的道床沉降影響不大。同樣地,在結(jié)構(gòu)施工階段,道床沉降有進(jìn)一步發(fā)展。由于F區(qū)基坑挖深小于隧道埋深,因此D、F區(qū)開挖期間,隧道有一定的上抬,但由于F區(qū)基坑開挖尺寸較小,對(duì)隧道的上抬作用并不明顯。

圖16為典型隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同施工階段的道床沉降增量圖。A、C區(qū)結(jié)構(gòu)施工階段是隧道道床沉降發(fā)展最快的階段,而在D、F區(qū)開挖期間,各點(diǎn)均有一定的隆起。

3.2 隧道水平位移分析

圖17為基坑不同施工階段右線隧道水平位移曲線,其中正值表示向基坑方向位移。如圖17所示,與一般案例中基坑開挖引起的鄰近隧道水平位移呈正態(tài)分布不同[11, 17],本項(xiàng)目基坑開挖完成后,隧道水平位移呈現(xiàn)“高低雙峰”狀。75～125環(huán)為低峰,150～250環(huán)為高峰。而雙峰之間的低谷對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為125～150環(huán),對(duì)應(yīng)C區(qū)開挖區(qū)域環(huán)號(hào)。由圖17可知,高低峰落差產(chǎn)生主要集中在A、C區(qū)底板澆筑完成到B區(qū)開挖前這一階段,距離較近的A區(qū)對(duì)應(yīng)的隧道區(qū)域水平位移發(fā)展遠(yuǎn)大于距離較遠(yuǎn)的C區(qū)對(duì)應(yīng)的隧道區(qū)域水平位移發(fā)展。因此,在A、C區(qū)結(jié)構(gòu)施工至B區(qū)開挖前,鄰近隧道產(chǎn)生差異性水平位移的原因是由前文提到的軟土變形時(shí)間效應(yīng)以及基坑分區(qū)與隧道相對(duì)位置2個(gè)因素疊加造成的。

圖15 右線隧道道床沉降隨開挖時(shí)間變化

圖16 右線隧道道床沉降增量圖

由圖18示出的右線隧道水平位移隨開挖時(shí)間的變化曲線可知,各點(diǎn)變化趨勢(shì)一致,水平位移均隨著基坑開挖時(shí)間逐漸增大。與圖15道床沉降變化規(guī)律類似,在A、C區(qū)結(jié)構(gòu)施工階段,各點(diǎn)水平位移有較大的變化,190環(huán)隧道斷面水平位移由1.3 mm增加到5.3 mm,結(jié)構(gòu)施工期間增加的水平位移約是開挖階段的3倍。因此,要盡量縮短結(jié)構(gòu)施工時(shí)間,避免隧道變形進(jìn)一步發(fā)展。

圖17 基坑不同施工階段右線水平位移曲線

圖18 右線隧道水平位移隨開挖時(shí)間變化

圖19為右線隧道典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同施工階段的水平位移增量圖。與圖16相同,各個(gè)點(diǎn)均在A、C區(qū)結(jié)構(gòu)施工階段水平位移發(fā)展最快。

圖19 右線隧道水平位移增量

3.3 隧道水平收斂分析

圖20為基坑不同施工階段右線水平收斂曲線,正值表示水平拉伸,負(fù)值表示水平壓縮。與道床沉降以及水平位移不同,隧道水平收斂曲線在A、C施工階段并未呈現(xiàn)變形滯后性。原因是: 隧道管片結(jié)構(gòu)為剛性材料,基坑卸荷應(yīng)力作用在管片結(jié)構(gòu)上時(shí),會(huì)即刻反應(yīng)在管片收斂變形上。隨著基坑施工步驟的進(jìn)行,右線隧道呈現(xiàn)水平拉伸狀,且水平收斂越來越大,這與黃迅等[18]得到的規(guī)律一致。

圖20 基坑不同施工階段右線水平收斂曲線

圖21為右線隧道水平收斂隨開挖時(shí)間的變化情況。由圖可知,在A、C區(qū)開挖階段,基坑側(cè)壁卸荷應(yīng)力作用在隧道管片結(jié)構(gòu)上,隧道水平位移有較大的發(fā)展。但是與隧道水平位移及道床沉降不同,水平收斂在A、C區(qū)結(jié)構(gòu)施工階段并未進(jìn)一步增大,而是趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)? 管片結(jié)構(gòu)的水平收斂對(duì)附加應(yīng)力的響應(yīng)是瞬時(shí)的。因此在結(jié)構(gòu)施工期間,水平收斂已達(dá)到穩(wěn)定。而隨著B、E區(qū)開挖,附加荷載進(jìn)一步作用在管片結(jié)構(gòu)上,水平收斂進(jìn)一步發(fā)展,由于B、E區(qū)開挖的附加應(yīng)力較小,水平收斂增大的幅度并不大。后續(xù)施工階段,水平收斂與道床沉降以及水平位移變形規(guī)律一致,皆趨于穩(wěn)定。

圖21 右線隧道水平收斂隨開挖時(shí)間的情況變化

3.4 隧道與基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析

聯(lián)合基坑以及隧道變形數(shù)據(jù),總結(jié)基坑開挖對(duì)隧道影響模式?；邮┕じ麟A段隧道水平變形如圖22所示。本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道均向基坑側(cè)位移,A、C區(qū)施工時(shí),臨近隧道側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX1和CX9的土體深層水平位移分別為49.24 mm(深度19 m)、34.02 mm(深度16 m)。由于近隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量的不同以及A、C區(qū)與隧道水平距離的不同,導(dǎo)致A、C區(qū)施工后,隧道出現(xiàn)“雙峰”形水平位移曲線。由于B區(qū)更靠近盾構(gòu)隧道,且對(duì)應(yīng)“小峰”區(qū)域,而E區(qū)與隧道間隔著已完成結(jié)構(gòu)的A區(qū),因此B、E區(qū)施工時(shí),“小峰”發(fā)展程度大于“大峰”,但隧道變形曲線仍呈現(xiàn)“雙峰”狀。F區(qū)開挖深度小,D區(qū)與隧道間隔著已完成結(jié)構(gòu)的B區(qū),因此D、F區(qū)施工對(duì)隧道縱向變形影響有限,最終隧道縱向變形仍呈現(xiàn)“雙峰”狀。

圖22 基坑施工各階段隧道水平變形示意圖

基坑開挖后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)在坑內(nèi)外壓力差的作用下向基坑內(nèi)側(cè)變形,且在坑底卸荷的作用下,圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的隆起,坑外土體同時(shí)沿著一定的位移路徑隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移,此時(shí)地表發(fā)生沉降,旁側(cè)盾構(gòu)隧道不僅發(fā)生沉降,還向基坑側(cè)產(chǎn)生了位移。從隧道橫向變形來看,在土體位移的作用下,隧道呈現(xiàn)水平向拉伸的“橫鴨蛋”狀,如圖23所示。

圖23 基坑開挖變形示意圖

以A區(qū)為例,分析土體測(cè)斜與隧道水平位移的時(shí)程關(guān)系。盾構(gòu)隧道在A區(qū)對(duì)應(yīng)區(qū)段埋深約15 m,土體及對(duì)應(yīng)的隧道斷面在同樣深度下的位移時(shí)程曲線如圖24所示。如圖24所示,在開挖40 d以后,土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX1和CX2的位移均有明顯的提升。監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX1從40 d的3.73 mm發(fā)展到100 d的46.64 mm;監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX2從40 d的1 mm發(fā)展到100 d的23.91 mm。然而,對(duì)應(yīng)的隧道210環(huán)和180環(huán)水平位移在40～100 d波動(dòng)不大;直至100 d之后,隧道水平位移才有相應(yīng)的增大,相比于土體而言,隧道水平位移變形有60 d左右的滯后性;隧道沉降時(shí)程規(guī)律與水平位移規(guī)律一致,同樣較土體而言大致有60 d左右的滯后性。原因是前文所說的軟土變形時(shí)間效應(yīng),導(dǎo)致土體應(yīng)變無法對(duì)應(yīng)力做出即時(shí)響應(yīng)。因此,基坑開挖結(jié)束后仍需關(guān)注鄰近隧道的變形數(shù)據(jù)。

圖24 A區(qū)土體和對(duì)應(yīng)隧道位移時(shí)程曲線

4 結(jié)論與建議

1)基坑開挖時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降產(chǎn)生影響。當(dāng)開挖卸荷量小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降;當(dāng)卸荷量發(fā)展到足以抵消圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重時(shí),則發(fā)生隆起。

2)基坑結(jié)構(gòu)施工階段產(chǎn)生的鄰近盾構(gòu)隧道道床沉降及水平位移增量顯著大于基坑開挖階段,結(jié)構(gòu)施工期間增加的水平位移約是開挖階段的3倍。應(yīng)盡量縮短結(jié)構(gòu)施工時(shí)間,避免隧道變形進(jìn)一步發(fā)展。

3)軟土變形的時(shí)間效應(yīng)可能導(dǎo)致基坑旁側(cè)地鐵隧道的道床沉降及水平位移響應(yīng)滯后60 d左右,應(yīng)重視隧道道床沉降及水平位移的工后變形。

限于實(shí)際工程的客觀原因,本文未能分析基坑各分區(qū)間開挖互相影響,未能收集坑底隆起、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力、孔隙水壓力等數(shù)據(jù),也未能完整分析基坑開挖對(duì)鄰近隧道的變形機(jī)制,后續(xù)可進(jìn)一步開展相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究。