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软土地层邻近隧道深基坑变形控制设计分析与实践

CSM工法·MJS-RJP·TRD工法 2022年4月13日 项敏 295

软土地层邻近隧道深基坑变形控制设计分析与实践(节选)

摘 要

摘要:结合近年来在软土深基坑领域的工程实践和研究,阐述邻近隧道深基坑变形控制设计方法,主要包括基于微小变形控制分区设计、轴力自动补偿钢支撑、坑内土体加固、坑外隔断以及承压水控制设计方法等,通过实际工程案例分析不同设计方法在控制基坑与隧道变形方面的效果。同时,针对基坑开挖对邻近隧道影响评估难的问题,结合上海软土地层工程实践,介绍小应变本构模型(HS-Small)全套参数的确定方法以及基于小应变本构模型的基坑对隧道影响的数值分析方法。大量的工程实践表明,综合采取上述设计和分析方法能够有效评估基坑开挖对隧道的影响,并达到良好的变形控制效果,能满足地铁及隧道变形控制和结构安全的要求。


关键词:软土深基坑;邻近隧道;变形控制;小应变硬化模型


引  言


随着我国城市规模的扩张和人口的不断聚集,大中型城市所面临的交通拥堵问题愈发突出,利用地下空间修建隧道成为缓解城市交通压力的有效途径。软土地区的城市隧道主要包含采用盾构法施工的地铁隧道以及越江隧道等类型。截至2020年底,我国已有超过40个城市开通了地铁,地下轨道交通的发展使得地铁周边地块得以充分开发利用;同时,随着越江隧道数量的逐渐增多,城市中邻近隧道的深大基坑工程项目不断涌现。近年来,邻近既有隧道基坑工程的规模越来越大、距离越来越近,例如:上海世博会A片区绿谷项目一期,距离运营中的西藏南路越江隧道10m,基坑面积达3.8万m2;宁波绿地中心项目,基坑总面积达4.1万m2,距离地铁2号线隧道最近处11.5 m。对这种超大面积基坑往往划分为多个基坑先后实施,设计时需要充分考虑基坑分区实施对隧道影响的叠加效应。另外,基坑的深度越来越大,例如:上海外滩596地块项目,距离运营中的9号线隧道仅为7.8 m,基坑开挖深度达17.1 m;上海中美信托金融大厦基坑距离12号线隧道最近处约10 m,最大开挖深度达19.35 m。


基坑开挖不可避免地会打破基坑周边原有土体的应力场平衡,使周边地表及土体产生变形和位移,导致已运行的地铁隧道产生附加内力与变形。为保证既有地铁隧道及相关设施的安全运行,各地制定了相应的控制指标,对地铁及隧道的水平及竖向位移、变形曲率半径等进行了严苛的规定。严格的地铁及隧道结构控制指标对邻近隧道的基坑工程设计和分析提出了很高的要求。但在软土地区,一方面,由于地下水位较高、土体含水量大、灵敏度大、强度低且具有较大的流变性,将基坑及邻近隧道变形控制在合理范围内的难度大大增加;另一方面,深部承压含水层对基坑及邻近隧道变形的影响也不容忽视。


诸多学者根据实测数据围绕基坑开挖对邻近地铁隧道影响开展了大量的研究工作。例如:王立峰等以某城市邻近地铁1号线基坑工程为背景,分析了基坑支护结构特征及开挖时空效应对地铁隧道的影响;张立明等对天津某邻近地铁隧道基坑开挖引起的隧道结构变形进行了实测和分析;丁智等统计了杭州某项目基坑开挖与隧道结构变形的相互关系。但上述研究主要关注基坑开挖对隧道结构变形的影响规律,而关于如何控制基坑开挖引起隧道变形的设计方法研究较少,或者只是针对某一个工程提出的具体方法,缺乏系统介绍软土地层中邻近隧道深基坑变形控制设计分析方法的相关报道。


笔者结合近年来在软土深基坑领域的工程实践和理论研究成果,首先重点阐述了邻近隧道深基坑变形控制设计方法,结合实际工程案例主要介绍了基于分区设计、轴力自动补偿钢支撑、坑内土体加固、坑外隔断以及承压水控制设计方法;同时,针对基坑开挖对隧道影响评估难的问题,提出了基于小应变本构模型(HS-Small模型)的数值分析方法,以期能够为邻近隧道深基坑工程项目的设计和施工提供参考。


邻近隧道深基坑变形控制设计方法


1.1 分区设计方法


分区设计是指将1个大基坑分成2个或更多的小基坑进行施工,不同基坑可采用顺作法施工,也可结合周边环境及变形控制要求采用逆作法施工。对于面积较大的基坑工程,每层土方开挖后无支撑暴露的时间较长,支撑形成后其自身的收缩或压缩变形也较大,因此不利于基坑变形的控制。如将较大的基坑分成若干个小基坑,则每个小基坑的施工速度、支撑的可靠度均能得到保证,相应各分区基坑的变形也能得到较好的控制,从而能够将基坑整体变形和对邻近隧道的影响控制在合理的范围内。


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如图1所示,软土地区邻近隧道的基坑分区设计一般是将整个基坑分成邻近隧道侧的狭长形小基坑,以及远离隧道的大基坑。其中,狭长形小基坑宽度一般为20 m左右,长度控制在50m左右;远离隧道的大基坑的单个基坑面积在上海地区通常限制在10000m2以内,以尽量减小单次卸载对隧道的不利影响。大基坑采用顺作法(或逆作法)先施工,在其地下室结构施工完成后再进行狭长形小基坑的开挖。大基坑施工时,由于有临时隔断围护墙和窄条基坑加固体的隔离作用,邻近隧道受到基坑开挖的影响较小;而当狭长形小基坑施工时,由于其宽度小,挖土非常迅速,大大减小了无支撑的暴露时间。


上海南京西路1788地块项目基坑开挖深度为15.5 m,基坑总面积为1.1万m2,距离地铁2号线隧道最近处11 m。如图2所示,通过将基坑分为邻近地铁的Ⅱ区狭长基坑(2100 m2)和远离地铁的Ⅰ区大基坑(8000m2),基坑开挖完成后,远离地铁Ⅰ区基坑地下连续墙最大水平位移达77.4 mm(测点QX11),而邻近地铁侧Ⅱ区地下连续墙最大水平位移仅为23.6 mm(测点QX4)。2号线隧道在基坑施工期间的最大竖向位移控制在6 mm以内,保障了地铁2号线的运营安全。

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而对于面积较大的基坑工程,可将远离隧道的大基坑进一步划分为2个或以上的分区(见图1(b))。宁波绿地中心项目包含5幢高层办公楼和公寓楼,整体设3层地下室,基坑面积达4.1万m2,开挖深度为15.9~18.1 m,西侧距地铁2号线区间隧道最近11.5 m、距离车站最近处23.5 m。如图3所示,将地下室分为7个大基坑(Ⅰ—Ⅵ区,Ⅱ区包含2个大基坑),靠近隧道范围内设置了3个狭长形小基坑(Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C)。基坑分3个阶段实施:1)开挖Ⅰ、Ⅱ-E及Ⅲ区基坑;2)待上述基坑地下结构完成后,开挖Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-D、Ⅳ及Ⅴ区;3)开挖Ⅱ-C、Ⅵ区基坑。

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如图4所示,紧邻隧道地下连续墙最大测斜发生在测点CX15和CX16处,测斜值分别为11.3 mm(0.07%H,H为基坑开挖深度)和10.3 mm(0.06%H),远小于常规地铁侧基坑0.14%H的变形要求。而对比开挖深度及围护体基本相同的Ⅲ区CX24测点,基坑完成后地下连续墙最大测斜为46 mm(0.29%H)。这说明远离隧道Ⅱ-E区大基坑开挖期间,未开挖的Ⅱ-A区、Ⅱ-B区狭长小基坑起到了很好的隔离作用。邻近隧道狭长形小基坑开挖期间,CX15和CX16处地下连续墙测斜分别增加了23.8 mm和21 mm,是大基坑开挖引起变形的2倍,这说明控制狭长形基坑施工期间的围护变形对于减小整个基坑开挖对邻近隧道的影响至关重要,地下结构完成后隧道的最大沉降为17 mm,小于管理部门提出的20 mm的变形控制要求。


1.2 轴力自动补偿钢支撑系统


上海软土地区远离地铁大基坑通常采用十字正交布置的钢筋混凝土支撑。如图2所示的1788地块项目的Ⅰ区基坑,十字正交支撑传力明确,有利于控制面积较大的基坑变形。对于狭长小基坑,由于基坑距离隧道较近,支撑既要具有足够大的刚度,同时也需要满足施工速度快的要求。通常首道支撑采用钢筋混凝土支撑,增强围护墙顶口约束,其余支撑采用无围檩的钢支撑体系,每根钢支撑设置轴力自动补偿系统施加预应力。相较传统钢支撑预应力一次性施加完成,后续轴力变化情况无法监控和调整,采用轴力自动补偿系统的钢管支撑可以有效控制围护结构的最大变形及变形速率;开挖过程中,实时监测变形和钢支撑预应力损失数据,根据监测结果自动进行轴力补偿,从而达到在整个开挖过程中实时控制围护墙和邻近隧道变形的目的。


上海黄浦江南延伸地块项目包含9个地块,整体设置3层地下室,项目西侧为地铁11号线龙耀路车站及区间隧道。其中,梦中心F地块位于西侧中间位置,基坑总面积约1万m2为降低基坑开挖对邻近西侧地铁设施的影响,将基坑分为F1、F2-1、F2-2、F2-3、4个区域,先实施远离地铁的F1区大基坑,待地下结构完成后,再依次开挖F2-1、F2-2及F2-3区,如图5所示。邻近地铁窄条基坑F2区竖向设置5道支撑,第1道为混凝土支撑,第2—5道均为轴力自动补偿钢管支撑,如图6所示,开挖过程中通过液压系统进行轴力控制,预加轴力分别为1 200、1 500、1 800、2 000 kN。

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基坑开挖阶段,钢管支撑的安装进度需和挖土速度相互匹配,原则上12h内完成1个工作区段的开挖与安装,尽量减少基坑的无支撑暴露时间。挖阶段应根据设计要求分阶段控制累计变形,根据监测数据及时调整施加轴力大小,从而控制最终的累计变形量。3个邻近地铁的窄条基坑各阶段围护体最大变形如表1所示。从监测数据来看,底板浇筑完成后,围护体最大变形在9mm以内,这说明轴力自动补偿钢支撑对控制狭长小基坑开挖阶段的变形效果显著。整个开挖过程中地铁车站和附属设施的沉降小于3mm,充分保证了地铁的运营安全。

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1.3 坑内土体加固设计方法


1.3.1 加固体布置

邻近地铁及区间隧道的基坑,通常在邻近地铁一侧设置狭长形小基坑,并对小基坑范围内土体进行满堂加固,在地铁隧道与大基坑之间形成隔离屏障。对于远离的大坑被动区进行裙边加固,增大被动区土体抗力。


上海外滩596地块项目位于上海黄浦区,整体设置3层地下室。如图7所示,S1、S2基坑面积分别约为4 626、3 144 m2,开挖深度约为17.15 m。S1、S2地块基坑距离9号线隧道最近距离分别为8、7.8 m。2个基坑分别划分远离隧道的A区、紧邻隧道的B区(狭长小基坑),并先后顺作实施。采用三轴水泥土搅拌桩进行坑内土体加固,S1-A、S2-A区被动区加固宽度为8.0 m,加固深度自地表至基底以下5 m,其中基底以上三轴水泥掺量为10%,基底以下水泥掺量为20%。S1-B、S2-B区加固深度自地表至基底以下10 m,满堂布置,水泥掺量20%,三轴搅拌桩与围护墙之间的空隙采用高压旋喷桩填实。邻近隧道的狭长形加固体对隧道起到了较好的保护作用,两侧基坑全部完成后,隧道最终仅发生12.9 mm的竖向隆起。

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当基坑紧邻隧道时,对基坑开挖引起的变形要求苛刻,此时坑内土体加固可采用全方位高压喷射注浆法(MJS工法)。它通过高压喷射流切割土体并与土体搅拌形成水泥土加固体,具有强制排浆、可调控地内压力等功能,对周边环境影响小,最大成桩直径可达4.2 m,最大成桩深度可达60m。近年来在邻近地铁及隧道基坑项目中广泛应用并取得了很好的变形控制效果。


1.3.2 土体加固效果

土体加固后其水平基床系数kH(kH=mz,其中,m为比例系数,z为开挖对土体的影响深度)将会发生改变,加固后土体刚度是控制基坑开挖变形的关键因素。笔者团队收集了上海地区6个邻近地铁隧道的工程案例,各项目名称、基坑面积、开挖深度、支护结构形式和土体加固形式见表2。结合Ucode反分析软件和Abaqus有限元分析软件,根据围护墙的实测变形,对基坑平面杆系结构弹性支点法中土层参数m值进行反演分析。

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将反分析得出的加固前后土体m值进行对比,如表3所示。由表可知,地基加固能够明显增大土体m值,提高土体抗变形能力,从而减小基坑开挖变形。基于上述上海地区收集的工程测试资料的反分析结果可知,经过可靠有效的土体加固后,加固体无侧限抗压强度和基床系数可提高2~3倍。

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层水头压力大、含水量丰富,控制不当可能会引发基坑突涌,危及运营隧道设施的安全。因此,基坑设计需采取必要的措施控制承压水对隧道的影响。


1.4 坑外隔断设计方法


隔断法是在基坑外侧与隧道之间设置隔离桩,在变形的传播路径上加以阻隔,从而达到降低对既有隧道影响的目的。隔离桩深度应穿越潜在滑动面,一旦基坑外侧土体产生滑移变形时,隔离桩通过其抗剪及竖向抗拔能力抑制土体向基坑方面的滑动,从而减少围护墙体变形和基坑底部土体隆起。墙后土体发生沉降时,隔离桩能够提供一定的桩侧摩阻力,限制墙后土体和隧道的竖向变形。


隔离桩通常采用钻孔灌注桩,如前文所述的宁波绿地中心项目基坑,围护体施工前,在基坑与2号线隧道之间施工600@750的钻孔灌注桩作为隔离桩,桩长32 m,距离隧道净距最小处6.5 m(如图8所示)。相关研究表明:隔离桩距离隧道越近,基坑开挖对既有隧道变形的影响越小。但同时应注意控制灌注桩施工对既有隧道的影响,因此需要保证桩与隧道具有足够的安全距离。例如:上海市规定在隧道边缘以外3 m内,不允许进行任何工程施工。

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1.5 承压水控制设计方法


1.5.1 隔-降-灌一体化设计

沿江沿海软土地区的承压含水层分布广泛、厚度大且相邻承压含水层存在相互连通的情况。承压含层水头压力大、含水量丰富,控制不当可能会引发基坑突涌,危及运营隧道设施的安全。因此,基坑设计需采取必要的措施控制承压水对隧道的影响。


对于承压含水层埋藏深度较浅或厚度较小的基坑工程,设计中可设置较深的地下连续墙隔水帷幕,穿越承压含水层并进入相对隔水层一定的深度,以隔断基坑内外承压水的水力联系,然后采用常规的基坑疏干降水的方式即能解决承压水的问题。


对于较厚的深部承压含水层,无法完全隔断时可设置悬挂帷幕,并进行坑内降水。悬挂帷幕应有足够的深度,宜采用隔-降-灌一体化设计方案,并评估承压降水对周边环境的影响。首先,需开展现场承压含水层抽水试验,通过设置水位观测井及地表沉降观测点,得到抽水过程中含水层水位变化及地表沉降数据。


根据试验过程中水位变化、地表沉降曲线进行反演分析,分别得到承压含水层水文地质参数及合理的土层沉降计算参数。然后,结合抽水试验结果深化降水设计,确定承压水减压井(及回灌井)布置、数量、井的构造及合理的悬挂帷幕深度,并建立符合实际的基坑降水三维渗流分析模型进行渗流分析,得到承压水降水引起的各土层水头变化,进而预估降水引起的土体变形及对周边环境的影响。当基坑周边有对变形控制要求严格的保护对象时,可在悬挂帷幕和保护对象之间设置回灌井,在坑内抽水的同时通过坑外回灌井使基坑周边被保护区域承压含水层水位控制在允许范围内,从而减小承压水降水引起的周边地层的变形和对保护对象的影响。


上海路发广场基坑开挖深度为21.9 m,距7号线隧道14.8 m,⑦1、⑦2层为承压含水层且相互连通,厚度超过35 m。如图9(a)所示,采用1 m厚地下连续墙作悬挂帷幕,深度52 m,其中隔水段长15.65 m,墙底较减压井滤管底深10 m。根据图9(b)所示的降水影响分析结果,设置悬挂帷幕,坑内抽降承压水对周边隧道的影响可控。基坑开挖期间,实测坑内承压水位降低约9 m,坑外水位仅降低0.9 m,实测区间隧道最大沉降仅3.5 mm,保证了7号线的正常运营。

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1.5.2 超深等厚度水泥土搅拌墙隔水帷幕


上述2个案例均采用地下连续墙作为隔水帷幕,虽然隔水效果好,但是造价较高。超深等厚度水泥土搅拌墙技术为邻隧道的基坑工程深层地下水控制提供了新对策,该技术根据不同成墙工艺可分为渠式切割水泥土搅拌墙技术(TRD工法)和铣削式水泥土搅拌墙技术(SMC工法)。这2项技术各具特点,可应对不同工程需求。


TRD工法是通过链锯型刀具插入地基至设计深度后,全深度范围对成层地基土整体上下回转切割喷浆搅拌,并持续横向推进,形成连续无缝的等厚度水泥土搅拌墙。SMC工法是通过钻具底端的2组铣轮轴向旋转、竖向掘削地基土至设计深度后,提升喷浆搅拌形成一定宽度的水泥土墙幅,并通过对相邻已施工墙幅铣削作业连接形成等厚度水泥土搅拌墙。2种工法应用范围广,成墙质量均匀性好(如图10所示)、强度高、抗渗性能好,适用于软黏土、密实砂土、卵砾石及岩层等各类复杂土层。

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与此同时,超深水泥土搅拌墙施工对周边环境影响较小,对紧邻隧道的基坑工程具有较好的适用性。例如:上海新闸路西斯文理项目,基坑开挖深度为15.8~18.6 m,基坑周边采用700 mm厚、50m厚度水泥土搅拌墙(TRD工法)作为隔水帷幕,搅拌墙外侧距13号线地铁隧道最近处约2.8 m,如图11所示,墙体施工期间隧道沉降仅1 mm,保证了地铁隧道的正常运营。目前,超深等厚度水泥土搅拌墙技术在上海、苏州、天津、南昌、武汉等几十项基坑工程中均有应用。

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1.6 变形控制设计效果评价


笔者统计了上海、浙江等软土地区20个邻地铁及区间隧道基坑的变形情况,如图12所示,基坑均采用地下连续墙作为围护结构。

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由图12可知,邻近隧道的支护结构最大测斜δhmax与基坑开挖深度H的比值分布在0.07%~0.41%,其中,整坑实施的基坑的围护体最大测斜平均值约为0.22%H,远小于徐中华等统计的上海地区常规非地铁侧基坑工程围护体最大测斜平均值(约为0.42%H)。这主要是由于邻近地铁的基坑一般采用刚度较大的地下连续墙作为围护体,加之支撑往往采用间距较密的平面布置形式(如十字正交),支护结构整体刚度加大,其抵抗水平变形的能力较强,因此总体上开挖引起墙体测斜较小。


由图12还可以看出,对于邻地铁采用分区实施的基坑,统计得出的围护体最大测斜为0.15%H,平均值为0.11%H,数值仅为地铁侧整坑基坑变形的1/2,约为常规非地铁侧基坑变形的1/4。一方面,采用分区方案能够有效保证各小分区开挖与支撑施工速度,特别是在软土地层中,减少了无支撑暴露的时间,从而减小了基坑变形;另一方面,本文收集的分区实施基坑案例,同时采用了土体加固、坑外隔断以及合理的承压水控制方法,这些措施也能够进一步减小紧邻地铁的围护体变形。因此,综合采用上述设计方法是控制地铁隧道变形和保护其安全的有效手段。



基于小应变本构模型(HS-Small模型)的基坑开挖对隧道影响分析方法


(略)



结论与建议


基坑对邻近隧道的影响是一个非常复杂的土与结构共同作用的问题,邻近隧道的基坑工程变形控制要求高、难度大。本文阐述了基于软土地层邻近隧道深基坑工程实践总结形成的较为成熟的变形控制设计方法,主要包括分区设计、轴力自动补偿钢支撑、坑内土体加固、坑外隔断以及承压水控制等。综合采取上述设计方法能够达到良好的变形控制效果,总体能满足地铁及隧道变形控制和结构安全的要求。


1)分区设计能够有效保证各分区的开挖与支撑施工速度,特别是在软土地层中,减少了无支撑暴露的时间和基坑变形。通过在窄条形基坑中设置轴力自动补偿钢支撑能够有效控制近接施工时隧道结构的变形。


2)基坑内被动区土体经过可靠有效的加固后,土体无侧限抗压强度和基床系数可提高2~3倍,能够在源头上提高基坑抵抗变形的能力,结合坑外布置的隔离桩可进一步在传播路径上减小基坑开挖对紧邻隧道的影响。


3)承压含水层较厚无法隔断时应采用“隔-降-灌”一体化设计方法,充分评估承压降水对隧道的影响。超深等厚度水泥土搅拌墙(如TRD、SMC工法)质量好、适用土层广、施工环境影响小,为紧邻隧道基坑工程深层地下水控制提供了新对策。


4)根据室内试验和工程案例反演分析,首次提出了上海软土地层小应变本构模型(HS-Small模型)全套参数的确定方法,基于小应变本构模型的数值分析方法为评估基坑开挖对隧道的影响提供了有效的技术手段。

 


来源:《隧道建设》

作者:王卫东

编辑整理:项敏

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