深基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響分析與對策

裴行凱,倪小東

(河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京210098)

0 引 言

由于基坑開挖使相鄰地鐵隧道的原有受力平衡被打破,必然引起地應(yīng)力的重分布,從而引起地鐵隧道產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力和變形,給既有地鐵線路的保護提出了諸多難題,而地鐵對變形的要求又極為嚴(yán)格,其絕對最大位移不能超過20 mm,隧道回彈變形不超過15 mm,隧道變形曲率半徑必須大于15 000 m,相對變形必須小于1/2500[1]。因此在基坑設(shè)計和施工過程中,如何有效地控制基坑開挖引起臨近地層變形量、下臥地鐵隧道的變形特性及內(nèi)力分布是至關(guān)重要的。

一些學(xué)者以對此類問題進行了諸多研究,文獻[2]提出了通過卸荷模量和分層總和法計算基坑開挖影響土層位移,用開挖卸荷土體位移變化來計算小變形地鐵隧道的位移。文獻[3]利用Mindlin彈性半空間應(yīng)力解,推導(dǎo)了基坑開挖引起隧道軸線的附加應(yīng)力情況,通過彈性地基梁理論,將此附加應(yīng)力施加在隧道上,得到了該荷載引起隧道任意點的位移情況。文獻[4]基于Mindlin彈性半空間應(yīng)力解,考慮基坑側(cè)向土體開挖的影響,在坑底和四個側(cè)面施加反向荷載,通過疊加計算基坑開挖后地下某點處土體附加應(yīng)力。文獻[5]采用數(shù)值方法分析了上海新金橋廣場基坑工程的施工對坑底已建隧道的影響,數(shù)值模型考慮了隧道周圍土體的加固、應(yīng)用時空效應(yīng)開挖土方及采用了反映土體應(yīng)力路徑的上海軟土卸荷模量。文獻[6-7]以上海廣場基坑工程為背景,根據(jù)開挖工況與隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析影響隧道的主要因素,得出一些初步結(jié)論,指出隧道側(cè)移對土方開挖十分敏感且與開挖部位具有比較明確的對應(yīng)性,如能采取有效措施減小對應(yīng)于開挖區(qū)塊的隧道側(cè)移速率和所需的施工時間,必然可以有效控制隧道在各階段的側(cè)移總量。

由于基坑施工邊界的復(fù)雜性,很難通過解析的方法來求解基坑開挖對地鐵隧道的影響,數(shù)值方法則為這種問題的求解提供了有力的工具。本文結(jié)合上海寶慶路附近一個毗鄰地鐵隧道的基坑實際工程,考慮上海軟土的特性,土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,運用有限單元方法對防止基坑開挖過程中隧道變形的主要工程措施進行分析,著重研究不同工程措施對抑制隧道變形的敏感性,以得到更為優(yōu)化的工程措施,從而為工程的設(shè)計施工提供明確的理論和計算依據(jù)。

1 工程概況

擬建項目工程地塊位于上海市寶慶路,地處繁華商業(yè)區(qū)和交通干道,西側(cè)鄰近軌道交通7號線區(qū)間隧道。項目基坑開挖總面積4 339.4 m2,基坑形狀接近長方形,長約82 m,寬約53 m,開挖深度15.8 m,基坑西側(cè)外邊界與鄰近隧道平行,最近距離約4.1 m。本地鐵隧道為重點保護對象,見圖1。該基坑屬深基坑工程,基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ),基礎(chǔ)底板厚度均為1 500 mm,樁基采用鉆孔灌注樁。

圖1 基坑平面圖

場地范圍內(nèi)土體從上至下為:①雜填土:主要由碎石類土、砂類土等組成,層厚0.4 m～4 m。②粉質(zhì)黏土:錳質(zhì)氧化物及其結(jié)核,混少量鈣質(zhì)結(jié)核,可塑狀態(tài),層厚2.8 m～7.1 m。③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:高壓縮性,夾粉砂薄層,層厚3.5m～11.0 m。④淤泥質(zhì)粘土:流塑,中壓縮性,夾薄層粉砂,層厚5.5 m～27.40 m。⑤粘土:透水性差,層厚5.6 m～13.0 m。

2 地鐵重點保護方案

為了最大限度的減小基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響,該工程在設(shè)計、施工各個環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格控制基坑開挖對隧道的影響。根據(jù)已有設(shè)計經(jīng)驗并結(jié)合本工程特殊的地質(zhì)條件和工程環(huán)節(jié),采取以下重點設(shè)計方案:

(1)圍護采用地下連續(xù)墻,該基坑采取內(nèi)支撐順做開挖,圍護結(jié)構(gòu)采用兩墻合一的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),連續(xù)墻厚度為800mm,深度為30 mm。同時由于基坑有15.8 m左右的深度,故采用四道水平支撐。

(2)為防止地下連續(xù)墻在成槽施工中出現(xiàn)塌孔對鄰近的地鐵區(qū)間隧道造成影響,鄰近地鐵的地下連續(xù)墻設(shè)置φ 850@600三軸水泥土攪拌樁作為槽壁加固體,其中地鐵側(cè)基坑外設(shè)置雙排φ 850@600三軸水泥土攪拌樁槽壁加固。

(3)采用“先中間后四周”的盆式挖土方式,做到“分層、分區(qū)、分塊、對稱、平衡、限時”挖土支撐。

(4)基底以下采用水泥攪拌樁滿堂加固,提高基坑內(nèi)被動土體抗力,限制地下連續(xù)墻的側(cè)移。對坑底進行滿堂加固,水泥摻量為15%,基底以上為8%,深層攪拌樁加固區(qū)與地墻的縫隙處進行了壓密注漿。

3 基坑工程動態(tài)模擬分析

本文主要研究基坑工程開挖對臨近地鐵隧道的位移和變形影響問題,不考慮基坑引起的過大變形問題,因此運用小變形分析理論進行模擬,采用通用有限元軟件ABAQUS可對土體的彈塑性進行有限元模擬分析。

在計算分析中做如下假設(shè):同一土層為均質(zhì)各向同性的理想彈塑性體,采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及等向硬化規(guī)律;隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形和土體變形一致的假定;在基坑開挖前土體已固結(jié)問題;隧道開挖引起的土體變形已穩(wěn)定;不考慮地下連續(xù)墻施工過程對周圍土體和隧道造成的擾動。

3.1 有限元模型的建立

由于研究的重點在于模擬基坑開挖過程中隧道的位移和變形,為簡化計算,取隧道側(cè)一半基坑為研究對象?？紤]基坑開挖對周圍土體及地鐵隧道的擾動,建立90 m×80 m×100 m的三維模型。計算模型的上邊界為自由邊界,底部為全約束,各個側(cè)面為限制垂直面方向的位移。對整體進行有限單元剖分,單元類型為八結(jié)點線性六面體單元(C3D8R)(見圖2)。

圖2 基坑開挖計算模型

在數(shù)值模型中,土體采用ABAQUS提供的Mohr-Coulomb模型,隧道襯砌、地下連續(xù)墻及支撐體系均采用各向同性的彈性模型,這些單元的材料性質(zhì)包括彈性模量和泊松比。對于基坑開挖卸荷的數(shù)值模擬,土體的卸荷模量的確定是關(guān)鍵,根據(jù)劉國斌[8]提出的考慮土體性質(zhì)參數(shù)和卸荷應(yīng)力路徑等影響的土體模量計算公式來確定,具體土層參數(shù)詳見表1。計算采用參數(shù)見表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

3.2 施工工況的模擬

在進行基坑開挖前先進行初始地應(yīng)力平衡,然后進行隧道和地下連續(xù)墻的施工,消除位移,在施工中先整體開挖到第一道支撐標(biāo)高處,澆筑第一道支撐,然后逐步進行第二次、第三次、第四次開挖至坑底,開挖至底層后澆筑底板,并適當(dāng)堆載。

工況0:初始地應(yīng)力平衡;

工況1:隧道開挖,安裝襯砌,不計隧道施工產(chǎn)生的位移;

工況2:地下連續(xù)墻施工,坑內(nèi)土體加固 40 MPa,不計該工況產(chǎn)生的位移;

工況3:開挖土體至1.5 m,施作第一道支撐;

工況4:開挖土體至4.8 m,施作第二道支撐;

工況5:開挖土體至8.4 m,施作第三道支撐;

工況6:開挖土體至12.0 m,施作第四道支撐;

工況7:開挖土體至坑底15.8 m,進行墊層和底板施工。

上述工況涉及了土體開挖、土體加固和基礎(chǔ)施工,其中為了更好的控制變形,對工況2另采取60 MPa的加固措施以對比分析。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 基坑周圍位移場分析

坑底未進行土體加固時,基坑開挖卸荷后,由于局部應(yīng)力釋放,地表發(fā)生沉降,基坑兩側(cè)土體內(nèi)側(cè)變形,坑底土體發(fā)生隆起,其中中部隆起最大為33.6 mm,這些變形必然引發(fā)地鐵隧道的側(cè)移。不同工況下基坑及隧道位移變形見表3。

表3 不同工況下基坑及隧道位移變形

在地鐵襯砌橫截面的上半部分周圍土體水平位移較豎直位移大,隨著深度的增加,土體的水平位移與豎直位移之比逐漸減小,土體的豎向位移成為主導(dǎo)。這是由于基坑開挖引起的水平方向的應(yīng)力釋放隨著深度的增加而逐漸減弱。

4.2 隧道縱向位移、受力分析

隨著施工步的開挖,右線隧道的最終最大位移為11.16 mm,左線隧道的最終最大位移為6.97mm,可見,土體開挖對右線隧道的影響遠大于左側(cè)。

其中右線最大位移出現(xiàn)在隧道襯砌左下端,方向以水平位移為主,并向基坑方向偏移,右線隧道最大水平位移9.57 mm。這是由于基坑開挖卸荷導(dǎo)致側(cè)向土體向基坑變形以及坑底土體隆起,考慮坑底土體加固的緣故,坑底隆起量得到控制,周圍土體側(cè)向變形明顯,帶動隧道向右下方移動。

另外,沿隧道縱向方向,隧道處于基坑中部變形尤為明顯,基坑開挖對隧道縱向變形的影響約為平行于隧道的基坑長度的3倍。

在基坑開挖對隧道的應(yīng)力分析中,應(yīng)力主要集中在隧道襯砌橫斷面的上下左右四點,這四點所受應(yīng)力為其他部位所受最小應(yīng)力近9倍?？梢姂?yīng)力集中現(xiàn)象非常明顯,因此,對于地鐵隧道的襯砌設(shè)計和運營安全應(yīng)格外重視應(yīng)力集中部位。

4.3 被動土體加固分析

為減少基坑開挖坑底土體隆起對臨近地鐵線路的影響,本工程擬采用坑底滿堂加固的措施。圖3和圖4是在考慮不同加固措施的情況下,不同工況對隧道水平和豎向最大位移的對比分析。

圖3 右線隧道不同工況下隧道水平最大位移

圖4 右線隧道不同工況下隧道豎向最大位移

上述結(jié)果表明,當(dāng)對土體不加固時,基坑開挖會對隧道產(chǎn)生較大的變形,當(dāng)加固為40 MPa時,可將變形減小為未加固時的60%,當(dāng)繼續(xù)加固為60 MPa時,變形繼續(xù)減小,但抑制幅度也明顯減小,可見,對基坑底部土體進行加固可有效抑制臨近隧道的變形,但應(yīng)注意最優(yōu)化的加固強度。

5 結(jié) 論

(1)利用三維有限元數(shù)值模擬方法分析基坑開挖對臨近既有隧道的影響,發(fā)現(xiàn)基坑的開挖對臨近隧道有明顯的影響,隧道的位移以水平為主。

(2)通過對基坑底部被動區(qū)域是否加固進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),若被動區(qū)不經(jīng)加固直接開挖,將導(dǎo)致地鐵隧道發(fā)生較大的位移,有可能將使地鐵無法正常運營。而經(jīng)過加固后,可有效的控制基坑開挖對隧道的影響。

(3)地下連續(xù)墻、被動土體加固等作為異質(zhì)體,剛度遠大于土體剛度,具有減小位移的屏障作用,對臨近基坑開挖引起的位移具有阻斷作用。另外,地下連續(xù)墻、支撐體系和被動土體加固組成完整的地下受力體系,能夠有效的承受基坑側(cè)向和底部土體產(chǎn)生的應(yīng)力,對基坑開挖引起周圍土體的變形起到關(guān)鍵的抑制作用。

[1] 劉國彬,黃院雄,侯學(xué)淵.基坑工程下已運行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(2):202-207.

[2] 吉茂杰,劉國彬.開挖卸荷引起地鐵隧道位移的預(yù)測方法[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2001,29(5):531-535.

[3] 陳 郁,李永盛.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的計算方法[J].地下空間與工程學(xué)報,2005,1(1):91-94.

[4] 張治國,張孟喜,王衛(wèi)東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J].巖土力學(xué),2011,32(7):2085-2092.

[5] 王衛(wèi)東,吳江斌,翁其平.基坑開挖卸荷對地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2004,25(S2):251-255.

[6] 況龍川,李志敏,殷宗澤.地下工程施工影響地鐵隧道的實測分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,40(S1):79-82.

[7] 況龍川.深基坑施工對地鐵隧道的影響[J].巖土工程學(xué)報,2000,22(3),284-288.

[8] 劉國斌,侯學(xué)淵.軟土的卸荷模量[J].巖土工程學(xué)報,1996,18(6),18-23.