基坑開(kāi)挖對(duì)既有盾構(gòu)隧道與地層的影響分析

戚長(zhǎng)軍，劉爭(zhēng)宏，余武術(shù)，趙星緯

(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710043)

隨著城市建設(shè)步伐的加快，常會(huì)出現(xiàn)基坑工程建設(shè)在已建地鐵隧道之上，由于運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地鐵對(duì)變形的要求極為嚴(yán)格，如何預(yù)測(cè)和處理既有隧道變形成為基坑工程的關(guān)鍵性制約因素。基坑開(kāi)挖是基坑下方土體的卸荷過(guò)程［1］，不可避免地會(huì)引起坑底土體的回彈隆起，隧道結(jié)構(gòu)不均勻沉降將致使地鐵軌道變形，甚至隧道結(jié)構(gòu)破壞，從而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全和地鐵列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅［2－3］。

有學(xué)者［4－6］在研究中提及，在 20 世紀(jì)早期，Tergzaghi已經(jīng)注意到小的開(kāi)挖段的回彈量比大開(kāi)挖段要小，坑底中部隆起大于周邊。國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)工程案例與研究成果，有學(xué)者［7－9］通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究基坑開(kāi)挖對(duì)下方越江隧道的影響，并采用理論解析的方法推導(dǎo)了開(kāi)挖卸荷條件下下臥盾構(gòu)隧道的變形。另外部分學(xué)者［10－11］通過(guò)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出一些規(guī)律，認(rèn)為在小變形情況下，地鐵隧道變形與土層位移基本一致。該類(lèi)工程實(shí)際大多采用的方法是地鐵隧道周?chē)馏w的加固［12－13］。目前，基坑開(kāi)挖施工引起的既有隧道變形的研究多集中在軟土地層中，針對(duì)黃土地層中研究甚少。因此，本文針對(duì)黃土地區(qū)某市政工程施工引起圍巖變形變化規(guī)律以及對(duì)既有盾構(gòu)隧道的影響分析，具有重要的工程實(shí)際意義。

1 工程及地質(zhì)概況

某市政基坑工程，有三個(gè)部分構(gòu)成，南側(cè)基坑，開(kāi)挖深度約為6.5 m，卸載面積為1 130 m2，稱為基坑1;北側(cè)基坑，開(kāi)挖深度約為6.5 m，卸載面積為1 300 m2，稱為基坑3;中間市政下穿隧道基坑，開(kāi)挖深度約為9 m，卸載面積為2 400 m2，稱為基坑2，如圖1所示。在市政基坑工程下方為已運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間隧道，它們之間的覆土約為3 m，該工程最為關(guān)鍵問(wèn)題是基坑開(kāi)挖卸載引起基底隆起，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道發(fā)生變形超過(guò)限值，可能造成地鐵運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800@1500鉆孔灌注樁。

圖1 基坑與盾構(gòu)隧道相對(duì)位置

圖2 地質(zhì)剖面

2 基坑開(kāi)挖對(duì)隧道影響的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型與參數(shù)確定

模型尺寸為300 m×160 m×70 m。地下連續(xù)墻寬度為1 m，盾構(gòu)隧道管片厚度為0.3 m。為了方便建模，基坑1與基坑3的長(zhǎng)×寬均為100 m×14 m，面積為1 400 m2;基坑2長(zhǎng)×寬為100 m×24 m，面積為2 400 m2。模型側(cè)面約束相應(yīng)法向方向的位移，模型底面約束X、Y、Z軸三個(gè)方向位移，頂面邊界為自由邊界。

圖3 數(shù)值模型

土體采用摩爾庫(kù)倫理想彈塑性本構(gòu)模型，具體參數(shù)如表1所示，土體力學(xué)參數(shù)按勘察報(bào)告建議值選取。盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)與地下連續(xù)墻采用線彈性模型，地下連續(xù)墻取C30混凝土，密度為25 g/cm3，模量為30 GPa，盾構(gòu)隧道管片取C50混凝土，密度為25 g/cm3，模量為34.5 GPa，混凝土力學(xué)參數(shù)按相關(guān)規(guī)范選取。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2.2 基坑開(kāi)挖與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法

盾構(gòu)與基坑施工模擬方法:盾構(gòu)施工管片采用實(shí)體單元，掌子面施加推力略小于該位置初始土壓力，進(jìn)行開(kāi)挖，管片實(shí)體單元跟進(jìn)，與開(kāi)挖掌子面相距10m，形成盾構(gòu)隧道地層，基于此，進(jìn)行上部基坑開(kāi)挖施工。在上部基坑開(kāi)挖施工中，先進(jìn)行維護(hù)樁的施工模擬，然后，開(kāi)挖兩側(cè)基坑1與基坑3，并施作構(gòu)筑物，最后，開(kāi)挖中間基坑2，并施作構(gòu)筑物。

2.3 既有隧道結(jié)構(gòu)變形分析

三個(gè)平行基坑施工采用先兩側(cè)后中間開(kāi)挖與構(gòu)筑物施作方式。其開(kāi)挖引起既有盾構(gòu)隧道隆起變形分析如圖4所示。

圖4 基坑群開(kāi)挖與構(gòu)筑物施作引起盾構(gòu)隧道豎向變形

當(dāng)基坑1與基坑3同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大豎向隆起變形位置在各個(gè)基坑底部中段，最大值為3.85 mm，如圖4(a)。當(dāng)基坑1與基坑3結(jié)構(gòu)施作后，其最大豎向變形有所減小，最大值為2.05 mm，如圖4(b)。當(dāng)開(kāi)挖基坑2時(shí)，由于基坑2相對(duì)基坑1與基坑3的面積與深度較大，所以基坑開(kāi)挖引起的隧道最大豎向隆起變形發(fā)生在基坑2的中段，最大值為9.78 mm，如圖4(c)。基坑2的結(jié)構(gòu)施作后，基坑2中段的最大豎向變形為6.36 mm?；尤合葍蓚?cè)后中間開(kāi)挖與構(gòu)筑物施作過(guò)程引起的下伏既有隧道的豎向變形如圖5，表明基坑群采用不同步開(kāi)挖將有利于減小對(duì)下伏既有隧道的影響。

2.4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地層變形分析

基坑開(kāi)挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地層變形分析如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)基坑1與基坑3同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，基坑底部產(chǎn)生較小的隆起變形，最大值為5.66 mm，如圖5(a)。當(dāng)基坑1與基坑3結(jié)構(gòu)施作后，其隆起變形有所減小，最大值為3.24 mm，如圖5(b)。當(dāng)開(kāi)挖基坑2時(shí)，由于基坑2相對(duì)基坑1與基坑3的面積與深度較大，所以開(kāi)挖引起的基坑底部隆起較大變形，最大值為12.47 mm，如圖5(c)。當(dāng)基坑2的結(jié)構(gòu)施作后，基坑2的隆起變形有所減小，最大值為8.36 mm。

圖5 基坑群開(kāi)挖與構(gòu)筑物施作引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地層豎向變形

3 地鐵隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)與安全評(píng)價(jià)分析

3.1 地鐵隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

地鐵隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)為［14－15］:

(1)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)沉降量及水平位移量不大于20 mm;

(2)隧道變形曲線的曲率半徑不小于15 000 m;

(3)相對(duì)彎曲不大于1/2500;

(4)收斂變形小于20 mm;

(5)滿足地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)自身預(yù)留徑向沉降不超過(guò)50 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 地鐵隧道變形安全評(píng)價(jià)分析

由上述分析可知，基坑1與基坑3卸載面積較小，引起的盾構(gòu)隧道隆起位移較小，當(dāng)后開(kāi)挖的基坑2施工時(shí)，引起的盾構(gòu)隧道隆起位移最大，基坑2卸載面積較大，所以，針對(duì)基坑2開(kāi)挖引起的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)隆起位移進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析。如圖6所示，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)隆起影響范圍依據(jù)曲線的反彎點(diǎn)確定，可知該基坑開(kāi)挖引起的最大影響范圍為120 m，最大位移為9.8 mm。依據(jù)隧道變形曲率半徑經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:R為曲率半徑;L為影響范圍;smax為最大位移。

依據(jù)公式(1)可知，隧道變形曲率半徑為9 1836 m，不小于15 000 m，同時(shí)，隧道最大隆起量為9.8 mm，小于20 mm，可以認(rèn)為該基坑施工引起隧道變形在合理范圍之內(nèi)。

圖6 基坑2開(kāi)挖引起的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)隆起位移

4 結(jié)論

針對(duì)黃土地區(qū)基坑群開(kāi)挖對(duì)某地鐵2號(hào)線下伏既有盾構(gòu)隧道影響及其安全評(píng)價(jià)等問(wèn)題，運(yùn)用FLAC3D有限差分法數(shù)值軟件，結(jié)合場(chǎng)地的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，建立三維數(shù)值模型，進(jìn)行施工過(guò)程的數(shù)值模擬與既有線路安全評(píng)價(jià)。主要得出以下結(jié)論:

(1)三個(gè)平行基坑開(kāi)挖采用先兩側(cè)后中間開(kāi)挖與構(gòu)筑物施作的不同步施工，相對(duì)于同步開(kāi)挖將有利于減小對(duì)下伏既有隧道的影響。

(2)依據(jù)實(shí)際工程的黃土地層結(jié)構(gòu)與力學(xué)參數(shù)，分析黃土地區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)下伏既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)隆起變形，評(píng)價(jià)了不同施工階段的既有盾構(gòu)隧道隆起變形，認(rèn)為這種工法與加固措施滿足既有盾構(gòu)隧道變形控制要求。

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