随着轨道交通的迅速发展, 基坑工程不可避免地在地铁结构沿线进行施工, 而基坑施工会引起周围地层初始应力发生改变, 进而导致紧邻的地铁结构受力和变形发生改变。近年来, 基坑开挖面积越来越大, 开挖深度也越来越深。实测表明, 深大基坑由于卸荷量大、施工时间长、施工条件复杂等原因, 其开挖造成的基坑外地表沉降范围和沉降量相对以往的窄基坑都要大得多, 卸荷对邻近地铁结构以及其他市政设施的影响也要复杂得多。

基坑开挖过程是基坑卸载的过程, 在不断地开挖过程中卸载也逐渐加大, 由此会产生一种“空间效应”^[1]。卸载会引起坑底土体产生向上的隆起、基坑围护结构侧向变形以及基坑周边地层的移动, 从而导致地面沉降及坑外地铁隧道变形。朱正峰等^[2]研究了地基加固、分块开挖等方案和施工措施控制基坑施工对下方地铁区间隧道结构变形的影响, 指出基坑施工应注意“分块、分条、平衡、限时”。高广运等^[3]基于实测数据对紧邻地铁隧道侧的基坑施工提出了坑外二次加固的施工新工艺, 并首次指出地基加固体和地下结构物为异质体对邻近基坑开挖产生的位移传递具有阻断作用。因此, 对邻近基坑施工对地铁结构产生的影响进行分析研究, 且提出预防和保护措施具有重要的工程实际意义。

基坑开挖使相邻地铁隧道的原有受力平衡被打破, 引起地应力的重分布, 从而引起地铁隧道产生相应的内力和变形, 给既有地铁线路的保护提出了诸多难题, 而地铁对变形的要求又极为严格, 其绝对最大位移≤20mm, 隧道回弹变形≤15mm, 隧道变形曲率半径必须>15 000m, 相对变形必须<1/2 500^[4]。因此在基坑设计和施工过程中, 如何有效地控制基坑开挖引起邻近地层变形量、邻近地铁隧道的变形特性及内力分布是至关重要的。文献[5]利用Mindlin弹性半空间应力解, 推导了基坑开挖引起隧道轴线的附加应力情况, 通过弹性地基梁理论, 将此附加应力施加在隧道上, 得到了该荷载引起隧道任意点的位移情况。文献[6]基于Mindlin弹性半空间应力解, 考虑基坑侧向土体开挖的影响, 在坑底和4个侧面施加反向荷载, 通过叠加计算基坑开挖后地下某点处土体附加应力。

因东部新城深大基坑 (C1-5, C1-6, C1-7基坑) 开挖及邻近多处道路改造、配套工程影响, 造成宁波轨道交通某标段隧道及车站成型结构逐渐受损。区间约400环管片贯通缝、车站及隧道内逐渐出现渗水, 站内和地表出现明显裂缝, 现场情况如图1所示。测量数据反映, 隧道沉降累计达39mm, 水平位移达50mm, 严重超标 (累计10mm) , 导致发生以上险情。

经现场勘察, 周边施工项目较多, 且基坑开挖深、面积大, 由于很多项目在设计阶段未考虑对地铁的影响, 且在开挖过程中存在诸多问题, 直接导致地铁严重变形。该区间近1年多来地铁保护区内已建、在建及待建项目如表1和图2所示。

其中对地铁隧道影响较为显著的是位于海—福区间北侧最近距离约11m的宁波东部新城C1-6, C1-7地块基坑施工。

根据岩土工程勘察报告, 场地工程地质与水文地质情况如表2所示。

紧邻基坑施工期间, 盾构隧道所受水平压力减小, 隧道呈“扁鸭蛋”形、向基坑方向整体偏移、抬升, 进而造成管片应力集中, 从而出现裂缝。

基坑开挖对邻近隧道的影响大小主要取决于隧道-基坑水平净距、隧道埋深、基坑地下连续墙厚度、基坑钢筋混凝土支撑的尺寸、基坑坑底是否加固等因素。

1) 基坑回填, 清理基坑周边堆载对基坑南侧约10m范围进行土方回填并进行部分底板施工以加速封底;清理靠近地铁一侧的坑边堆载。此措施可以有效减小管片水平、垂直土压力的不平衡程度, 进而保护管片不再进一步开裂。

2) 隧道内架设临时支撑与措施1同时进行, 隧道内30~440环架设临时钢支撑, 其中30~50环、50~270环2环架设1组, 其余每环1组。此措施可以加强管片对土压力的抵抗, 防止进一步破坏。

3) 基坑分块开挖靠近地铁一侧后浇带细分成28块, 由东向西开挖。此措施可以充分利用和提高土体本身抵抗变形能力, 从而达到控制基坑变形和保护周边环境的目的。

4) 隧道内注浆对区间左线隧道340~400环进行管片背后注浆, 对区间左线隧道60~100环进行管片背后花管注浆。此措施可以加速隧道周边土体重构, 保护管片不再受损。

基坑施工和隧道支护各时间节点统计如表3, 4所示。

各阶段检测分析数据如下。

1) 加撑与回填阶段 图4是区间左线221环在加撑与回填阶段的空间曲线。由图4可知, 支撑架设及回填基坑后, 同一断面各项检测指标收敛明显;该措施效果明显, 对隧道变形起到关键作用。

由其他监测数据分析可知, 架撑/回填措施产生的效果立竿见影, 在2d内遏制了水平位移、沉降、收敛;变化速率明显降低了80%;回弹量微小, 虽略有起伏但基本保持在架撑/回填前的状态。

2) 分块开挖阶段 图5是东部新城C-6, C-7地块分区开挖详细分区, 其中后浇带为回填土, 共分为28块, 开挖顺序为由东向西开挖, 第1块开挖时间为7月18日, 10月28日全部底板浇筑完成。

图6是区间左线221环在分块开挖阶段空间的曲线。由图6可知, 各项目数据曲线平稳, 其中沉降、水平位移大于收敛变形。

由其他监测数据分析可知, 对比大面积开挖, 分段开挖方式对隧道变形的影响显著减小, 有效控制了进一步变形;沉降变量大于隧道收敛, 进一步证明了临时支撑对隧道收敛变形起到的关键作用;距离基坑越近变形越大。

3) 注浆试验阶段 注浆前后隧道沉降、收敛变化曲线如图7所示。由图7可知, 2012年4月5日进行注浆后, 注浆区域沉降监测点均为抬升趋势, 至4月9日, 相比4月5日最大数据变化抬升5.96mm (381环) ;4月9日以后, 监测点逐步下沉, 至监测数据稳定时, 沉降数据基本与未注浆前持平。隧道收敛在注浆前后无明显变化。

由其他监测数据分析可知, 注浆后沉降变化为先抬升后下沉;沉降变化大于收敛;注浆不能有效控制隧道变形, 且对隧道下卧土体有破坏作用。

4) 抢险阶段总体监护成果分析 抢险措施前后数据变化情况如表5所示。通过抢险监护监测数据的分析, 确定了外部基坑的回填、隧道内支撑架设等抢险措施的科学性、可行性。通过监测, 地铁一侧基坑开挖对隧道影响较大, 主要变形趋势为水平方向向基坑偏移 (水平大于垂直) , 垂直方向表现为沉降, 隧道收敛竖向管径减小, 横向管径增大。通过分析后期注浆试验变形数据, 得出通过隧道注浆控制变形的措施是不科学的。通过监测数据, 指导下步支撑拆除、管片修复的顺序、方法、范围与时间节点。

1) 由于周边区域施工的影响, 稳定、成型的地铁隧道结构受损明显。紧邻基坑施工期间, 盾构隧道呈“扁鸭蛋”形、向基坑方向整体偏移、抬升, 地铁结构变得不安全、不稳定。

2) 外部基坑的回填、隧道内支撑架设等抢险措施的科学性、可行性, 使钢环片架设效果显著。

3) 基坑施工不同阶段导致的变形特征有所不同: (1) 开挖阶段由于卸载、坑底隆起, 造成隧道向基坑方向偏移并伴随隧道下沉, 为地铁变形的主要阶段;由于地铁各部位受力不一致, 使管片受力结构发生变化进而产生了收敛变形, 致使隧道管片结构破坏。 (2) 浇捣底板阶段坑底隆起量减小, 基坑处于稳定状态, 地铁变形亦逐步趋于稳定, 受加载影响, 沉降出现稍微抬升, 隧道向远离基坑方向偏移。 (3) 加撑/拆撑阶段加撑后, 基坑开挖对隧道收敛影响明显变小, 但对隧道沉降及水平位移影响仍较大;拆撑时沉降、收敛变化较大, 平均3~4mm, 加钢环后收敛得到稳定, 水平位移在拆撑过程中无明显变化。