基坑施工引起下方既有隧道隆起控制措施參數(shù)的影響分析

張萬照 董天軍 胡志敏 卜康正 張龍云

(1 中鐵南方投資集團有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

隨著城市快速建設(shè)，在地鐵保護區(qū)隧道上方的基坑工程項目數(shù)量大幅度增加。因此，研究地鐵隧道上方的基坑工程相關(guān)課題有著十分重要的實用價值。

劉國彬等[1，2]考慮基坑開挖后土體殘余應(yīng)力的影響，計算得到基坑卸載影響范圍內(nèi)土體的隆起量，并將其視為隧道隆起量；吉茂杰[3]考慮了基坑開挖時空效應(yīng)的影響，在前者基礎(chǔ)上計算得到更符合實際工程的隧道隆起量。但兩者均未考慮隧道剛度的影響，計算得到隧道隆起量與現(xiàn)實仍有較大偏差。

鑒于此，A t t e w el l 等[4]將地下隧道管線視為W ink l er 地基梁，計算分析了基坑開挖對下臥管線的影響。T a k agi 等[5]將A t t e w el l 法運用于W in k l er 地基梁，計算得到基坑開挖引起地下隧道管道隆起量。該簡化計算結(jié)果雖與實測值相差較小，但仍忽略了基坑降水等因素的影響，基坑開挖引起地下隧道管道位移的計算方法還需深入探究。

By un GW 等[6]通過試驗的手段，研究了基坑卸荷對下方既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形特點和規(guī)律；梁發(fā)云等[7]通過離心實驗對比分析了開挖大基坑與分塊開挖小基坑引起地鐵隧道位移與內(nèi)力的變化。

孔令榮等[8]整合并分析了前人基坑卸載引起相鄰隧道監(jiān)測結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，若隧道中軸線在坑底以上，隧道橫向位移較大，特別是當隧道中軸線與基坑側(cè)壁相距在4m 范圍以內(nèi)時，隧道橫向位移會隨著距離的縮小而大幅度增加。

黃兆緯等[9]利用有限元軟件，研究了地基加固、分塊開挖等控制措施的作用效果。研究結(jié)果說明，在這幾種控制隧道隆起的措施中，地基加固效果最明顯。

可見，在目前的工程建設(shè)和學(xué)術(shù)探討中，隧道上方開挖對地鐵隆起的影響一直是巖土工程行業(yè)中研究的重點。小豎井工法在深圳前海地下開發(fā)工程中，第一次成功應(yīng)用于控制隧道隆起。本文依托工程實例，通過數(shù)值模擬的手段，對小豎井工法的豎井寬度、加固形式、加固深度等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以期為地鐵保護區(qū)基坑的設(shè)計與施工提供借鑒。

1 工程概況

深圳市前海地區(qū)位于沿海區(qū)域，軟土層深厚，地質(zhì)條件復(fù)雜，近來建設(shè)開發(fā)強度高，因此已建工程極易受損。本文依托深圳市前海地下公路隧道工程，已建地鐵5、11 號線在其下方，地下公路隧道基坑采用明挖施工，坑底離地鐵11 號線隧道最近處為3.3m。原方案運用分層分塊開挖基坑，造成下方隧道隆起超過警戒值。后來首次運用小豎井工法開挖基坑，極大地減小了下臥隧道隆起，確保了隧道結(jié)構(gòu)安全。

豎井平面為矩形，豎井深度為6～12m，對于深度較大的豎井建設(shè)兩道中隔墻作支持，豎井平面布置見圖1所示。

小豎井主體結(jié)構(gòu)包括頂部鎖口圈結(jié)構(gòu)、井身圍護結(jié)構(gòu)、底部抗浮板，小豎井剖面如圖2 所示。

圖1 豎井平面布置圖

圖2 小豎井剖面圖

2 橫向?qū)挾茸兓挠绊?/h2>

利用Midas/gt s 有限元軟件對該工程項目進行模擬，土層參數(shù)數(shù)值取勘察報告中數(shù)值的平均值，具體如表1 所示。

整體模型橫向?qū)挒?10m，縱向長為160m，高度為35m?；涌拥讬M向?qū)挒?4m，縱向長為77m，兩側(cè)深度為10.4m，中部深度為7.5m，四周按1:1.5 放坡。每個小豎井橫向?qū)挒?5m，縱向長為5.5m，井深為10.4m，坑底與地鐵隧道中軸線距離為是7m，地鐵隧道管片外直徑為6m，厚度為0.3m。

其中，抗拔樁、鎖口圈梁、豎井圍護結(jié)構(gòu)、底板等結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，重度大小均取23.5k N/m3，彈性模量大小均取3×104M P a，泊松比均取0.22。地鐵隧道管片重度大小取24.5 k N/m3，彈性模量大小取3.45×104M P a，泊松比大小取0.22。

改變豎井橫向?qū)挾?，得到豎井橫向?qū)捵兓瘜λ淼缆∑鹱冃斡绊懙挠嬎憬Y(jié)果如圖3 所示。

圖3 豎井橫向?qū)捵兓瘜λ淼缆∑鹱冃斡绊?/p>

由圖3 可知，隧道隆起最大值出現(xiàn)在基坑中點，豎井橫向?qū)挾茸兓瘜ο路郊扔械罔F隧道隆起的影響范圍始終為0.8 倍的基坑縱向長度。在相同的卸土量和施工條件下，當豎井橫向?qū)挾却笥?1.5m 之后，隧道隆起量劇增，所以綜合考慮經(jīng)濟與豎井橫向?qū)挾茸兓挠嬎憬Y(jié)果，小豎井最佳橫向?qū)挾葢?yīng)在8.5～11.5m 之間為宜。

3 坑底加固方式變化的影響

按照圖4 改變坑底土體加固方式，得到坑底加固方式變化對隧道隆起變形影響的計算結(jié)果，如圖5 所示。

圖4 不同坑底加固方式

表1 巖土體參數(shù)

圖5 坑底加固方式變化對隧道隆起變形影響

由圖5 可知，3 種坑底加固方式下隧道最大隆起量為23.8mm、20.5mm、19.8mm，比不作坑底加固時隧道隆起量降低了15.7%，25.9%，27.8%，加固方式2 和3 的隧道隆起減少量接近。所以綜合考慮經(jīng)濟與坑底加固方式變化的計算結(jié)果，應(yīng)采用坑底加固方案2，即抽條加固，每條加固區(qū)域深4m，橫向?qū)?.75m，兩加固區(qū)域之間縱向相隔5.5m。

4 坑底加固深度的影響

在坑底全加固方式的基礎(chǔ)上，改變坑底加固深度，得到坑底加固深度變化對隧道隆起變形影響的計算結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 坑底加固深度變化對隧道隆起變形影響

由圖6 可知，在坑底全加固深度大于2m 以后，坑底全加固對隧道隆起變形的減少量大幅度減小，曲線趨于穩(wěn)定，所以綜合考慮工期與坑底加固深度變化的計算結(jié)果，坑底加固深度應(yīng)為2m。結(jié)合圖5 可得，坑底加固應(yīng)采取抽條加固，每條加固區(qū)域深2m，橫向?qū)?.75m，兩加固區(qū)域之間縱向相隔5.5m。

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，分析了豎井橫向?qū)挾茸兓?、坑地土體加固方式與加固深度變化對下方既有地鐵隧道隆起的影響，分析結(jié)果表明：

⑴隧道隆起最大值出現(xiàn)在基坑中點，豎井橫向?qū)挾茸兓瘜ο路郊扔械罔F隧道隆起的影響范圍始終為0.8倍的基坑縱向長度。在相同的卸土量和施工條件下，當豎井橫向?qū)挾却笥?1.5m 之后，隧道隆起量劇增，所以小豎井最佳橫向?qū)挾葢?yīng)在8.5～11.5m 之間為宜。

⑵3 種坑底加固方式下隧道最大隆起量，比不作坑底加固時隧道隆起量降低了15.7%，25.9%，27.8%，加固方式2 和3 的隧道隆起減少量接近；在坑底全加固深度大于2m 以后，坑底全加固對隧道隆起變形的減少量大幅度減小，曲線趨于穩(wěn)定。所以綜合考慮經(jīng)濟與坑底加固方式、坑底加固深度變化的計算結(jié)果，坑底加固應(yīng)采取抽條加固，每條加固區(qū)域深2m，橫向?qū)?.75m，兩加固區(qū)域之間縱向相隔5.5m?！?/p>