深基坑開挖施工對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)受力性狀的影響

陳 濤，黃亞德，李更召，翟 超，范鵬程

(天津市勘察院， 天津 300191)

目前，我國很多城市已建成地鐵線路并投入使用，隨著地鐵運(yùn)營里程的不斷增加，新建工程與既有地鐵結(jié)構(gòu)相鄰近的情況時常出現(xiàn)[1-3]，作為現(xiàn)代城市重要的交通工具，地鐵結(jié)構(gòu)的安全性倍受關(guān)注。基坑開挖、堆載等因素可能導(dǎo)致鄰近地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，從一定程度上影響地鐵線路的安全運(yùn)營[4-9]。

現(xiàn)有已運(yùn)營地鐵結(jié)構(gòu)多采用預(yù)制混凝土管片和高強(qiáng)度螺栓連接的盾構(gòu)隧道，對變形要求非常嚴(yán)格。過大的變形可能會導(dǎo)致隧道管片結(jié)構(gòu)裂縫、滲漏水、道床脫空、錯臺等病害[10-12]，進(jìn)而可能產(chǎn)生管片的異常變形而造成損壞，改變其受力狀況。

針對基坑開挖施工對運(yùn)營地鐵線路安全性的影響，國內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。王立峰等[13]考慮基坑分塊開挖的時間效應(yīng)的影響，通過建立基坑和隧道位移擬合公式，對鄰近地鐵隧道的水平、豎向位移進(jìn)行分析。孫超等[14]利用MIDAS/GTS NX有限元軟件對基坑開挖后地鐵隧道的變形進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析隧道管片的受力狀態(tài)，對隧道的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行研究。鄭剛等[15]利用深基坑監(jiān)測實(shí)測資料，對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進(jìn)行研究，總結(jié)建立了坑外隧道變形影響區(qū)。徐長節(jié)等[16]采用ABAQUS數(shù)值模擬法和規(guī)范角點(diǎn)法對新建基坑下臥隧道的變形及應(yīng)力進(jìn)行對比分析，以評價(jià)對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

本文以天津某鄰近新建深基坑工程的既有地鐵結(jié)構(gòu)為背景，結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析法，對隧道設(shè)計(jì)狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)的受力情況進(jìn)行模擬，通過反演分析隧道結(jié)構(gòu)、螺栓及鋼筋的受力分布狀況，分析鄰近施工對地鐵結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)影響程度，能夠?qū)笃谑┕ぬ岢龊侠斫ㄗh。

1 工程概況

項(xiàng)目位于天津市區(qū)，處于南側(cè)既有地鐵線路的保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，基坑面積約88 000 m2，周長約1 280 m，為了控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及保護(hù)既有地鐵結(jié)構(gòu)，基坑采用分區(qū)開挖的施工方式，分一、二、三期進(jìn)行開挖施工，其中，二、三期距離地鐵結(jié)構(gòu)較近，其地下室距離地鐵結(jié)構(gòu)最近距離分別約為17.8 m、9.0 m，地下為整體兩層地下室(局部四層地下室)，開挖深度約15.95 m，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，東、南、西三側(cè)鄰近市政道路，北側(cè)緊鄰既有地鐵線路，基坑與地鐵結(jié)構(gòu)平面、剖面位置關(guān)系見圖1、圖2。

圖1 基坑與地鐵結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系圖

圖2基坑與地鐵結(jié)構(gòu)剖面位置關(guān)系圖

基坑北側(cè)距離地鐵結(jié)構(gòu)較近的地段采用地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，其余三側(cè)采用鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕的圍護(hù)形式。由于本工程屬超大面積深基坑，止水帷幕需隔斷深部承壓水，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)整體采用水泥土地下連續(xù)墻作為止水帷幕。一期地下室采用兩道水平鋼筋混凝土支撐體系，二期和三期地下室距離地鐵站及線路相對較近，均采用三道水平鋼筋混凝土支撐體系。由于三期距離地鐵結(jié)構(gòu)較近，必要時考慮注漿糾偏。目前，一、二期工程已施工完畢，三期工程第一步土方開挖施工完畢，此時，鄰近基坑的地鐵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏水、裂縫、錯臺等病害，考慮到對地鐵結(jié)構(gòu)安全性的影響，此時現(xiàn)場停止施工，結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對地鐵結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行評估，以指導(dǎo)后續(xù)施工。

2 管片變形檢測

斷面輪廓下行線、上行線各選取10組斷面進(jìn)行檢測，輪廓水平最大距離和檢測實(shí)際值對比情況見表1。

由表1可以看出，下行線管片835號到885號范圍內(nèi)隧道斷面最大水平距離相對較大，相對設(shè)計(jì)值外擴(kuò)量均超過2 cm，最大值出現(xiàn)于管片885號位置，超出設(shè)計(jì)值2.296 cm。上行線管片835號到875號范圍內(nèi)隧道斷面最大水平距離相對較大，相對設(shè)計(jì)值外擴(kuò)量均超過1 cm，最大值出現(xiàn)于管片865號位置，超出設(shè)計(jì)值1.958 cm。下行線、上行線輪廓水平最大距離和檢測實(shí)際值對比情況分別見圖3、圖4。

3 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、螺栓、鋼筋受力有限元數(shù)值模擬分析

采用ABAQUS有限元數(shù)值方法，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬隧道設(shè)計(jì)狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)下的受力情況，對隧道結(jié)構(gòu)、螺栓、鋼筋受力狀態(tài)進(jìn)行分析。

表1 隧道斷面輪廓水平最大距離與實(shí)際值對比表

圖3 下行線隧道斷面輪廓最大水平距離與設(shè)計(jì)值對比圖

圖4上行線隧道斷面輪廓最大水平距離與設(shè)計(jì)值對比圖

3.1 計(jì)算模型

(1) 模型建立。采用荷載-結(jié)構(gòu)法建立三維有限元模型見圖5。隧道管片考慮5環(huán)，環(huán)寬1.2 m，約束模型前后兩端縱向位移。隧道結(jié)構(gòu)采用六面體實(shí)體單元模擬，螺栓與鋼筋采用梁單元模擬。管片之間采用摩擦接觸，通過螺栓連接，并采用地層彈簧模擬地層抗力。

隧道管片采用ABAQUS提供的混凝土損傷模型，隧道管片、螺栓及鋼筋參數(shù)見表2。管片間螺栓為M30、5.8級高強(qiáng)螺栓，鋼筋型號為HRB335，考慮塑性階段，施加在隧道結(jié)構(gòu)的荷載見圖6。

圖5 隧道模型

圖6施加荷載

(2) 計(jì)算工況。① 工況1：當(dāng)前狀態(tài)(水平外擴(kuò)2.296 cm)下隧道結(jié)構(gòu)、鋼筋、螺栓受力分析。根據(jù)現(xiàn)場檢測，相對于設(shè)計(jì)值，隧道外擴(kuò)最大值出現(xiàn)在885號管片，超出設(shè)計(jì)值2.296 cm。通過調(diào)節(jié)地層彈簧參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)反演，使得隧道水平外擴(kuò)量為2.296 cm，分析此時隧道結(jié)構(gòu)受力、鋼筋、螺栓受力情況。 ② 工況2：根據(jù)現(xiàn)場檢測情況，由于隧道左右側(cè)壁水平位移不同，導(dǎo)致隧道有外擴(kuò)現(xiàn)象，外擴(kuò)量最大為0.404 cm。因此在工況1的基礎(chǔ)上，通過釋放隧道兩側(cè)荷載以模擬隧道水平位移，計(jì)算外擴(kuò)量為0.404 cm時隧道結(jié)構(gòu)受力、鋼筋、螺栓受力情況。

(3) 參數(shù)反演。圖7(a)是通過調(diào)整地層彈簧參數(shù)得到的工況1情況下的隧道水平方向位移，兩側(cè)位移分別是+1.22 cm和-1.09 cm，水平向收斂為2.31 cm。圖7(b)中兩側(cè)位移分別是+1.54 cm和-1.21 cm，水平向收斂2.75 cm。

圖7水平位移計(jì)算值

表3給出了數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場檢測對比，可見數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測吻合較好。通過反演得到的地層彈簧參數(shù)為法向彈簧剛度1.2×105N/m，切向彈簧剛度1.5×105N/m。

3.2 結(jié)果分析

(1) 隧道結(jié)構(gòu)受力分析。圖8為隧道拱頂內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力分布。由圖8可見，由于隧道發(fā)生豎向收斂變形，拱頂內(nèi)側(cè)混凝土受拉應(yīng)力，工況1拱頂內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力為2.43 MPa，小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度極限值3.1 MPa，混凝土不會發(fā)生受拉破壞；工況2拱頂內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力2.98 MPa，同樣小于混凝土抗拉強(qiáng)度極限值，混凝土不會發(fā)生受拉破壞。

表3 數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場檢測對比表

圖8拱頂內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力

圖9為隧道拱腰外側(cè)最大主應(yīng)力分布。由圖9可見，工況1拱腰外側(cè)混凝土最大拉應(yīng)力為2.42 MPa，工況2拱腰外側(cè)混凝土最大拉應(yīng)力為2.45 MPa，兩種工況下混凝土最大拉應(yīng)力均小于極限抗拉強(qiáng)度，混凝土不會受拉破壞。

(2) 螺栓受力分析。圖10和圖11分別為環(huán)向螺栓和縱向螺栓軸向應(yīng)力分布圖。管片間環(huán)向螺栓為M30、5.8級高強(qiáng)螺栓，屈服應(yīng)力400 MPa。由圖10可見，工況1環(huán)向螺栓最大拉應(yīng)力為216.8 MPa，工況2環(huán)向螺栓最大拉應(yīng)力為238.4 MPa，均小于螺栓的屈服強(qiáng)度，未發(fā)生屈服。由于工況1水平方向外擴(kuò)量為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)外擴(kuò)量最大的情況，說明監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)向螺栓均未進(jìn)入屈服狀態(tài)。

圖9 拱腰外側(cè)最大主應(yīng)力

圖10環(huán)向螺栓應(yīng)力分布

管片間縱向螺栓為M30、5.8級高強(qiáng)螺栓，屈服應(yīng)力400 MPa。由圖11可見，工況1縱向螺栓最大拉應(yīng)力為68.3 MPa，工況2環(huán)向螺栓最大拉應(yīng)力為65.3 MPa，均小于螺栓的屈服強(qiáng)度。由于工況1水平方向外擴(kuò)量為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)外擴(kuò)量最大的情況，說明監(jiān)測區(qū)域內(nèi)縱向螺栓均未進(jìn)入屈服狀態(tài)。

圖11縱向螺栓應(yīng)力分布

(3) 鋼筋受力分析。圖12為管片內(nèi)鋼筋最大主應(yīng)力分布。管片內(nèi)鋼筋型號為HRB335，屈服應(yīng)力為335 MPa，由12可見，工況1鋼筋最大拉應(yīng)力為236.0 MPa，工況2鋼筋最大拉應(yīng)力為275.6 MPa，兩種工況鋼筋受力均小于屈服應(yīng)力，兩種工況下鋼筋均未發(fā)生屈服。

圖12鋼筋應(yīng)力分布

結(jié)合以上分析，隧道目前狀態(tài)為：混凝土拉應(yīng)力小于極限抗拉強(qiáng)度不會受拉破壞，環(huán)向螺栓和縱向螺栓均未發(fā)生屈服，鋼筋也未發(fā)生屈服。

4 結(jié) 論

本文以天津某鄰近基坑工程的既有地鐵線路為例，采用ABAQUS有限元分析方法，對隧道結(jié)構(gòu)、螺栓及鋼筋受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究隧道結(jié)構(gòu)的受力變化情況，從而對地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀況進(jìn)行評估，得出以下結(jié)論：

(1) 需根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，同時考慮隧道左右側(cè)壁水平位移的不同，按照不同的隧道斷面輪廓相對設(shè)計(jì)值外擴(kuò)量分為不同工況對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力性狀進(jìn)行分析研究。

(2) 隧道拱頂內(nèi)側(cè)、拱腰外側(cè)混凝土拉應(yīng)力、環(huán)向及縱向螺栓軸向應(yīng)力、鋼筋受力因隧道斷面輪廓水平最大距離相對設(shè)計(jì)值外擴(kuò)量的不同而不同，兩種工況下混凝土拉應(yīng)力均小于極限抗拉強(qiáng)度，混凝土不會受拉破壞，螺栓未進(jìn)入屈服狀態(tài)，鋼筋也未發(fā)生屈服。

(3) 鄰近基坑的施工導(dǎo)致既有地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，并且隨著施工的進(jìn)行，地鐵結(jié)構(gòu)由于位移的變化可能會出現(xiàn)滲漏水、錯臺等病害，一定重視現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，及時對地鐵結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行評估，對基坑施工及時作出調(diào)整，對地鐵病害進(jìn)行相應(yīng)處理，以確保鄰近地鐵線路的正常運(yùn)營。

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