下沉廣場開挖對下臥地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道的影響

張　明，李晶晶，趙玉如

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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下沉廣場開挖對下臥地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道的影響

張明，李晶晶，趙玉如

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著地鐵等地下設(shè)施的完善，地鐵或地鐵聯(lián)絡(luò)線上方大面積深基坑開挖問題出現(xiàn)，評價和預(yù)測基坑開挖對其下臥地鐵隧道的影響成為亟待解決的問題.針對地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道下穿下沉廣場等施工條件，結(jié)合下沉廣場基坑開挖工程，采用Boussinesq解和Mindlin解計算廣場開挖卸載產(chǎn)生的附加應(yīng)力，用分層總和法計算下臥聯(lián)絡(luò)線隧道的回彈位移.計算結(jié)果表明，Boussinesq解和Mindlin解的計算結(jié)果相差不大，Boussinesq解更安全一些，計算地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道頂部、底部中心線處最大回彈位移分別為13.8 mm和3.5 mm，滿足軌道豎向變形要求，聯(lián)絡(luò)線隧道軌頂面回彈位移計算值與實測值較為吻合，證實了該計算方法的合理性.

地鐵聯(lián)絡(luò)線；下沉廣場；回彈位移；基坑；Boussinesq解；Mindlin解

隨著城市地下工程建設(shè)的逐步興起，地鐵等地下設(shè)施紛紛建成并投入使用.目前，北京、上海、廣州、香港等城市已形成較完善的地鐵體系.在地鐵周圍施工的各類建筑，會對已建地鐵或地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道結(jié)構(gòu)受力造成影響，地鐵或地鐵聯(lián)絡(luò)線上方大面積深基坑開挖就是其中之一.基坑開挖導(dǎo)致基坑影響范圍內(nèi)的巖土體應(yīng)力釋放，打破了原有的力學(xué)平衡，致使基坑周圍的巖土體發(fā)生位移，基坑底部土體向上隆起，帶動這些土體中的地鐵隧道產(chǎn)生回彈位移，影響地鐵或地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道的運營安全.國內(nèi)外關(guān)于如何預(yù)測和評價基坑開挖引起地鐵或地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道變形方面的研究主要包括3個方面：①理論分析.劉純潔[1]、劉國彬等[2]利用軟土基坑隆起變形的殘余應(yīng)力法與軟土卸荷模量，研究探討了基坑工程下已建隧道的上抬變形；陳郁等[3]利用Mindlin彈性半空間應(yīng)力解，通過彈性地基梁理論得到了基坑開挖引起隧道任意點的位移情況.②數(shù)值模擬.高廣遠(yuǎn)等[4]、胡恒等[5]、楊德春等[6]、高盟等[7]采用FLAC軟件建立了模擬基坑開挖的數(shù)值模型，分析了鄰近地鐵深基坑開挖引起鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形.③原型監(jiān)測案例分析.孔令榮等[8]、況龍川等[9-10]以原型案例分析為基礎(chǔ)，對鄰近地鐵隧道的基坑開挖引起的隧道變形進行了監(jiān)測，探討了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響.針對上述問題，結(jié)合實際工程，通過計算預(yù)測了某下沉廣場開挖施工引起的基坑底部與頂部及下臥地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道底部與頂部的回彈變形，分析了下沉廣場開挖施工對臨近地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道的影響，結(jié)果可作為工程設(shè)計與施工的依據(jù).

1　工程概況

1.1工程概述

深圳市中心區(qū)中心廣場及南中軸景觀工程位于深圳市福田區(qū)中部，北接深圳市民中心，南臨會展中心，東臨金田路，西接益田路，深南大道橫穿場地，項目占地面積約456 000 m2，包括市民廣場、水晶島、南廣場、南一區(qū)、南二區(qū)等5個地塊.中心廣場是深圳市中心區(qū)中軸線公共空間系統(tǒng)重要的組成部分，是中心區(qū)從行政文化區(qū)到商務(wù)區(qū)的過渡，位于深圳經(jīng)濟特區(qū)的地理中心.南中軸既是中軸線公共空間系統(tǒng)的重要組成部分，又是中心區(qū)商務(wù)CBD的中心.

該項目場地包括4座人行天橋和2個下沉廣場(市民廣場、南廣場)，地鐵4號線和地鐵1號線的西北聯(lián)絡(luò)線從南廣場下沉廣場的地下通過.因下沉廣場施工開挖(從標(biāo)高+7.0 m開挖到-2.7 m)造成聯(lián)絡(luò)線隧道上覆土層厚度減少，地鐵隧道周圍的巖土體發(fā)生了回彈變形，預(yù)估下沉廣場開挖可能造成地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道圍巖回彈變形，所以評價影響隧道結(jié)構(gòu)安全的問題非常重要.

1.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，本工程場地原屬沖洪積階地-剝蝕殘丘地貌單元.下沉廣場開挖后，基坑底以下的土層自上而下分為5層：①第四系中更新統(tǒng)殘積層.礫質(zhì)黏土，由粗?；◢弾r風(fēng)化殘積而成，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，稍濕-濕，可塑-硬塑，干強度高，層厚3.0～16.1 m.②燕山期侵入花崗巖.全風(fēng)化花崗巖，層厚2.0～6.0 m，層頂標(biāo)高-19.93～-9.8 m.③燕山期侵入花崗巖.強風(fēng)化花崗巖，層厚3.5～10.0 m，層頂標(biāo)高-25.43～-12.30 m.④燕山期侵入花崗巖.中風(fēng)化花崗巖，層厚1.5～3.0 m，層頂標(biāo)高-35.43～-18.77 m.⑤燕山期侵入花崗巖.微風(fēng)化花崗巖，層厚1.0～3.5 m，層頂標(biāo)高-36.93～-21.77 m.

場區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于第四系礫砂層，屬潛水類型，地下水較豐富，基巖中有少量基巖裂隙水，略具承壓性，其混合穩(wěn)定水位埋深為1.2～2.1 m，標(biāo)高4.50～5.80 m.

2　計算模型及參數(shù)

各土層壓縮模量采用舒爾茨-梅經(jīng)巴赫的經(jīng)驗公式[11]：

Es=4.0+c(N63.5-6), N63.5>15，

(1)

Es=c(N63.5+6), N63.5<15，

(2)

式中：N63.5為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；c為經(jīng)驗系數(shù)，不同土類的取值見表1.回彈模量根據(jù)經(jīng)驗取3倍的壓縮模量，計算厚度取至全風(fēng)化花崗巖頂層，初步估算該層以下回彈量很小.計算采用的巖土力學(xué)參數(shù)如表2所示.

表1　不同土類的c值

表2　計算采用的巖土力學(xué)參數(shù)

計算模型幾何尺寸如圖1所示.本次計算沒有考慮地鐵隧道和周圍巖土體的相互作用，假設(shè)巖土體為各向同性均質(zhì)體，地基回彈位移計算采用分層總和法，開挖過程中假定場地內(nèi)地下水降至基坑底面以下，地基內(nèi)因卸載產(chǎn)生的附加應(yīng)力采用Boussinesq解和Mindlin解兩種計算方法.計算模型和各計算點位置如圖2所示.圖2中十交叉字點為地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道位移計算點，網(wǎng)格各交點也為位移計算點.對于聯(lián)絡(luò)線隧道，其計算范圍取至超出下沉廣場外邊界30 m.根據(jù)設(shè)計資料，原場地標(biāo)高為+7.0 m，故最大開挖深度至標(biāo)高-2.7 m，取開挖深度為9.7 m.

圖1　計算模型幾何尺寸(單位：m)Fig.1　Geometry size of calculation model(unit：m)

圖2　計算模型(單位：m)Fig.2　Calculation model (unit：m)

3　下沉廣場開挖引起地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道的回彈位移

3.1基坑底部的回彈位移

采用Boussinesq解和Mindlin解計算基坑底部(標(biāo)高-2.7 m)回彈位移云圖,分別如圖3和圖4所示.

圖3　基坑底部回彈位移云圖(Boussinesq解)Fig.3　Rebound displacement cloud graph on the bottom of pit foundation(Boussinesq solution)

圖4　基坑底部回彈位移云圖(Mindlin解)Fig.4　Rebound displacement cloud graph on the bottom of pit foundation(Mindlin solution)

由圖3與圖4可見，Boussinesq解計算基坑底部的最大回彈位移超出28 mm，Mindlin解計算基坑底部的最大回彈位移超出24 mm，兩種方法的結(jié)算結(jié)果相差不大.采用Boussinesq解(國家地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范淺基礎(chǔ)設(shè)計采用的方法)偏于安全，如不特別說明，則結(jié)果為采用Boussinesq解計算的結(jié)果.

3.2聯(lián)絡(luò)線隧道頂部與底部的回彈位移

采用Boussinesq解計算聯(lián)絡(luò)線隧道頂部(標(biāo)高-7.5 m)與底部(標(biāo)高-14.06 m)回彈位移等值線云圖，如圖5與圖6所示.需要說明的是，聯(lián)絡(luò)線隧道部分段的底部和頂部標(biāo)高小于上述兩個數(shù)值，為計算方便并偏于安全，統(tǒng)一取隧道底部標(biāo)高為-14.06 m，頂部標(biāo)高為-7.5 m，統(tǒng)一取此數(shù)值對計算結(jié)果影響不大.

圖5　聯(lián)絡(luò)線隧道頂部回彈位移等值線云圖Fig.5　Rebound displacement isoline cloud graph on the top of connecting line tunnel

圖6　聯(lián)絡(luò)線隧道底部回彈位移等值線云圖Fig.6　Rebound displacement isoline cloud graph on the bottom of connecting line tunnel

圖7和圖8為采用Boussinesq解計算聯(lián)絡(luò)線隧道頂部和底部中心線處回彈位移曲線.計算結(jié)果顯示，聯(lián)絡(luò)線隧道頂部中心線處巖土體的最大回彈位移為13.8 mm，聯(lián)絡(luò)線隧道底部中心線處巖土體的最大回彈位移為3.5 mm，可滿足軌道豎向最大變形±4 mm的要求.

圖7　聯(lián)絡(luò)線隧道頂部中心線回彈位移Fig.7　Rebound displacement of the centre line on the top of connecting line tunnel

圖8　聯(lián)絡(luò)線隧道底部(軌頂面)中心線回彈位移Fig.8　Rebound displacement of the centre line on the bottom of connecting line tunnel (on the top surface of metro track)

深圳市中心區(qū)南中軸景觀工程臨近的中心城地下室基坑施工時，遇到類似地下室基坑開挖對聯(lián)絡(luò)線隧道的影響問題.地下室基坑開挖深度為8.0 m，開挖后聯(lián)絡(luò)線隧道上覆土層厚度為3～6 m.為了防止上浮，在覆土層埋深小于4.0 m的地段進行井點降水，施工時對聯(lián)絡(luò)線隧道軌頂面沉降(隆起)進行了監(jiān)測，實測結(jié)果顯示聯(lián)絡(luò)線隧道軌頂面回彈隆起量為3～7 mm.上述計算預(yù)測的聯(lián)絡(luò)線隧道軌頂面回彈隆起量均在實測范圍內(nèi)，進一步證實了計算方法的適用性.

4　結(jié)論

(1)Boussinesq解和Mindlin解計算結(jié)果相差不大，Boussinesq解更安全一些.

(2)Boussinesq解計算地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道頂部、底部(軌底)最大回彈位移分別為13.8 mm和3.5 mm，可滿足軌道豎向最大變形±4 mm的要求.

(3)對該工程臨近地下室基坑施工下臥聯(lián)絡(luò)線隧道軌頂面回彈隆起量的監(jiān)測顯示，預(yù)測的聯(lián)絡(luò)線隧道軌頂面回彈隆起量在實測范圍內(nèi)，進一步證實了該預(yù)測方法的合理性.

[1]劉純潔.地鐵車站深基坑位移全過程控制與基坑鄰近隧道保護[D].上海：同濟大學(xué)，2000.

[2]劉國彬,黃院雄,侯學(xué)淵.基坑工程下已運行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(2):202-207.

[3]陳郁,李永盛.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的計算方法[J].地下空間與工程學(xué)報,2005(1):91-94.

[4]高廣遠(yuǎn),高盟,楊成斌,等.基坑施工對運營地鐵隧道的變形影響及控制研究[J].巖土工程學(xué)報,2010,32(3):453-459.

[5]胡恒,朱厚喜,賈立宏.基坑開挖對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響分析[J].巖土工程學(xué)報,2010,32(增刊1):116-119.

[6]楊德春,劉建國.地鐵隧道附近軟土深基坑設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2012,42(7):109-114.

[7]高盟,高廣運,馮世進,等.基坑開挖引起緊貼運營地鐵車站的變形控制研究[J].巖土工程學(xué)報,2008,30(6):818-823.

[8]孔令榮,崔永高,隋海波.基坑開挖對鄰近地鐵變形的影響分析[J].工程勘察,2010(6):15-20.

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

[10]況龍川,李智,殷宗澤.地下工程施工影響地鐵隧道的實測分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,40(增刊1): 79-82.

[11]工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

Analysis on rebound displacement of adjacent metro tunnels by the excavation for the underpass

ZHANG Ming, LI Jingjing, ZHAO Yuru

(College of Civil Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

With the improvement of underground facilities such as metro, the problems that large area deep foundation pit excavation above the metro and metro connecting line has appeared. It is an urgent problem to be solved for the evaluation and prediction some influences of foundation pit excavation construction on the underlying metro tunnel. Based on the sunken plaza excavation project, the construction condition of down-traversing the sunken plaza for metro connecting line tunnel was considered, and the additional stress caused by the sunken plaza excavation was calculated separately by Boussinesq and Mindlin solution method, and the rebound displacement of metro connecting line tunnel was calculated by the layer-wise summation method. The results are shown as follows: the calculation results for Boussinesq and Mindlin solution method has a tiny discrepancy, and the results for Boussinesq solution method is on the secure side. The maximum rebound displacement of the centre line on the top and bottom of metro connecting line tunnel are respectively 13.8 mm, 3.5 mm by Boussinesq solution method, which meet the requirements of vertical deformation for the urban track .The calculation results of rebound displacement are closely in compliance with the measured results on the top of connecting line tunnel, which confirms the rationality of the calculation methods.

metro connecting line; sunken plaza; rebound displacement; pit foundation; Boussinesq solution; Mindlin solution

2016-03-08

河南省科技發(fā)展計劃項目(122102310449)

張明(1979-)，男，湖北京山人，副教授，博士，主要從事城市地下空間的開發(fā)與安全評估方面的研究.

TU924

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1674-330X(2016)03-0038-04