基坑工程施工對(duì)鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的影響分析

摘要：基坑工程常造成既有地鐵隧道的變形，甚至影響地鐵的正常運(yùn)營，因此如何控制臨近地鐵隧道的基坑工程的變形就越來越受到重視。但基坑施工對(duì)地鐵隧道的影響與多種因素有關(guān)。文章結(jié)合實(shí)例分析了基坑施工對(duì)緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道的影響。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu);影響;計(jì)算

1.數(shù)值模型

采用荷載結(jié)構(gòu)法和修正慣用法對(duì)盾構(gòu)隧道受力進(jìn)行計(jì)算。修正慣用法的基本思路為：將接頭部分彎曲剛度的降低評(píng)價(jià)為環(huán)整體彎曲剛度的降低，管片是具有ηEI彎曲剛度的均勻環(huán)。進(jìn)一步考慮到搭接位置的接頭部分彎矩分配，再根據(jù)ηEI均勻彎曲剛度環(huán)計(jì)算出來的截面內(nèi)力分析，對(duì)彎矩考慮一個(gè)增減系數(shù)ε，設(shè)（1+ε）M為主截面彎矩設(shè)計(jì)值，（1-ε）M為接頭彎矩設(shè)計(jì)值。本文取彎曲剛度有效率η=0.8，彎矩提高率ε=0.3。

廣州地鐵一號(hào)線黃沙站--長壽路站地鐵區(qū)間隧道管片外直徑6000 mm，內(nèi)直徑5400 mm，厚300 mm，環(huán)寬1200mm。盾構(gòu)管片拼接塊為6塊，標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角72°，兩鄰接塊圓心角64.5°，封頂塊圓心角15°，橫向接頭為2處，縱向接頭11處，縱向連接曲螺栓強(qiáng)度為M24。根據(jù)管片結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，如圖1。

圖1 "盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

以廣州地鐵黃沙車站上蓋地鐵物業(yè)商住發(fā)展項(xiàng)目為研究背景，對(duì)幾種影響因素不同組合工況下的盾構(gòu)隧道受力進(jìn)行計(jì)算分析。該工程場地地層從上往下依次為雜填土、砂土和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，地下水主要為賦存于砂層中的孔隙水，屬潛水性質(zhì)，地下水位埋深約為2m。區(qū)間隧道頂部離地表為7m。表1為各層土質(zhì)厚度及其力學(xué)計(jì)算參數(shù)。

表1 地層力學(xué)計(jì)算參數(shù)

土層

厚度/m

重度/kN/m

黏聚力/kPa

摩擦角/°

雜填土

4

18.9

10

10

砂土

10

18.5

0

24

強(qiáng)風(fēng)化砂巖

3

19.0

100

28

隧道外壁采用全周彈簧約束考慮周邊地層彈性抗力。計(jì)算時(shí)，考慮了周邊土彈簧抗壓不抗拉的力學(xué)特性，即土彈簧受壓時(shí)，彈簧產(chǎn)生彈性抗力，土彈簧受拉時(shí)，彈簧不產(chǎn)生彈性抗力，退出工作狀態(tài)。土彈簧的基床系數(shù)一般可根據(jù)土的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算;或依據(jù)砂土的密實(shí)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)查表。本文土層基床系數(shù)取兩者中的小值，即K=15×103kN/m3，基床系數(shù)折減10倍時(shí)取1.5×103kN/m3。

計(jì)算時(shí)考慮的主要荷載為土壓力、水壓力和結(jié)構(gòu)自重。永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35，靜止土壓力系數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查資料加權(quán)取0.7，地面超載取20kPa。

3.模擬結(jié)果及分析

3.1水位降影響

水位下降導(dǎo)致作用在隧道外壁的有效壓力增大，水壓力減小。分析水位降與隧道結(jié)構(gòu)受力時(shí)，需考慮這兩方面的共同作用。在分析水位降對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力時(shí)，一般可采用增量法和全量法。采用增量法分析時(shí)，僅需考慮水位降引起的隧道外壁壓力增量，不考慮隧道結(jié)構(gòu)的初始受力狀態(tài)。其計(jì)算結(jié)果針對(duì)性強(qiáng)，能較好反映水位降對(duì)結(jié)構(gòu)受力增量影響，但不能反映結(jié)構(gòu)總受力情況。采用全量法分析時(shí)，考慮隧道結(jié)構(gòu)初始受力狀態(tài)，并反映水位降時(shí)的結(jié)構(gòu)受力情況。在已知隧道周邊地層分布及土性情況下，全量法能更有效預(yù)測水位降對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

基坑施工誘發(fā)隧道區(qū)域的水位下降幅度，可通過相應(yīng)的滲流分析獲得。根據(jù)依托工程的三維滲流分析結(jié)果，該基坑施工誘發(fā)的最大水位降不超過2 m。為分析水位降對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，對(duì)水位降為0、1、2和4m時(shí)的隧道受力進(jìn)行了計(jì)算。

表2 為不同水位降時(shí)隧道受力計(jì)算結(jié)果。從表2可知，①結(jié)構(gòu)最大彎矩和軸力均隨水位降幅度呈線性增長規(guī)律，以水位降0m為基準(zhǔn)，水位每下降1m彎矩增大約為12.5%，軸力增大約為10%。②水位降2m時(shí)結(jié)構(gòu)受力水平較低，最大彎矩為70 kN·m，低于管片結(jié)構(gòu)控制彎矩值，不影響隧道正常使用和結(jié)構(gòu)安全。

表2 不同水位降時(shí)結(jié)構(gòu)最大受力

水位降

最大彎矩/KN·m

最大軸力/kN

水位降0m

56

510

水位降1m

63

560

水位降2m

70

608

水位降4m

85

706

3.2 側(cè)向土壓力影響

基坑施工誘發(fā)土層側(cè)向位移，改變緊鄰區(qū)間隧道外壁土壓力。該土壓力改變量一般可通過現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值計(jì)算或工程經(jīng)驗(yàn)獲得。為分析側(cè)向土壓力對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響，對(duì)水位降為2m時(shí)側(cè)向靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和土壓力減小20kPa狀態(tài)下的隧道受力進(jìn)行了計(jì)算。

表3為水位降2m時(shí)不同側(cè)向土壓力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果。從表3可知，①側(cè)向土壓力對(duì)結(jié)構(gòu)最大彎矩起著至關(guān)重要的影響。②隧道外壁側(cè)向土壓力由靜止土壓力變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力狀態(tài)，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎矩最大值增大143%。③隧道外壁側(cè)向土壓力進(jìn)入主動(dòng)土壓力狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最大彎矩達(dá)170kN·m，在不考慮永久荷載分項(xiàng)系數(shù)1.35 作用下，其對(duì)應(yīng)的彎矩值為126 kN·m，將略高于接頭螺栓的彈性極限彎矩值125kN·m，導(dǎo)致管片開裂和接頭環(huán)縫張開增量為1.36mm，影響隧道正常使用，使結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較低。

表3、不同側(cè)向土壓力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大受力

側(cè)壓力狀態(tài)

最大彎矩/kN·m

最大軸力/kN

靜止土壓力

70

608

主動(dòng)土壓力

170

650

土壓力減20kPa

119

627

3.3上方超載影響

地鐵上蓋建筑物荷載向下方土層傳遞時(shí)，可能影響隧道結(jié)構(gòu)外壁應(yīng)力。以廣州東風(fēng)廣場五期工程地鐵上蓋物業(yè)為例，該上蓋高層建筑物荷載通過筏板和端承樁向下方土層傳遞，可能會(huì)由于筏板、樁基和土層的相互作用，對(duì)筏板下方隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其影響程度需考慮筏板、樁基和土層的共同作用確定。為簡化分析上蓋建筑物荷載對(duì)下方隧道結(jié)構(gòu)受力影響，對(duì)比計(jì)算了水位下降2m時(shí)上方無超載和上方超載20kPa 時(shí)的結(jié)構(gòu)受力。表4為結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果。從表4可知，隧道上方超載20kPa將導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)彎矩增大約21%。

表4 上方超載下結(jié)構(gòu)最大受力

上方超載

最大彎矩/KN·m

最大軸力/kN

無超載

70

608

超載20kPa

85

706

結(jié)合盾構(gòu)隧道控制彎矩計(jì)算，可知：

1）基坑施工影響緊鄰隧道結(jié)構(gòu)受力的最主要因素為隧道外壁側(cè)向土壓力釋放程度。

2）隧道外壁側(cè)向土壓力進(jìn)入主動(dòng)土壓力狀態(tài)，將導(dǎo)致管片開裂和接頭環(huán)縫張開，影響隧道正常使用，并降低隧道結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。

3）在隧道周邊基床系數(shù)降低的情況下，如隧道外壁進(jìn)入側(cè)向主動(dòng)土壓力，將導(dǎo)致隧道發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

4）僅由水位降誘發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)受力變化，不影響隧道結(jié)構(gòu)的正常使用。

4.結(jié)論及建議

運(yùn)用同濟(jì)大學(xué)曙光分析軟件，采用荷載-結(jié)構(gòu)法和盾構(gòu)隧道修正慣用法，對(duì)基坑施工影響緊鄰盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力的幾個(gè)因素進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）基坑施工影響緊鄰隧道結(jié)構(gòu)受力的最主要因素為隧道外壁側(cè)向土壓力釋放程度，隧道外壁側(cè)向土壓力由靜止土壓力進(jìn)入主動(dòng)土壓力狀態(tài)，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎矩增大約143%;

2）隧道周邊地層基床系數(shù)折減10倍，將導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)彎矩增大45%;

3）水位每下降1m所引起的隧道結(jié)構(gòu)彎矩增大約12.5%，軸力增大約10%;

4）隧道上方超載20kPa 將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎矩增大約21%。

基于以上結(jié)論，建議：

1）加強(qiáng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化基坑施工方案，減小基坑側(cè)向位移和側(cè)向土壓力釋放程度。

2）確保地下連續(xù)墻接頭質(zhì)量，嚴(yán)防水土流失，確保隧道周邊土層的密實(shí)性。

當(dāng)出現(xiàn)工程險(xiǎn)情預(yù)兆時(shí)，在隧道與基坑地下連續(xù)墻之間進(jìn)行壓力注漿，并采用成熟的施工方案對(duì)隧道周邊土層進(jìn)行加固處理。

參考文獻(xiàn)：

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