基坑相鄰地鐵隧道變形與應(yīng)力控制措施

徐長節(jié)，孫鳳明，陳金友，徐禮閣

（1.浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，杭州310058；2.浙江大學(xué) 軟土與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058；3.杭州市城東新城建設(shè)投資有限公司，杭州310021）

近年來中國在地下工程建設(shè)方面十分活躍，很多大中型城市都在不斷的積極利用地下空間。城市中的地下工程主要為地下室的建設(shè)，同時(shí)以地鐵和地下通道等帶狀分布的地下空間也十分常見。由于城市用地的緊張，這必然導(dǎo)致相鄰工程的相互影響越發(fā)突出。這種相互影響的方式以及影響程度應(yīng)該是分析一個(gè)工程問題的焦點(diǎn)。

目前主要以各種位移量的大小作為安全指標(biāo)，但其大小的界定還沒有統(tǒng)一說法。

文獻(xiàn)［1］通過現(xiàn)場實(shí)測資料從隧道沉降，水平位移以及橫向變形等角度探討了基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響。文獻(xiàn)［2］利用經(jīng)驗(yàn)分析和數(shù)值分析方法分析了基坑開挖對地鐵隧道沉降及變形影響并提出了合理的保護(hù)措施。文獻(xiàn)［3］利用三維有限元法詳細(xì)討論了基坑開挖影響車站變形的幾項(xiàng)主要施工措施，并指出基坑開挖時(shí)合理設(shè)置托換樁，進(jìn)行土體加固和分塊開挖是控制變形的有效措施。文獻(xiàn)［4］利用plaxis模擬了某一臨近地鐵隧道深基坑的開挖，總結(jié)了不同工況以及不同施工方式對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的不同影響。文獻(xiàn)［5］［6］采用整體有限元法分析了深基坑開挖卸荷對臨近已建隧道的影響。文獻(xiàn)［7］通過有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，得到了鄰近大剛度地鐵車站的基坑開挖位移傳遞規(guī)律，分析表明了車站結(jié)構(gòu)的存在對基坑變形產(chǎn)生了遮擋作用以及基坑開挖對車站產(chǎn)生背向傾斜等實(shí)用結(jié)果。文獻(xiàn)［8］詳細(xì)介紹了利用plaxis進(jìn)行基坑開挖模擬的適用性并探討了相關(guān)適用條件。

1 工程概況及周邊情況

工程位于杭州市下沙經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。該基坑?xùn)|西向長約200m，南北走向約80～100m，如圖1所示。工程±0.000相當(dāng)于黃海高程6.800m，場地相對標(biāo)高以－0.400m計(jì)。地下為2層汽車車庫，基坑設(shè)計(jì)開挖總深度為－11.800m。一共分3層開挖，第1次開挖至－2.300m，第2次開挖至－8.900m，第3次開挖至坑底。由于工程的重要性以及周邊環(huán)境的復(fù)雜性，基坑安全等級確定為一級。

在基坑的北面和西面目前為空地，在基坑南面有一已運(yùn)行的上下行地鐵隧道?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)距盾構(gòu)邊緣最近距離約11m，基坑底距盾構(gòu)隧道頂約2m，如圖2所示。由于基坑開挖導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形從而對臨近地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。為了確保地鐵隧道的安全，設(shè)計(jì)中采取了加強(qiáng)地鐵隧道一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，并擬在施工中采取分塊對稱開挖方法。本文利用plaxis有限元軟件動(dòng)態(tài)的模擬整個(gè)設(shè)計(jì)及施工過程，預(yù)先分析研究基坑開挖可能對地鐵隧道產(chǎn)生的影響。最后通過和常規(guī)施工方法進(jìn)行對比揭示了基坑所采用的設(shè)計(jì)和施工方法是合理可行的。

圖2 鄰近隧道的基坑剖面

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1 擋土結(jié)構(gòu)的確定

基坑大部分區(qū)域采用型鋼水泥攪拌墻作為擋土結(jié)構(gòu)兼止水帷幕，同時(shí)考慮對南側(cè)地鐵隧道保護(hù)，該側(cè)采用大直徑鉆孔灌注樁排樁結(jié)合雙排三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕，如圖3所示。型鋼水泥攪拌墻采用進(jìn)口三軸攪拌設(shè)備，樁徑為850mm，中心距為600mm。鉆孔灌注樁樁身混凝土強(qiáng)度等級C25，樁徑1 000mm，中心距1150mm。

圖3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 支撐體系的確定

考慮到基坑的開挖深度及周邊環(huán)境條件，最終采用兩層鋼筋混凝土內(nèi)支撐。第1道支撐中心標(biāo)高－1.80m，第2道支撐中心標(biāo)高－8.40m，第1道支撐截面為900（b）×800（h）mm，第2道支撐截面為1 000（b）×900（h）mm，均采用C30混凝土。

2.3 地下水控制方面

主要采用設(shè)置三軸攪拌作止水帷幕進(jìn)行控制，同時(shí)根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，采用簡易深井降低基坑內(nèi)外的地下水位。

3 數(shù)值分析

采用plaxis有限元軟件對其進(jìn)行二維模擬分析，所選截面為基坑鄰近隧道側(cè)的長邊中點(diǎn)位置的剖面（圖1）。根據(jù)所選基坑剖面尺寸大小以及相鄰隧道位置，最終取模型水平向長度為200m，豎向深度為40m。土體的本構(gòu)模型采用了可以考慮卸載，再加載和初次加載時(shí)土體模量不同Hardening－Soil模型（E50為標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)中的割線剛度，Eoed為主固結(jié)儀加載中的切線剛度，Eur為卸載／重新加載剛度）。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

每層土體參數(shù)選取由地勘報(bào)告確定，見表1。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道襯砌通過plate單元模擬，內(nèi)支撐采用Anchor單元模擬，最后將結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸和材料性質(zhì)換算成相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，詳見表2。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道襯砌相關(guān)參數(shù)

續(xù)表2

3.1 兩種不同施工模型的建立

首先模擬了常規(guī)施工過程，如表3所示，即采用整體開挖方案。通過先挖土后支撐的分層開挖方式如圖4所示，采用消滅和激活相關(guān)單元體來實(shí)現(xiàn)此過程。最后模擬了本工程現(xiàn)場實(shí)際施工過程，如表4所示，采用分塊對稱開挖每層土體以及快速施工底板等措施來保證工程的安全性。有關(guān)文獻(xiàn)以及工程實(shí)踐都指出了時(shí)空效應(yīng)原理對工程影響的重要性，因此在每一層土體開挖時(shí)，都采用了先挖基坑中間塊土體然后再對稱挖除左右兩塊土體，如圖5～6所示?；娱_挖到坑底時(shí)，加速底板施工對保障工程安全性也是十分重要的。

表3 常規(guī)施工過程

表4 工程現(xiàn)場施工過程

圖4 分區(qū)開挖平面圖

圖5 鉆孔樁 常規(guī)開挖施工步8

圖6 鉆孔樁 分塊開挖施工步10

3.2 對比兩種數(shù)值分析結(jié)果

通過定義相關(guān)施工步，2種施工方法的最終變形圖，如圖7～8所示。由圖可知正是因?yàn)榛娱_挖卸荷作用，從而使圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變形，坑底發(fā)生隆起以及隧道也產(chǎn)生了相應(yīng)位移。通過比較2個(gè)變形圖，可以看出本工程所采用的分塊對稱開挖施工方法能夠顯著的減小相應(yīng)變形。由于基坑兩側(cè)的環(huán)境條件以及相應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的不同，導(dǎo)致兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移量也有所差異。

圖7 鉆孔樁 常規(guī)開挖最終變形圖

圖8 鉆孔樁 分塊開挖最終變形圖

圖9表達(dá)了樁在不同數(shù)值分析模式以及實(shí)測情況下最終變形。從圖中5條變形曲線可以看出，樁發(fā)生最大位移處基本都位于坑底附近。樁的最大位移量在實(shí)測，采用鉆孔樁－（分塊開挖：常規(guī)開挖）以及采用SMW工法樁 （分塊開挖：常規(guī)開挖）分析模式下分別為9.5，11.0，15.2，22.8及26.7mm。實(shí)測數(shù)據(jù)和采用鉆孔樁－分塊開挖分析模式結(jié)果具有較好的吻合性，間接證明了本工程所采用的設(shè)計(jì)和施工方法是安全合理的。由4種不同設(shè)計(jì)施工方法結(jié)果對比得出，采用鉆孔樁 分塊對稱開挖可以顯著的減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)也說明了不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和施工方法的選擇將對結(jié)構(gòu)最終變形影響程度是不同的。相對施工方法而言，采用加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度能更好的控制其最終變形，所以合理地選擇有關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對工程的安全性是十分重要的。同樣，基于時(shí)空效應(yīng)原理來選擇合理的開挖方式可以進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)變形，如圖10所示。由圖10、11對比可知基坑兩側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形是不一樣的，原因在于基坑兩側(cè)的環(huán)境是不一樣的，其中一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受地鐵隧道的影響。

圖9 臨近隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)最終變形有限元計(jì)算結(jié)果及實(shí)測對比圖

圖10 遠(yuǎn)離隧道側(cè)SMW工法樁最終變形有限元計(jì)算結(jié)果及實(shí)測對比圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道水平位移隨開挖步變化見圖11，從該圖可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：采用分塊對稱開挖時(shí)各個(gè)結(jié)構(gòu)的最終水平位移值要遠(yuǎn)小于整體開挖方式，同時(shí)分塊對稱開挖下結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展速度也相應(yīng)降低了許多。從不同挖土階段的變形量來看，兩種施工方法都是在開挖第2層土體時(shí)產(chǎn)生的變形增量最大，原因在于第2層土體比較厚，開挖卸荷量大所致。由圖12可知，上行隧道最大水平位移在實(shí)測，采用鉆孔樁 （分塊開挖：常規(guī)開挖）以及采用SMW工法樁－（分塊開挖：常規(guī)開挖）分析模式下分別為7.0，6.0，10.1，21.2及23.1mm。從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，采用鉆孔樁－分塊開挖數(shù)值分析不僅和真實(shí)設(shè)計(jì)施工相吻合而且也證明了此法在基坑開挖時(shí)可以很好的控制其變形。從施工現(xiàn)場來看，當(dāng)該基坑底板施工完畢后，整個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及鄰近地鐵隧道的位移得到了很好的控制，由此證明該基坑設(shè)計(jì)施工是一個(gè)成功的例子。

圖11 結(jié)構(gòu)位移隨施工步變化圖

圖12

圖13

由于上行線隧道距離基坑最近，所以選其最終變形進(jìn)行分析。如圖12（a）所示，隧道產(chǎn)生了近似剛體位移，原因在于隧道襯砌剛度要遠(yuǎn)大于其周圍土體剛度。隧道產(chǎn)生變形的根源在于其周圍應(yīng)力場發(fā)生了變化，由于基坑開挖打破了原有應(yīng)力場，隧道為適應(yīng)新的應(yīng)力場必須在位移和內(nèi)力上有所調(diào)整。由圖13可以看出4種不同設(shè)計(jì)施工方法分別使隧道管片產(chǎn)生了154.3，165.4，190.2，205.8kN·m的彎矩，通過和管片設(shè)計(jì)容許彎矩180.0kN·m進(jìn)行對比，說明了目前管片的強(qiáng)度是滿足要求的。

由于基坑開挖導(dǎo)致鄰近隧道產(chǎn)生了位移和附加內(nèi)力。通過和管片設(shè)計(jì)容許彎矩值比較，該隧道管片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是安全可靠的。根據(jù)實(shí)際觀測，在整個(gè)地下室施工期間，隧道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)任何裂縫，軌道也未出現(xiàn)明顯變形，證明本工程采取的措施是安全得當(dāng)?shù)摹?/p>

圖14 實(shí)測隧道沿基坑長邊方向水平位移變化圖

圖14為現(xiàn)場實(shí)測上行地鐵隧道沿縱向產(chǎn)生的不同水平位移量，從整體上可以看出位于基坑中部一定范圍內(nèi)的地鐵隧道產(chǎn)生明顯位移，隨著遠(yuǎn)離基坑核心區(qū)，隧道的變形也相應(yīng)的顯著減弱。隧道水平位移的不均勻性將導(dǎo)致其產(chǎn)生彎曲變形，從而使隧道襯砌產(chǎn)生附加內(nèi)力。目前關(guān)于地鐵隧道附加變形警戒值還沒有在相應(yīng)規(guī)范中確定，現(xiàn)在主要還是一些參考類似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。參照《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》對地鐵安全保護(hù)區(qū)內(nèi)的施工項(xiàng)目的要求，地鐵隧道結(jié)構(gòu)絕對沉降量及水平位移不大于20mm。但如何準(zhǔn)確合理的確定新建工程對已有建筑物和構(gòu)筑物的影響成為目前城市建設(shè)中很棘手的問題。這個(gè)問題不僅關(guān)系到工程的安全性，同時(shí)也和工程的造價(jià)緊密相關(guān)。我們認(rèn)為位移允許值一方面受到正常使用的要求控制，另一方面也應(yīng)該由結(jié)構(gòu)內(nèi)力不超過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的準(zhǔn)則來控制。

4 結(jié) 論

以某一相鄰地鐵深基坑為背景，利用有限元軟件對其施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過比較模擬不同施工方法所產(chǎn)生的結(jié)果以及和現(xiàn)場實(shí)測資料對比，總結(jié)出了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

1）利用數(shù)值分析軟件合理模擬現(xiàn)場施工狀況，不僅能夠很好的預(yù)測工程安全與否而且可以為設(shè)計(jì)提供參考；

2）基坑開挖施工中，合理采用分塊對稱開挖方法和加強(qiáng)有關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度能夠很好的控制基坑變形。對于變形控制嚴(yán)格的工程來說，采用多種方法聯(lián)合使用是十分有效的；

3）關(guān)于開挖地下空間對已有建筑物或構(gòu)筑物的影響，一方面受到正常使用的要求控制，另一方面還應(yīng)該由結(jié)構(gòu)內(nèi)力不超過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的準(zhǔn)則來控制。

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