随着我国城市化进程的加快, 城市轨道交通、地下基础设施以及高层建筑等工程开始大规模兴建, 在既有地铁隧道周边进行基坑开挖的工程活动也越来越多^[1,2,3]。由于基坑开挖以及既有隧道的存在会引起坑周土体应力和发生位移变化, 导致基坑以及地铁隧道结构产生附加应力和变形, 影响基坑开挖以及地铁正常运营安全^[4,5], 因此, 基坑工程施工与既有地铁隧道的相互影响已成为城市建设管理的一个焦点问题, 如何正确定量评价和预测基坑开挖与地铁隧道的变形影响显得越发重要。

国内外众多学者针对基坑开挖与邻近隧道的相互影响问题展开大量研究: 吉茂杰等^[6]研究基坑开挖对其正下方隧道的影响, 总结出邻近基坑开挖时隧道位移的计算方法;魏纲等^[7]分析基坑开挖对邻近既有隧道变形的影响机理, 指出基坑开挖深度决定隧道的竖向位移方向, 降水会使隧道产生下沉;胡海英等^[8]通过数值模拟和隧道实测手段综合分析基坑开挖对地铁隧道的影响, 并指出基坑开挖期间对于隧道不一定是卸荷影响, 有时也会增加隧道围压;王定军等^[9]通过建立三维数值分析模型动态分析基坑开挖对地铁隧道衬砌内力及变形的影响, 提出 “分区、分时、分层、分块”开挖以及采取高压旋喷桩加固地基等施工对策。宋晓凤等^[10]采用数值模拟方法研究说明基坑支护结构采用双排桩时, 能够明显降低基坑开挖对地铁隧道及轨道结构的影响。

上述研究成果表明, 基坑与邻近地铁隧道的变形会因各种不同因素 (如基坑距离、深度、支护形式以及隧道位置、直径等) 而表现出较大差异的响应特征。现有研究重点主要体现在基坑开挖卸荷对既有隧道变形及受力性状影响方面^[11,12,13], 考虑软土蠕变特性以及降水渗流演化对基坑和地铁隧道变形影响的研究则很少。本文以深圳地铁11号线前海湾站深基坑工程为背景, 考虑坑周土体的蠕变和渗流耦合作用, 分析软土基坑开挖变形规律及其对邻近5号线地铁区间隧道变形的影响, 并在此基础上, 研究水泥搅拌桩锁淤加固技术对基坑以及既有隧道变形控制的作用, 对于今后类似工程施工参考与借鉴具有重要意义。

深圳地铁11号线前海湾站位于深圳市前海片区的前海枢纽范围内, 呈南北走向布置, 东侧靠近已建地铁5号线前海湾站。车站南端110m为明挖基坑, 基坑标准段开挖宽度为25.7m, 深度为18.06m, 由上至下采用3道支撑进行支护, 其中第1道 (位于-0.500m) 和第2道 (位于-7.150m) 支撑为0.8m×1.0m混凝土支撑, 水平间距设置为9m, 第3道 (位于-14.150m) 为ϕ600×16钢支撑, 水平间距为3m。此外, 基坑东侧围护结构采用36.5m ϕ1 200@1 300 钻孔灌注桩+21.2mϕ600旋喷桩止水帷幕, 西侧采用28.2mϕ1 500@1 600钻孔灌注桩+21.2mϕ600旋喷桩止水帷幕, 基坑东侧围护结构与5号线区间隧道净距为14.1m, 如图1所示。基坑开挖场地范围内地层由上至下分别为淤泥、黏土、砂质黏性土、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩和中风化混合花岗岩, 其物理力学参数如表1所示。基坑施工过程中, 为避免填海淤泥涌入影响, 采用格栅式布置水泥搅拌桩对淤泥地层进行加固, 加固范围为8m。基坑周边地下水类型则以潜水为主, 水位埋深约为1.3m。

根据工程情况, 取深圳地铁11号线前海湾站明挖基坑标准段45m进行分析, 采用FLAC3D建立数值模拟模型如图2所示。模型长×宽×高=235m×45m×70m, 共包含329 820个节点和316 890个单元。初始应力平衡时, 采用Cvisc蠕变模型模拟海积淤泥^[14] (Maxwell体和Kelvin体的弹性模量与黏度分别取1.03MPa, 689GPa·s, 0.98MPa, 0.623GPa·s) , 采用莫尔-库仑模型模拟海积淤泥以外的其他地层土;模型边界条件采用顶面自由、四周以及底部法向约束;地下潜水水位设置于地表下1.3m。基坑开挖过程中, 采用实体单元模拟水泥搅拌桩、旋喷桩、冠梁、管片衬砌以及混凝土支撑, 采用结构单元模拟钻孔灌注桩和钢支撑, 各围护结构参数如表2所示。整个模型基坑按竖向分4层、纵向分5段, 合起来共20次开挖完成, 开挖时间约60d。基坑降水采用坑内降水的方式, 并根据竖向分层情况, 在每次竖向分步开挖前将水位降至分步开挖深度底下1m位置。考虑施工扰动影响, 在基坑边缘12m范围内施加5.0kPa竖向荷载。

为研究水泥搅拌桩锁淤加固技术对基坑与周边隧道变形的影响, 模拟设计2种工况:①工况1 (假设工况) 对海积淤泥地层不进行任何加固处理;②工况2 (实际工况) 考虑海积淤泥地层灵敏度较高, 具有较强的流变性, 易对基坑安全造成威胁, 采用格栅式布置ϕ550水泥搅拌桩对淤泥区进行锁定处理, 如图3所示。其平面加固范围为基坑外约8m, 加固深度至淤泥层下≥2m。水泥搅拌桩采用32.5级普通硅酸盐水泥, 水灰比取0.4, 水泥掺量85kg/m。加固后要求加固体的无侧限抗压强度q≥1.0MPa, 渗透系数<10^-6cm/s。

海积淤泥地层未加固情况下, 基坑两侧围护结构在基坑开挖后的水平位移云图如图4所示。基坑开挖完成后, 两侧桩体都是在第2道和第3道支撑间约-9m位置出现最大水平位移, 往上下桩体位移则逐渐减小, 当桩深<1m或>25m时, 桩体位移基本为0。对比桩体位移值可发现, 基坑开挖完成后, 基坑西侧桩体最大位移值约为11.7mm, 东侧桩体位移值则为20.0mm, 出现这种不对称变形的原因在于基坑西侧将紧贴规划施工一个6层裙房的枢纽基坑, 导致基坑西侧桩体设计的厚度和深度要明显大于基坑东侧, 故在相同水土压力作用下, 基坑西侧桩体变形要小于东侧, 两者相差约8mm。

海积淤泥地层未加固情况下, 基坑开挖后周边地层的竖向位移云图如图5所示。不难看出, 基坑两侧靠近基坑处的地表竖向位移都呈现“凹槽”沉降曲线分布特征且在距基坑边缘约8m位置出现最大值, 凹槽范围约12m;由凹槽往外约35m, 地表由于受施工荷载扰动作用, 竖向位移表现为隆起, 隆起最大值约为10mm;当地表距基坑边缘>48m时, 基坑开挖对地表竖向位移影响很小, 说明整个基坑开挖对周边地层的影响范围约为48m。当基坑东侧不存在地铁隧道时, 由于基坑西侧桩体的刚度要明显大于东侧, 因此其沉降要比东侧小, 但由基坑两侧地表最大沉降值却可发现, 基坑两侧地表的最大沉降值基本相同, 这说明地铁区间隧道的存在增大附近坑周土体的整体刚度, 减小坑周土体变形。由沉降值大小来看, 由于受蠕变和渗流双重作用, 基坑两侧地表最大沉降值均>56mm, 超过最大警戒值30mm, 易给基坑安全带来威胁, 因此, 须对软土基坑周边土体进行加固处理, 尤其是海积淤泥地层。

海积淤泥地层未加固时, 基坑开挖后其东侧2条隧道的水平位移和竖向位移值如表3所示。由表3可知, 2条隧道的水平位移均是左侧拱腰最大, 拱顶次之, 拱底再次之, 右侧拱腰最小;竖向位移则是拱顶最大, 左侧拱腰次之, 拱底再次之, 右侧拱腰最小。由数值来看, 基坑开挖引起左侧隧道的水平位移值为3.6～4.8mm, 竖向位移值为1.1～2.2mm;引起右侧隧道的水平位移值为2.6～3.1mm, 竖向位移值为0.2～0.8mm, 可见, 基坑开挖对5号线隧道的影响主要表现为隧道的“水平漂移”, 且其对靠近基坑侧的左线隧道影响较大, 对远离基坑侧的右线隧道影响小。

采用水泥搅拌桩对基坑两侧淤泥地层进行锁淤加固后, 基坑两侧桩体水平位移在竖向不同开挖分步下的水平位移分布曲线如图6所示。不同开挖分步下, 基坑两侧桩体水平位移沿竖向均呈弓形曲线分布, 即两侧桩体水平位移都约在桩深-12m位置最大, 沿着桩顶和桩底则逐渐减小;随着基坑开挖深度的增加, 桩体水平位移逐渐增大且其最大出现位置将逐渐下移。由图7所示不同开挖时段桩体变形量来看 (k₁～k₄表示基坑不同开挖分步下, 模型当前位置土体正逐渐被开挖, 处于开挖期;x₁～x₄表示工程正在开挖模型以外其他区域的土体, 此时, 模型土体不开挖, 处于休整期) , 基坑两侧桩体位移随开挖时间呈台阶式增长关系且在竖向第2步和第3步分层开挖时变化最大, 因此, 须对此时段内基坑变形 (尤其是东侧桩) 加强监测以保证基坑围护结构稳定。基坑开挖后东侧桩体在淤泥地层加固与未加固情况下的位移分布曲线如图8所示。由图8可知, 淤泥地层采用水泥搅拌桩加固后, 基坑桩体的变形量要比未加固前减小近50%, 此时, 本文算出的基坑围护结构变形量和最大值出现位置与实际工程相吻合, 可见, 水泥搅拌桩锁淤加固技术对减小软土基坑围护结构变形具有良好作用。

淤泥层加固后基坑东侧地表沉降在不同开挖分步下的分布曲线如图9所示。可以看出, 不同开挖时步下基坑东侧地表均在距基坑边缘20m范围内产生沉降且沉降最大位置出现在距基坑边缘约10m处, 距基坑边缘20m以外, 基坑开挖对地表沉降影响不大。由图10可知, 随着基坑开挖时间增长, 基坑地表最大沉降将逐渐增大且与开挖时间呈近似线性增长关系。对比淤泥层未加固情况, 水泥搅拌桩锁淤加固技术的使用减小基坑两侧地表75%的变形量和50%的影响范围, 对控制软土基坑地层变形具有明显效果。

淤泥地层加固后, 隧道衬砌结构随基坑开挖时间的变化曲线如图11所示。水泥搅拌桩加固淤泥地层后, 由于隧道与基坑间的淤泥变形受到约束, 导致基坑进行第1～3步竖向分层开挖时, 基坑东侧的隧道变形量减小较明显;而基坑第4步分层开挖则主要是对加固区侧下方的坑内土体进行开挖, 加固区起到的隔挡作用有限, 因此, 隧道衬砌结构在基坑第4步分层开挖时变形相对较大。当基坑开挖完成后, 左侧隧道的水平位移值为0.8～1.5mm, 竖向位移值为0.6～1.5mm;右侧隧道的水平位移值为0～0.6mm, 竖向位移值为0.1～0.5mm, 此时可认为基坑开挖对东侧隧道结构影响不大。

1) 地铁区间隧道的存在增大附近坑周土体的整体刚度, 有利于减小基坑周边土体变形。

2) 基坑开挖对邻近隧道的影响主要表现为隧道的“水平漂移”, 且其对靠近基坑侧的隧道影响较大, 对远离基坑侧的隧道影响小。

3) 采用格栅式布置水泥搅拌桩对海积淤泥地层进行加固后, 基坑桩体最大变形量减小50%, 地表最大沉降量减小80%, 隧道结构位移减小50%～70%, 这说明水泥搅拌桩锁淤加固技术对控制软土基坑变形、保证邻近隧道稳定具有明显作用。

4) 基坑两侧桩体位移与基坑开挖时间呈台阶式增长关系, 而基坑地表沉降则与开挖时间呈线性增长关系。