随着城市建设高速发展,城市轨道交通网越来越密集,高层建筑物在既有运营地铁隧道区间周边的新建逐渐增加。为减少深基坑开挖对运营地铁的影响,对基坑支护要求不断提高,其支护结构在满足自身安全的同时还要保证邻近地铁线路的正常运营。所以要对基坑开挖过程中地铁隧道的变形情况进行研究,将其控制在允许范围内十分必要^[1,2,3]。为保证邻近深基坑地铁的正常运营,必须考虑基坑开挖对隧道的变形影响,并进行全程监测和采取相关控制措施^[4]。

深基坑工程自身具有复杂性,且开挖过程受时空效应影响明显,这增加了深基坑开挖对相邻隧道影响规律研究的难度。为此,国内众多学者就深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响进行大量研究分析,并取得宝贵的研究成果。王卫东等^[5]对南方软土深基坑进行研究,并通过数值模拟方法分析基坑开挖卸载对地铁隧道区间变形的影响;王立峰等^[6]研究发现隧道管片的变形随埋深的不同而呈现不同的变形模式;宋晓凤等^[7]认为深基坑开挖时,基坑侧壁与隧道的水平净距为2倍的开挖深度是一个临界值,可将基坑开挖影响范围分为强影响区和弱影响区,并随着基坑侧向支撑强度的增加,双排桩较单排桩对隧道水平变形的抑制作用增强;戚科骏等^[8]研究发现隧道变形与基坑开挖存在明显的时空效应,且隧道变形明显滞后于基坑开挖;杜江涛等^[9]采用数值模拟与现场监测数据结合进行对比分析的方法探究隧道变形规律;刘庭金等^[10]在分析桩锚深基坑引发地铁盾构隧道病害的原因时,发现桩锚支护导致地铁隧道附近土体产生松动区,地铁隧道断面出现“横椭圆形”变形趋势。

虽然众多学者对于基坑开挖过程中对邻近隧道的应力及变形进行了研究,但随着城市用地的紧张,房屋建筑与地铁线路之间的关系也逐渐复杂,二者的距离也越来越小,所以对于桩锚深基坑开挖对邻近地铁隧道的变形还有待继续研究。

本文以北京地区某邻近地铁隧道采用桩锚结构支护的深基坑开挖为工程背景,通过数值模拟和现场实际监测数据相结合的研究方法,探究桩锚支护深基坑开挖对邻近地铁隧道的变形规律。

某工程处于北京市通州区运河核心区,总用地面积28 847m²,其中建设用地面积17 815m²,拟建3栋写字楼、1栋单身公寓,写字楼地上23层,公寓地上24层,地下室均为3层。基坑大致呈矩形,长103.23m,宽42m。拟建场地地形较平坦,开挖深度16.76～17.76m,靠近地铁隧道侧的开挖深度较小,约16.76m。邻近已运营的地铁6号线二期工程通运门站—北运河站区间。隧道左线距离基坑较近,右线为远侧,左右线隧道水平相距13m。基坑侧壁距离用地红线4.0m,距离地铁隧道管片19.5～21.0m。基坑与地铁相对位置如图1所示。

此基坑支护为临时支护结构,设计使用年限为1年,基坑侧壁安全等级为一级,邻近地铁隧道的基坑侧壁支护深度16.76m,采用“桩锚支护体系”。护坡桩长23.50m,桩径800mm,桩间距1 400mm,桩身混凝土为C25,桩身混凝土保护层厚50mm。桩间布置4道预应力锚杆,既有地铁区间隧道采用盾构法施工,隧道底部埋深为13.8～15.3m,隧道的掘进设备采用直径6 280mm的土压平衡盾构机,采用厚300mm的C50预制混凝土管片衬砌,地铁侧基坑桩锚支护结构如图2所示。

根据现场原位试验与室内土工试验成果的综合分析,主要土层的物理力学参数如表1所示。

1)假定计算模型初始应力只考虑土体自重,固结早已完成。

2)假定止水帷幕隔水效果良好,且地下水不作为此次研究问题的重点,故不考虑地下水的影响。

3)假定本基坑支护结构、6号线地铁隧道结构及土体之间变形协调。

4)假定土体均质,为理想型弹塑性体,各土层水平分布,桩锚支护结构按照弹性材料考虑。

5)假定以最不利因素分析,地铁区间结构自重与土体自重计算荷载均以最不利情况考虑;基坑周围的堆载按照20kPa计算。

通过利用FLAC3D软件模拟该基坑开挖对已运营6号线隧道的作用。考虑到本基坑工程量巨大,若建立完整的模型计算耗时又费力,并且研究重点是2-2剖面的桩锚支护结构侧。最终确定模型尺寸为长70m,高35m,宽9m。隧道衬砌可采用实体单元模拟,取混凝土密度,弹性模量按照钢筋混凝土进行相应提高。实体单元为开挖土体及周围土体;结构单元为冠梁、围梁、护坡桩、锚杆。模型共23 180个节点,19 737个单元。

根据基坑工程实际情况及对北京地区土体的分析经验,将数值模拟土体本构模型定为Mohr-Coulomb模型,基坑支护锚杆和护坡桩设计参数如表2,3所示,其中锚杆直径均取150mm。

1)工况1在地面施作护坡桩及浇筑冠梁等。

2)工况2从地面向下开挖深度为2.8m,即为布置第1排预应力锚杆下0.5m处。

3)工况3从此时的坑底继续开挖3.3m深至布置第2排预应力锚杆下0.5m处。

4)工况4从此时的坑底继续开挖4.0m深至布置第3排预应力锚杆下0.5m处。

5)工况5从此时的坑底继续开挖3.5m深至布置第4排预应力锚杆下0.5m处。

6)工况6从此时的坑底继续开挖3.2m深至基坑底,同时浇筑基坑底板。

本工程基坑安全等级整体按一级考虑,邻近地铁侧采取变形加强控制,桩顶水平及竖向位移控制值为20mm,报警值为16mm,变化速率3mm/d。依据地铁轨道相关的规范规定:地铁隧道水平位移和竖向位移预警值限制在10mm之内,控制值均限制在20mm之内。基坑监测点布置如图3所示。

首先检验数值模拟的拟合性,将数值模拟计算的2-2剖面支护桩基坑侧壁的水平位移计算值与基坑支护桩现场监测数据结合对比,可直观发现护坡桩水平位移的变化趋势,如图4所示。

由图4可知,护坡桩水平位移曲线与监测数据曲线走势很接近,变化规律高度一致。数值模拟水平位移最大值为8.91mm,现场监测水平位移最大值为9.32mm,均在控制值范围以内,说明此基坑桩锚支护可保证基坑自身使用安全,且数值模拟计算的简化没有问题,材料参数取值符合实际情况,可通过该模型研究对邻近地铁隧道产生的变形影响。

利用已建模型对将各工况引起地铁隧道断面变形进行分析,发现竖向变形最大值均发生在隧道靠近基坑侧,可直观表现变形状况,方便研究其规律(见表4)。

由表4可得出数值模拟地铁隧道的竖向变形随着工况开挖逐渐增大,最大竖向位移发生工况6,数值为0.880mm。逐步工况分析,由工况1可知,钻孔灌注桩和冠梁的施工对地铁隧道影响微小,可忽略不计。工况2的隧道竖向变形出现下沉。左线地铁上部受压,发生下沉,同时底部也发生下沉。分析此原因,由于基坑开挖尚很浅,土体卸载对地铁隧道影响不是很明显。随着第1道锚杆打入施工,锚杆锚固段距离地铁隧道约3.4m,锚固段到达隧道正上方,隧道上方周围土体整体与预应力锚杆协同工作。锚固端土体对隧道有向下压迫趋势,土体扰动加上土体承载力降低,导致其出现下沉,并未因隧道位于基坑下侧随开挖导致其上浮。

工况3～6中地铁隧道左线横断面位移均表现为整体上浮,最大位移发生近基坑侧,隧道发生一定角度的扭转。

第2道锚杆的锚固段与隧道净距为1.8m,地铁隧道左侧土体与锚杆的协同工作导致部分土体受到扰动,整体有向左位移的趋势,形成土体松动区,对地铁卸载较明显,隧道出现偏左上方向的上升位移。伴随着工况4开挖完成,基坑开挖深度已接近于地铁隧道的埋深。随着第3道锚杆打入后,锚杆的锚固段已深入地铁隧道下方,在土体与锚固段相互作用机理下,使隧道有向上抬起的趋势,从而左线隧道产生了左侧明显高于右侧的上浮。同理,第4道锚杆的打入,隧道受到的向上分力增大,土体卸载非常明显,上浮趋势也增加。最终,基坑开挖到底并浇筑底板,隧道竖向位移达到最大值,由于预应力锚杆与基坑周边土体的协同受力,基坑开挖深度远超过隧道埋深,此时地铁隧道受土体开挖卸载影响明显,隧道未出现下沉,仍处于上浮状态。

总之,邻近深基坑的地铁隧道,随着基坑的开挖,靠近基坑一侧的隧道竖向变形明显大于远离侧。左线隧道整体处于上浮状态,隧道近基坑侧壁竖向位移较远离侧大,竖向被挤压,隧道横断面产生一定角度的扭转,方向指向基坑开挖侧。

将数值模拟计算的各工况引起地铁隧道断面横向变形累计最大值进行统计,如表5所示。

该基坑施工完毕后,经模拟计算可得最大横向位移同样发生工况6,亦发生在隧道靠近基坑的一侧,横向变形最大值为2.520mm。由工况1可知,钻孔灌注桩和冠梁的施工,对地铁隧道影响微小,可忽略不计。由工况5～6可知,隧道水平位移发展较快,差值为1.185mm,应引起注意。

隧道随着基坑开挖深度增加,隧道整体向基坑方向水平位移越来越大。分析工况6水平位移发展迅速的原因,工况5完成后,继续开挖3.2m,此时基坑开挖深度已超过隧道埋深,地铁隧道受土体开挖卸载非常明显,桩锚支护与土体协同工作,有整体向基坑的运动趋势,导致隧道水平位移增加较大。

综合分析可知,左线地铁隧道左侧壁位移明显大于右侧,整体向基坑侧位移,隧道横断面被水平拉伸,但发生一定角度的扭转,沿径向指向基坑开挖位置。

基坑开挖施工期间,对地铁6号线隧道左线进行实时监测,以水平和竖向位移为主。2-2断面监测点布置如图5所示。

通过隧道竖向位移最大值监测图发现,隧道竖向位移随基坑开挖深度增加而上浮变大,增大到最大值为1.036mm,当浇筑底板完成,竖向变形最大值为0.912mm,减少0.124mm,之后趋于稳定。基坑开挖整个过程中,地铁左线隧道最终最大竖向变形值为0.912mm,与数值模拟计算最大竖向位移值0.880mm相差很小,进一步验证模型数值模拟基坑工程支护的合理性。

由隧道竖向位移最大值监测图可知,随着基坑开挖的进行,开挖深度越来越大,隧道水平位移后期增长较快,基坑开挖完成累计最大水平位移值为2.868mm,混凝土底板浇筑后,隧道水平位移减少0.261mm,之后为2.607mm基本稳定不变。对比数值模拟计算的地铁隧道最大水平位移值2.520mm,说明基坑的桩锚支护结构体系满足要求。

综合隧道水平位移与沉降分析,当基坑开挖完成浇筑底板后,地铁隧道的水平和竖向变形都有所降低,对于深基坑开挖,应当合理控制开挖深度,减少基坑暴露时间,及时浇筑基坑底板可有效控制邻近地铁隧道变形。

总之,综合分析以上数值模拟水平及竖向位移图和现场监测的数据分析,对照数值模拟开挖到基坑底部的总位移可直观看出桩锚支护对于周围土体及地铁隧道受基坑开挖的影响趋势。综合研究发现,除工况1～2外,隧道基本整体发生上浮。随着深基坑开挖,靠近基坑一侧的隧道变形明显大于远基坑侧的隧道,且靠近基坑的侧壁位移大于远离基坑一侧。由地铁隧道变形的数据分析,地铁隧道最大水平位移值远大于竖向位移值。可得基坑开挖过程中隧道横断面的变形规律:横向发生拉伸,竖向被挤压,呈现横椭圆形,随着开挖工况不同,隧道出现一定角度的扭转。

1)深基坑的桩锚支护对邻近已运营地铁隧道影响较大。邻近深基坑的地铁隧道,随着基坑的开挖,靠近基坑一侧的隧道变形明显大于远离的一侧,且隧道靠近基坑的侧壁位移大于远离基坑一侧。桩锚支护的锚固段距离地铁隧道较近,锚杆与土体协同工作,导致隧道整体产生上浮。

2)由数值模拟与现场监测数据对比分析,验证数值模拟模型的简化合理可行,该基坑采用桩锚支护体系可保证基坑自身安全使用。对于深基坑开挖,应当合理控制开挖深度,减少基坑暴露时间,及时浇筑基坑底板可有效控制邻近地铁隧道变形。

3)邻近深基坑的地铁隧道水平方向位移影响大于竖向位移。隧道横断面在竖向产生压缩,横向发生拉伸,呈横椭圆形,随着开挖工况,沿径向指向基坑开挖位置,并产生一定角度的扭转。该研究可为后续邻近地铁隧道的深基坑开挖提供参考。