紧邻地铁盾构隧道超深基坑设计及计算分析

时间：2022-01-24 理论教育版权反馈

【摘要】：紧邻地铁盾构隧道超深基坑设计及计算分析初振环[1]，王志人，陈　鸿，陈发波，曾庆国摘　要:紧邻地铁隧道基坑变形控制非常严格。以深圳中国人寿大厦基坑工程为背景，介绍了紧邻地铁隧道超深基坑的难点及应对措施。采用平面应变渗流耦合有限元法结合基坑支护形式和地下水控制措施对各种设计方案进行了计算分析和比较，并与监测数据进行了对比。邻近地铁侧基坑深度17.8m。因此须严格控制基坑围护结构的水平位移。

紧邻地铁盾构隧道超深基坑设计及计算分析_深圳地质工程三十

紧邻地铁盾构隧道超深基坑设计及计算分析

初振环^[1]，王志人，陈　鸿，陈发波，曾庆国

（深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029）

摘　要:紧邻地铁隧道基坑变形控制非常严格。以深圳中国人寿大厦基坑工程为背景，介绍了紧邻地铁隧道超深基坑的难点及应对措施。采用平面应变渗流耦合有限元法结合基坑支护形式和地下水控制措施对各种设计方案进行了计算分析和比较，并与监测数据进行了对比。

关键词:地铁隧道；深基坑；有限元法；应变渗流耦合；地下水控制

Design and Computation Analysis of Deep Foundation Pit Which Close to Metro Shield Tunnel

Chu Zhenhuan，Chen Hong，Wang Zhiren，Chen Fabo

（Shenzhen Municipal Design ＆Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen518029，China）

Abstract:Deformation of deep excavation adjacent to metro tunnel is strictly.Based on China Life Building excavation，the difficulties and countermeasures of deep excavation adjacent to metro tunnel have been introduced.With the foundation pit support form and groundwater control measures for various design schemes are calculated and compared with the plane strain analysis of coupled seepage finite element method.And compared with the monitoring data.

Key words:metro tunnel；deep excavation；finite-element method；plane strain coupled seepage；groundwater control

1　引言

随着城市现代化步伐的前进，国内外越来越多的城市修建了地铁，地铁已成为现代城市的交通命脉和生命线工程，是城市现代化的标志之一。然而由于其本身的结构特点，对周边土体的变形又十分敏感，因此在地铁周边进行工程建设时，都需要设置一些针对性的措施来保障地铁的安全及正常运营。

深圳地区地铁隧道安全绝对变形控制指标为:

（1）车站、隧道结构绝对沉降量及水平位移量小于或等于20mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）。

（2）变形缝差异沉降小于或等于20mm。

（3）应根据地铁结构长期监测数据，取绝对控制指标和监测数据的差值作为基坑设计的控制指标。

在地铁周边建筑密集区进行的基坑开挖不可避免地会对周围环境产生影响^［1，2］，如地下连续墙施工、基坑开挖、基坑降水等施工行为势必会引起坑底回弹（隆起）、土体侧移以及坑外地面沉降等，这些现象显然会影响甚至改变地铁隧道的应力应变状态，进而对相邻地铁隧道的使用功能及地铁安全产生影响甚至造成严重危害。传统计算理论受其局限性影响无法分析基坑施工对地铁结构的影响，有限元法得到大量应用^［3～5］。

2　工程概况

深圳中国人寿大厦基坑大致为梯形，长约90m，宽26～46m，基坑周长约260m，深度17.8～26.4m，位于深圳地铁1号线购物公园—香蜜湖区间隧道北侧，与隧道结构净距4.3m。邻近地铁侧基坑深度17.8m。地铁隧道为盾构区间隧道，道床埋深18.76m。基坑与地铁平面相对关系如图1所示。

图1　基坑与地铁平面位置关系图

基坑所在场地主要受力层的物理、力学指标详见表1。基坑坑底以上主要为由花岗岩风化残积而成的砾质黏性土，坑底以下为全—中风化花岗岩，地质情况较好。

表1　各土层物理力学指标和计算参数

续表

注:“/”表示止水帷幕计算参数与其所在地层参数相同。

3　基坑支护难点及应对措施

3.1　支护难点

综合考虑地铁保护要求，基坑支护的难点主要体现在以下两个方面。

（1）地铁水平位移:深基坑开挖所引起的围护结构侧向水平位移使得地铁隧道向深基坑方向位移，且因围护墙侧向水平位移不均，使地铁隧道产生挠曲变形进而产生附加变形和应力。因此须严格控制基坑围护结构的水平位移。

（2）地铁沉降:深圳地区块状强风化、中风化花岗岩由于裂隙发育，存在着一定的透水性，为弱—中等透水层。土状强风化、全风化以及砾质黏性土由于粗颗粒含量大也存在透水性，为弱透水层。一般基坑止水帷幕很难阻隔基岩裂隙水，当基岩埋深较浅时，基坑开挖降水使得坑后地下水沿着止水帷幕墙端绕渗，坑后地下水位会有明显下降，土体孔隙水压力消散，有效应力增加，产生的附加应力使地铁隧道地基发生压缩变形引起隧道沉降。

3.2　应对措施

针对支护难点，采取了以下应对措施。

（1）严格控制围护结构水平位移:综合比较了地下连续墙、咬合桩的支护刚度、整体性和止水效果，最终选用地下连续墙作为基坑挡墙，同时结合大尺寸密布的内支撑结构共同控制基坑变形。

内支撑主撑梁采用1.2m×1.0m，平均水平间距6m，密排布置，邻近地铁隧道侧角撑梁间封板，板厚0.4m。基坑内支撑平面布置详见图2。

（2）严格控制坑后地下水位:控制地下水位主要从两个方面入手。

①防止地下连续墙漏水:由于成槽时槽段接口施工质量欠缺会导致漏水，在地连墙后布设一排摆喷和一排旋喷止水帷幕止水；地连墙槽段接口采用“王”字形钢接口，三道钢板共同止水；为防止槽段接口混凝土含泥，特意在接口型钢上预埋注浆管，进行后注浆补漏，共三套措施防止地连墙漏水。

②防止基岩裂隙水沿止水帷幕端部绕渗:阻止基岩裂隙水主要有坑后回灌、基岩裂隙灌浆两种方法。设计过程中对两种方法进行了分析比较，将在下文中详细叙述。

图2　支撑系统平面图

4　基坑支护设计方案比较

由于基坑紧邻地铁隧道，变形控制十分严格，在建筑方案设计时特别将地下室布置成远离地铁侧5层地下室，邻近地铁侧一跨范围4层地下室。针对本基坑特点，在之前应对措施方案的基础上提出了两套方案进行比较。

4.1　方案1

基坑整体采用地下连续墙＋内支撑支护，除东侧地下连续墙兼作地下室外墙厚度1.2m外，其余各侧厚度均为1m。邻近地铁侧墙深27～31m。为减少地连墙成槽对地铁的影响，在南侧地连墙外采用高压喷射注浆法（一排摆喷帷幕一排旋喷桩）对槽壁土体进行加固同时采用小幅段跳挖的方式成槽。

受坑中坑的影响，基坑深度17m以上布置3道内支撑。南侧坑中坑采用土钉墙支护，土钉间距1.3m，长度6～8m，为了控制基坑变形，南侧采用4排直径0.8m，间距0.6m三管旋喷桩加固坑内土。北侧第三道支撑以下布置3道预应力锚索，锚索长度27m，水平间距2m。基坑典型剖面图如图3所示。

图3　方案1支护结构剖面图

4.2　方案2

基坑围护墙设计方案与方案1相同，不同之处在于内支撑的竖向布置和坑内土台的支护方案，具体描述如下:

坑内土台采用排桩支护，桩径1.0m，水平间距2m，桩底高程-27～-31m，在开挖前地面上施工。竖向布置4道内支撑，上面三道支撑设计方案与方案1相同；第四道支撑顶在坑内土台排桩的冠梁上，又通过布置在排桩冠梁与南侧地连墙间的短支撑梁同南侧地连墙连接，使基坑第四道支撑受力平衡。支护方案典型剖面图如图4所示。

图4　方案2支护结构剖面图

4.3　支护方案平面有限元法分析比较

采用商业有限元软件Midas/GTS建立了考虑应变-渗流耦合的平面模型对上述两个方案进行计算分析。

4.3.1　基本假定

（1）计算采用平面应变问题，采用应变-渗流耦合的方法，共同计算基坑开挖、降水对地铁区间隧道产生的变形。

（2）土体单元采用平面三、四节点单元，围护桩、地铁结构采用梁单元模拟，内支撑采用弹簧单元模拟。

（3）渗流过程在基坑开挖前的初始计算和开挖过程中均采用稳定流进行计算。

（4）岩土体本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。

（5）迭代计算方法采用Newton-Raphson法。

（6）收敛标准采用位移收敛标准。

（7）弹塑性材料流动法则为相关联流动法则。

（8）饱和土的渗流采用达西定律。

4.3.2　计算工况

（1）初始渗流步:施加地基初始水头，计算地基初始渗流场。

（2）初始应力场:施加重力和边界约束条件，计算地基初始应力场。

（3）地铁结构施工:用以模拟地铁结构施工后的地基应力场变化，激活所有的地铁结构，钝化地铁内的开挖土体，修改隧道扰动区土体参数。

（4）打桩:激活地连墙、桩的单元，施加地面超载。

（5）桩顶卸土:模拟开挖深度2.8m的工况，钝化该区域坑内土体单元。

（6）施工第一道支撑:激活第一道支撑单元。

（7）第一层土方开挖:模拟开挖至第二道支撑垫层底高程的工况。

（8）施工第二道支撑:激活第二道支撑单元。

（9）第二层开挖降水:模拟坑内降水至第二步开挖底高程的地下水渗流情况，钝化第二层土体单元、初始水头边界，激活坑内第二层降水水头和远端补给水头。

（10）第二层土方开挖。

（11）施工第三道支撑:激活第三道支撑单元。

（12）第三层开挖降水:模拟坑内降水至第三步开挖底高程的地下水渗流情况，钝化第三层土体单元、初始水头边界，激活坑内第三层降水水头和远端补给水头。

（13）第三层土方开挖。

（14）施工第四道支撑:激活第四道支撑单元。

（15）第四层开挖降水:模拟坑内降水至第四步开挖底高程的地下水渗流情况，钝化第四层土体单元、初始水头边界，激活坑内第四层降水水头和远端补给水头。

（16）第四层土方开挖。

（17）第五层开挖降水:模拟坑内降水至第五步开挖底高程的地下水渗流情况，钝化第五层土体单元、初始水头边界，激活坑内第五层降水水头和远端补给水头。

（18）第五层土方开挖。

4.3.3　计算模型及网格划分

针对上述两个方案建立计算模型，计算模型如图5、图6所示。

图5　方案1开挖到底工况有限元计算网格

图6　方案2开挖到底工况有限元计算网格

4.3.4　计算结果对比

根据实际基坑施工顺序，分步计算。分别得到两个方案围护结构及地铁隧道水平位移计算结果，两套方案计算结果对比情况详见图7、图8。

图7　两套方案开挖到底围护结构水平位移对比

图8　各工况地铁隧道最大水平位移对比

从图7可知，方案1地连墙最大水平位移-23.7mm，发生在深度-18.7m处，方案2地连墙最大水平位移-18.3mm，发生在深度-16.5m处，方案1由于坑内土台支护措施相对较弱，导致地连墙中下部水平位移明显大于方案2。

通过对比计算可知，由于方案1在南侧深度17m以下采用土钉墙结合注浆加固坑内土支护，支护措施相对于方案2的排桩内支撑较弱，因此导致从第四步开挖起，方案1的地铁水平位移明显高于方案2。且方案2开挖至坑底工况地铁隧道水平位移已超过2cm，不满足深圳地区地铁安全保护要求。

单就方案2而言，由于基坑南部浅、北部深且高差较大，使南北两侧传递到第四道支撑梁的荷载明显不对称，呈现出北侧大南侧小的趋势，因此第四道支撑的不对称受力情况也很好地控制了地铁隧道的水平位移，第四步开挖工况地铁隧道水平位移没有明显发展。

通过上述计算分析，方案2（坑内土台采用排桩内支撑支护的方案）虽然相对造价偏高，但安全性能够得到保证。最终确定方案2为基坑支护设计方案。

5　地下水处理方案的对比分析

根据上文的平面应变-渗流有限元模型，针对本工程的基岩裂隙水，以坑后回灌、坑内基岩裂隙灌浆止水两个方案为样本建立三个算例，对坑后地下水位降深、坑后地表沉降、地铁隧道沉降进行对比分析。

5.1　算例1

假定从第三步开挖（开挖底面深度17.8m）起，坑后启动回灌措施，回灌井间距15m，直径0.8m。回灌井深度进入中风化层。根据周边工程经验第三步开挖时坑底面土以砾质黏土为主，渗透性较弱，单井回灌量取80m³/d，第四步开挖坑底面土以全风化为主，单井回灌量取150m³/d。坑内不作基岩裂隙灌浆处理。

5.2　算例2

假定从第三步开挖（开挖底面深度17.8m）起，坑后启动回灌措施，回灌设计参数与算例1相同。第四步开挖（挖深17.8m）时在坑内土体紧贴地连墙位置进行坑内基岩裂隙灌浆，在南侧坑内土台按照1m×1m间距三角形布置2排注浆孔，在块状强风化—中风化地层进行注浆止水。计算时将该注浆帷幕等效成土台，计算参数详见表1。基岩裂隙灌浆后即停止坑后回灌。

5.3　算例3

图9　坑后地下水位降深计算结果对比

从第三步开挖起启动坑后回灌措施，第四步开挖时坑内进行基岩裂隙灌浆而后一直维持回灌措施。

三个算例开挖到底工况坑后地下水位降深计算结果如图9所示。

从图10可知，算例3计算结果最大，其中坑后地下水位降深最大为-9.2m，坑后地表沉降最大为-31mm，地铁隧道道床沉降最终工况为-13.9mm。从图11可以看出，在第五步开挖后，由于地下水处理方案不同道床沉降出现明显差异，总体看来坑内基岩裂隙灌浆方案对于控制地铁沉降的作用不明显。

图10　地表沉降计算结果对比

图11　各工况隧道道床沉降计算结果对比

若坑内土台排桩间作旋喷桩止水，由于空桩太长，到20多米深度时旋喷桩与排桩间容易脱开而使止水帷幕漏水，造成不必要的浪费，因此设计时坑内土台未设止水帷幕。且由于第三、四层支撑间净空太低，旋喷桩施工无操作面，因此坑内土台的全—土状强风化区域无法施工旋喷桩止水，这样即便是进行基岩裂隙灌浆，坑后地下水也会通过地连墙墙端和坑内土台向坑内绕渗。

从计算结果也可以看出，算例2（裂隙灌浆后不回灌）的坑后地下水位降深、地表及隧道的沉降均为最大，算例3的计算结果为最小。对于本基坑，基岩裂隙灌浆作为坑后回灌的辅助措施的确可以起到控制地铁沉降的作用，但是起到的作用不是很明显。

综合考虑有限元计算结果和工程造价，除了常规的地连墙摆喷帷幕等止水措施外，地下水处理方案将坑后回灌作为首选方案，将基岩裂隙灌浆作为应急预案。当地下水位降深达到2.4m或地铁隧道沉降达到5mm时即启动坑后回灌措施。当结合实测数据及计算预判地铁后续沉降可能会超过10mm时即刻进行坑底基岩裂隙灌浆止水。

6　与实测数据的对比

实际工程施工过程中在第三步土方开挖完毕后由于地铁沉降已达6.6mm，根据上述有限元计算模型分析地铁后续沉降有可能超过10mm，随即在坑内土体-17.8m标高处进行基岩裂隙灌浆止水。各个关键工况计算结果与实测数据对比如图12、图13所示。