淺談深基坑施工對(duì)臨近既有地鐵盾構(gòu)隧道的影響研究

劉鵬

【摘要】在地鐵隧道周圍實(shí)施的深基坑施工勢必對(duì)基坑相鄰盾構(gòu)區(qū)間隧道產(chǎn)生影響。為了能夠更準(zhǔn)確的了解深基坑施工對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道的影響程度，本文以杭州地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間為背景，采用數(shù)值模擬方法，并考慮深基坑開挖的施工過程與各種加固措施，模擬了基坑施工對(duì)相鄰既有盾構(gòu)區(qū)間的影響，探討深基坑開挖對(duì)緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道影響的控制措施，以期為類似工程提供一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】深基坑 既有盾構(gòu)區(qū)間 三維數(shù)值分析

一、引言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，較多的基坑工程會(huì)不可避免地在地鐵結(jié)構(gòu)沿線進(jìn)行施工，而基坑施工是一項(xiàng)很復(fù)雜的工程，它會(huì)引起周圍地層初始應(yīng)力發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致緊鄰的地鐵結(jié)構(gòu)受力和變形發(fā)生改變。【1】而地鐵車站和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)是對(duì)變形要求極為嚴(yán)格的地下結(jié)構(gòu)物。深基坑緊鄰既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間是一項(xiàng)難度較高的工程，為減少基坑施工對(duì)已成型的地鐵盾構(gòu)隧道的影響，確保既有隧道的安全，本文以杭州某深基坑南側(cè)緊鄰已經(jīng)建成的地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道作為背景，采用有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型，對(duì)基坑施工的全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。研究深基坑工程施工對(duì)緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道的影響，探討深基坑開挖對(duì)緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道影響的控制措施，可為類似工程提供一定的借鑒意義。

二、工程概況

杭州某深基坑工程呈長條形，平面尺寸約為251×75m，基坑的開挖深度為12.56m，局部電梯井深坑來挖深度為15.06m。基坑南側(cè)為地鐵1號(hào)線已經(jīng)建成但尚未運(yùn)營的地鐵盾構(gòu)隧道，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)邊線距離盾構(gòu)隧道管片外皮的距離為8.25m。，區(qū)間盾構(gòu)線與基坑的位置關(guān)系詳見圖1，

場地地層的主要物理參數(shù)見表1所示。

三、有限元模擬分析

3.1 三維模型建立及內(nèi)容

盾構(gòu)隧道的變形要求極其嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)絕對(duì)最大位移不能超過20mm，變形曲線的曲率半徑不小于15000m，相對(duì)彎曲不大于1/2500。為保護(hù)地鐵盾構(gòu)隧道的安全，選取深基坑、相鄰隧道、隧道周邊土體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。深基坑寬72米，長248米，盾構(gòu)區(qū)間隧道距離深基坑外邊4.18米，盾構(gòu)隧道外徑為3.1米，兩盾構(gòu)隧道中心間距為15米。

采用空間數(shù)值模型，土體采用彈塑性三維元模型，屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb；基坑圍護(hù)墻、車站主體等采取板殼單元模型模擬，混凝土支撐、格構(gòu)柱、盾構(gòu)隧道等采取梁柱單元模型模擬，采用線彈性屈服準(zhǔn)則【2】。模型底部施加橫向及豎向約束，兩側(cè)施加橫向約束，約束盡量符合真實(shí)受力情況。接地彈簧采用受壓彈簧。本計(jì)算模型地下水位取為地面下0.5m。本計(jì)算模型未考慮坑外降水作用。主要計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力、控制中心基坑開挖對(duì)相鄰盾構(gòu)區(qū)間的影響即產(chǎn)生的附加彎矩及位移?！?】

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

（1）基坑開挖變形

本基坑平面尺寸較大，混凝土支撐受溫度變形影響較大，基坑開挖采用增量法進(jìn)行分析，開挖完成后基坑位移變形如圖3所示。

計(jì)算結(jié)果表明：考慮支撐溫度影響后圍護(hù)墻體最大位移值發(fā)生在基坑變形中，約為30毫米。可考慮適當(dāng)采用坑外降水減少土體壓力以控制變形。

（2）基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

基坑開挖使圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻產(chǎn)生內(nèi)力，基坑較大，空間效應(yīng)明顯，以下為計(jì)算兩個(gè)方向的彎矩值，如圖4、圖5所示：

從上述圖中可以看出在支撐處地下連續(xù)墻內(nèi)的應(yīng)力較大，存在應(yīng)力集中的情況?？臻g模型與常規(guī)的平面計(jì)算模型不同，彎矩值在墻體橫向、豎向都各處不等，云圖狀分布。圍護(hù)墻正、負(fù)最大彎矩絕對(duì)值在900～2300KNm左右。平面計(jì)算模型中基坑變形較小，為22mm，彎矩較小，800～1900KN。平面模型中將間距7～8米的鋼筋混凝土支撐簡化成每米的支撐剛度進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)了地下連續(xù)墻在橫向的變形都相等，而實(shí)際上地下連續(xù)墻橫向變形不等，在有支撐處地下連續(xù)墻變形較小，在無支撐處變形較大?？臻g模型較真實(shí)地反映了圍護(hù)體系的工作受力情況。

由圖7可看出，在臨近地下連續(xù)墻處混凝土支撐軸力較大，最大標(biāo)準(zhǔn)值約3800KN。

（3）深基坑開挖對(duì)盾構(gòu)區(qū)間的影響

由于相鄰隧道左線及右線與深基坑凈距較小，基坑開挖對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道存在較大影響。如圖8和圖9：

盾構(gòu)隧道隨基坑開挖產(chǎn)生縱向變形，側(cè)壁最大位移約18mm。隧道收斂發(fā)生變化，約0.0185-0.015=0.0028m=2.8mm。

因此按照目前盾構(gòu)隧道周圍土體未加固的情況下，深基坑開挖不能滿足地鐵運(yùn)營要求。但尚可以滿足未運(yùn)營隧道的要求：任意點(diǎn)的附加位移和沉降≤20mm。同時(shí)，基坑開挖對(duì)盾構(gòu)隧道產(chǎn)生了附加彎矩，最大附加彎矩為52KNm。如圖10和圖11所示：

基坑開挖對(duì)隧道影響評(píng)估及建議：深基坑開挖對(duì)盾構(gòu)隧道影響較大，應(yīng)在基坑開挖時(shí)對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)控量測情況進(jìn)行開挖施工。根據(jù)監(jiān)測情況及隧道的現(xiàn)狀情況，建議根據(jù)監(jiān)控量測情況，在位移較大的部位采用八點(diǎn)預(yù)應(yīng)力支撐進(jìn)行隧道內(nèi)支撐。支撐系統(tǒng)采用圖12所示，支撐布置位置采取圖13所示。

支撐每5環(huán)設(shè)置一道，西側(cè)30環(huán)范圍內(nèi)共設(shè)6環(huán)。東側(cè)15米范圍內(nèi)，共設(shè)3道。根據(jù)監(jiān)測情況有可能增加設(shè)置。同時(shí)建議對(duì)隧道進(jìn)行二次注漿。隔一環(huán)注一環(huán)，對(duì)隧道進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)根據(jù)監(jiān)測情況補(bǔ)充注漿措施。

四、結(jié)論

1、深基坑開挖對(duì)相鄰地鐵車站及區(qū)間產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測情況實(shí)時(shí)跟進(jìn)，尤其對(duì)地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，嚴(yán)格控制隧道變形及收斂值。臨近隧道處的基坑開挖變形控制為本工程的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

2、地鐵運(yùn)營時(shí)間對(duì)控制中心基坑施工起到控制作用。建議基坑趕在地鐵運(yùn)營之前盡快施工。

3、建議適當(dāng)增加坑外降水減少基坑變形。工期安排上提前施工盾構(gòu)隧道兩側(cè)基坑，盡快施工完主體結(jié)構(gòu)，縮短基坑暴露時(shí)間，盡量減少基坑變形。建議基坑開挖前即對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿

4、建議在平面計(jì)算模型的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大配筋量，考慮鋼筋混凝土支撐的空間影響。建議根據(jù)監(jiān)控量測情況對(duì)盾構(gòu)隧道內(nèi)增設(shè)預(yù)應(yīng)力內(nèi)支撐。

參考文獻(xiàn)：

【1】包鶴立等.深基坑開挖對(duì)相鄰已建地鐵車站的影響分析.現(xiàn)代隧道技術(shù).2007年增刊

【2】張明遠(yuǎn).基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道變形的影響研究. 巖土力學(xué).2011.3

【3】戚科俊等.臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2005.10