明挖基坑近接既有地鐵隧道變形計(jì)算分析

劉旭政 黃俊斌 張春榮

(1. 華東交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南昌 330013； 2. 西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710068； 3. 江西交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南昌 330002)

1 引 言

隨著城市地下軌道交通的不斷發(fā)展，近年來(lái)頻繁出現(xiàn)了地下工程的近接施工。近接工程施工時(shí)，不可避免地對(duì)近鄰既有地鐵隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形。既有地鐵隧道對(duì)運(yùn)營(yíng)期間的變形要求較高，一旦施工不當(dāng)，就有可能造成極其嚴(yán)重的后果。因此，近接工程施工時(shí)對(duì)既有隧道的變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)及合理控制，具有十分重要的理論研究和現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于近接工程展開(kāi)了較廣泛的研究。孫鈞等[1]考慮了注漿和盾尾空隙以及盾構(gòu)推進(jìn)所產(chǎn)生的地層損失，采用三維彈塑性有限元分析了上海地鐵隧道疊交的施工變形問(wèn)題。陶連金等[2]采用FLAC 3D程序建立了三維地層-結(jié)構(gòu)模型，預(yù)測(cè)了擬建隧道上穿既有地鐵隧道在施工期間的結(jié)構(gòu)變形，并驗(yàn)算了既有結(jié)構(gòu)各部位的承載能力。陳亮等[3]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及理論分析，分析研究了隧道近距離長(zhǎng)穿既有隧道引起的縱向變形過(guò)程及其產(chǎn)生原因和機(jī)理。劉樹(shù)佳[4]等針對(duì)上海地鐵線(xiàn)路的近接工程，采用三維彈塑性有限元模型，分析研究了在不同凈距、不同土倉(cāng)壓力、不同注漿量下新建隧道盾構(gòu)穿越既有隧道管片變形的影響。Yazdchi等[5]提出了在不同地面條件下，用確定的時(shí)間步長(zhǎng)，估算隧道疊交所引起的地面沉降和對(duì)附近結(jié)構(gòu)的影響。

從上述文獻(xiàn)可以看出，以往的研究往往集中在采用盾構(gòu)施工的隧道近接既有隧道產(chǎn)生的一些問(wèn)題[6，7]，對(duì)明挖隧道近接既有地鐵隧道研究較少，本文以西安市南門(mén)隧道上穿地鐵二號(hào)線(xiàn)鐘樓—南門(mén)區(qū)間為例，采用有限元程序Midas GTS構(gòu)建三維彈塑性有限元模型，對(duì)比分析了不同工況下基坑底面及地鐵管片的變形，并依據(jù)研究結(jié)果確定了地基加固措施。研究結(jié)果可為今后類(lèi)似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，完善上穿近接工程的施工理論和方法。

2 工程概況

南門(mén)隧道與地鐵二號(hào)線(xiàn)交叉點(diǎn)位于南門(mén)城墻以南約84 m處，與地鐵二號(hào)線(xiàn)左右兩線(xiàn)分別交叉，該處地鐵二號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)處于曲率半徑R=376 m的圓曲線(xiàn)，右線(xiàn)處于曲率半徑R=400 m的圓曲線(xiàn)上。該處地鐵二號(hào)線(xiàn)為盾構(gòu)區(qū)間段，地鐵橫斷面基本尺寸為區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為5.4 m，管片厚度為300 mm，隧道外徑為6.0 m。南門(mén)隧道底板底面距離現(xiàn)狀地鐵二號(hào)線(xiàn)襯砌環(huán)頂面最小距離為1.925 m。南門(mén)隧道與既有地鐵二號(hào)線(xiàn)位置示意如圖1、圖2所示。

圖1 南門(mén)隧道與地鐵二號(hào)線(xiàn)位置平面圖Fig.1 Plan at Nanmen tunnel and line No.2

圖2 南門(mén)隧道與地鐵二號(hào)線(xiàn)關(guān)系示意圖 (單位：m)Fig.2 Sketch of the location of Nanmen tunnel and line No.2 (Unit：m)

因周?chē)匦嗡?，在南門(mén)隧道上穿地鐵二號(hào)線(xiàn)左右線(xiàn)處分別布設(shè)基坑，基坑開(kāi)挖分別施工。一個(gè)基坑內(nèi)隧道節(jié)段施工完成，回填完畢后，方可進(jìn)行另外一個(gè)基坑的開(kāi)挖及隧道節(jié)段的施工工作?；硬贾脼?6 m×39 m×8.3 m(寬×長(zhǎng)×深，寬度為東西向，長(zhǎng)度為南北向)。南門(mén)隧道基坑開(kāi)挖及支護(hù)的整體原則確定為分層、分步、對(duì)稱(chēng)、平衡、限時(shí)。為保證基坑開(kāi)挖及地鐵上方的南門(mén)隧道節(jié)段整體施工工期盡可能縮短，將每分塊基坑開(kāi)挖分層數(shù)定為4層，每層深度約2 m。平面上的開(kāi)挖順序?yàn)橄戎苓吅笾虚g，抽條均勻開(kāi)挖。平面開(kāi)挖順序見(jiàn)圖3。

表1土層物理力學(xué)參數(shù)

Table1Mechanicalparametersofsoils

巖土編號(hào)巖土名稱(chēng)天然含水量質(zhì)量密度/(g·cm-3)直剪固快峰值強(qiáng)度內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa壓縮模量Es1-2/MPaEs2-3/MPaEs3-4/MPa1-1雜填土24.0%1.8015155.05.05.01-2人工填土24.0%1.7315187.2.7.07.03-1新黃土23.6%1.7718209.18.57.73-1-1飽和軟黃土28.3%1.8714184.67.08.63-2古土壤24.8%1.9818256.89.010.74-1老黃土22.2%2.0118258.010.012.04-4粉質(zhì)黏土22.3%2.0119257.010.013.0

圖3 平面開(kāi)挖順序示意圖 (單位：m)Fig.3 Sketch of excavation sequence (Unit：m)

3 數(shù)值模型建立

3.1 計(jì)算模型

數(shù)值模型采用Midas GTS大型有限元計(jì)算程序建立。結(jié)合工程實(shí)際情況，確定基坑開(kāi)挖影響深度為開(kāi)挖深度的2～4倍，影響寬度為開(kāi)挖深度的3～4倍，地鐵管片側(cè)面影響范圍為盾徑的4倍，底面影響范圍為盾徑的3倍，從而確定模型幾何尺寸為90 m×45 m×35 m，數(shù)值模型如圖4所示。模型約束條件地表面為自由面；模型四周約束法向水平方向位移，底面約束(X、Y、Z)3個(gè)方向位移，支護(hù)樁底約束豎向位移。結(jié)構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[8]。土體采用實(shí)體單元，地鐵管片采用板單元，盾構(gòu)及土間施加Goodman接觸單元[9,10]。模型中土層依據(jù)工程場(chǎng)地內(nèi)實(shí)際地層土分布情況取用。

3.2 基本假定

采用Midas GTS進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用如下基本假定[11]：

(1) 同一種材料為均質(zhì)、各向同性；

(2) 土體為理想彈塑性材料，計(jì)算理論模型為摩爾-庫(kù)倫模型，地鐵管片為彈性體；

圖4 有限元模型示意Fig.4 Finite element model diagram

(3) 因地鐵管片周?chē){范圍難以確定，故偏安全地不考慮地鐵管片外側(cè)的注漿加固范圍；

(4) 考慮地鐵管片和土體之間的相互作用；

(5) 不考慮土體的排水固結(jié)引起的土體設(shè)計(jì)參數(shù)改變；

(6) 不考慮由于基坑開(kāi)挖施工對(duì)土體擾動(dòng)的影響。

3.3 施工工況

為分析不同施工工況對(duì)既有地鐵線(xiàn)變形的影響，考察分析5種不同工況下的計(jì)算結(jié)果。

工況一：原狀土不經(jīng)過(guò)旋噴樁地基加固，基坑分四塊開(kāi)挖，每個(gè)小塊開(kāi)挖后完成坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工后不回填。

工況二：原狀土不經(jīng)過(guò)旋噴樁地基加固，基坑分四塊開(kāi)挖，每個(gè)小塊開(kāi)挖后完成坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工回填至原地面。

工況三：在工況二的基礎(chǔ)上考慮旋噴地基加固的影響，調(diào)整復(fù)合地基彈性模量(復(fù)合地基土彈性模量Ed=500 MPa)，但不調(diào)整復(fù)合地基黏聚力和內(nèi)摩擦角。

工況四：在工況三的基礎(chǔ)上在既有線(xiàn)兩側(cè)增設(shè)抗拔樁錨固于南門(mén)隧道底板(施工期間在地鐵管片兩側(cè)3 m安全距離以順著地鐵軸線(xiàn)方向設(shè)兩排鉆孔灌注樁，后期與南門(mén)隧道底板固結(jié)，以提供運(yùn)營(yíng)期間抵抗地鐵上隆抗力)?？拱螛稑稄骄鶠? m，樁長(zhǎng)30 m。有限元模型中在前4次開(kāi)挖階段僅考慮灌注樁樁底約束豎向位移，施工完成階段將樁底節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)隧道底板節(jié)點(diǎn)固結(jié)。

工況五：在工況三的基礎(chǔ)上不僅調(diào)整復(fù)合地基彈性模量，同時(shí)調(diào)整復(fù)合地基粘聚力和內(nèi)摩擦角(復(fù)合地基土黏聚力C值取250 kPa，復(fù)合地基土剪切角φ=45°)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑底面隆起變形

5種工況下不同施工階段(4次開(kāi)挖及施工完成階段)基底隆起變形量匯總至圖5。工況一的基底隆起變形最大，且隨著開(kāi)挖塊數(shù)的增加基底隆起逐漸變大，第4次開(kāi)挖完成后基坑隆起最大值為11.3 cm，施工完成階段基坑隆起值為8.5 cm，該工況下各階段基底隆起變形均遠(yuǎn)超出限值2 cm。工況二采用隨挖隨填至地面的措施之后，各階段的基坑隆起值均有一定的減少，第1次開(kāi)挖完成后基坑隆起最大值為7.9 cm，仍超出基坑變形限值。工況三、四各階段的基底隆起變形量較工況二大大降低，且均相同。工況三施工完成階段基底隆起值為1.38 cm。采用抗拔樁措施后，工況四施工完成階段隆起值減少為0.86 cm，小于基坑變形限值2 cm。工況五各階段的基底隆起變形量均有一定減少，第3次開(kāi)挖完成后基坑隆起最大值為0.9 cm，施工完成階段的基坑隆起也有一定減少，大小為0.21 cm。

4.2 基坑底面沉降變形

5種工況下不同施工階段基底沉降變形量匯總至圖6。從圖中可以看出，工況一的基底沉降變形第3次開(kāi)挖完成后基坑沉降最大值為4.4 cm，施工完成階段的基坑沉降值為4.2 cm，該工況下各階段基底沉降變形均遠(yuǎn)超出限值20 mm。工況二的基坑沉降變形量最大，且隨著開(kāi)挖塊數(shù)的增加基底沉降逐漸變大，第4次開(kāi)挖完成后基坑沉降值為10.7 cm，遠(yuǎn)超出基坑變形限值。工況三、四下各階段及施工完成階段的基底沉降變形量均大致相同，工況三、四下隨著開(kāi)挖塊數(shù)的增加基底沉降逐漸變大，在第4次開(kāi)挖完成后基坑沉降最大值為1.65 cm，小于基坑變形限值20 mm。工況五下各階段的基底沉降變形量均有一定減少，第4次開(kāi)挖完成后基坑沉降最大值為0.67 cm。

圖5 基底隆起變形 (單位：cm)Fig.5 Uplift deformation at the bottom of foundation pit(Unit：cm)

圖6 基底沉降變形 (單位：cm)Fig.6 Settlement deformation at the bottom of foundation pit (Unit：cm)

4.3 管片隆起變形

5種工況下不同施工階段管片隆起變形量匯總至圖7。從圖中可以看出，工況一的管片隆起變形最大，且隨著開(kāi)挖塊數(shù)的增加管片隆起逐漸變大。第4次開(kāi)挖完成后管片隆起最大值為5.81 cm，施工完成階段的管片隆起值為3.05 cm，參考國(guó)內(nèi)相關(guān)資料，確定管片隆起限值為1 cm，該工況下各階段管片隆起變形均遠(yuǎn)超出限值。工況二采用隨挖隨填至地面的措施之后，各階段的管片隆起值均有一定的減少。第3次開(kāi)挖完成后管片隆起最大值為2.87 cm，超出管片隆起限值。工況三、四下各階段的管片隆起變形量均相同，第3次開(kāi)挖完成后管片隆起最大值為0.9 cm。工況三施工完成階段的基底隆起值為0.83 cm。采用抗拔樁措施后，工況四施工完成階段隆起值減少為0.26 cm，均小于管片變形限值。工況五下各階段的管片隆起變形量均有一定減少，第3次開(kāi)挖完成后管片隆起最大值為0.77 cm，施工完成階段的管片隆起也有一定減少，變形為0.17 cm。

圖7 地鐵管片隆起變形 (單位：cm)Fig.7 Uplift deformation on tunnel segment (Unit：cm)

4.4 管片沉降變形

5種工況下不同施工階段管片沉降變形量匯總至圖8。從圖中可以看出，工況一的管片沉降變形最大，第2次開(kāi)挖完成后管片沉降最大值為0.4 cm，施工完成階段下管片沉降為0.25 cm。參考國(guó)內(nèi)相關(guān)資料，確定管片沉降限值為1.5 cm。該工況下第2次開(kāi)挖后管片沉降變形均小于限值。工況二采用隨挖隨填至地面的措施之后，各階段的管片沉降值均有一定的減少，營(yíng)運(yùn)期間管片沉降值為0.26 cm。工況三、四各階段的管片下降變形量較工況二有較大減少。采用抗拔樁措施后，工況四施工完成階段管片沉降值為0.08 cm，均小于管片變形限值。工況五各階段的管片隆起變形量均有一定減少，第3次開(kāi)挖完成后基坑隆起最大值為0.008 cm，施工完成階段下基坑隆起值減少為0.016 cm。

圖8 地鐵管片沉降變形 (單位：cm)Fig.8 Settlement deformation on tunnel segment (Unit：cm)

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)本工程的明挖基坑上穿既有地鐵線(xiàn)路的有限元模型分析計(jì)算可得出以下一些結(jié)論：

(1) 對(duì)于明挖基坑近接工程，在對(duì)原狀土不進(jìn)行處理且不隨填隨挖的情況下，基坑坑底隆起最大值為11.3 cm，沉降最大值為4.3 cm，均大大超出坑底變形限值；地鐵管片隆起最大值為5.81 cm，超出管片隆起變形限值。

(2) 對(duì)原狀土不進(jìn)行處理，但是采用隨挖隨填施工后，各階段的基坑隆起值均有一定的減少，但基坑沉降值變大，且變形量均超出坑底變形限值；地鐵管片最大隆起值及沉降值有一定的減少，變形值仍超出管片隆起變形限值。

(3) 采用旋噴樁加固周邊土層之后，基坑坑底變形值及地鐵管片變形值均大幅降低，且均小于變形限值。采用抗拔樁加固后，基坑及管片隆起值均有減少，基坑坑底隆起值最大值減少為0.86 cm；地鐵管片隆起最大值減少為0.26 cm。

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