基坑開挖深度對(duì)鄰近地鐵隧道變形影響

胡金勝

天津三建建筑工程有限公司 天津 300000

1 概述

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，基坑鄰近已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的工程案例越來越多?；有逗杉笆┕_動(dòng)影響會(huì)破壞土層原有的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致變形增長(zhǎng)，繼而傳遞至鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)。地鐵隧道襯砌多為采用高強(qiáng)螺栓連接的預(yù)制混凝土管片，對(duì)變形又較為敏感。過大的變形會(huì)導(dǎo)致管片連接的張開、錯(cuò)臺(tái)、軌道翹曲變形，影響地鐵列車的運(yùn)行，嚴(yán)重甚至?xí)蚬芷g變形張開量過大造成漏水漏沙隧道發(fā)生大變形和損壞，危害地鐵的運(yùn)營(yíng)安全[1]。

2 基坑開挖深度對(duì)鄰近地鐵隧道變形影響

2.1 基坑及地鐵隧道區(qū)間概況

某工程處于北京市通州區(qū)運(yùn)河核心區(qū)，總用地面積28847m2，其中建設(shè)用地面積17815m2，擬建3棟寫字樓、1棟單身公寓，寫字樓地上23層，公寓地上24層，地下室均為3層?；哟笾鲁示匦危L(zhǎng)103．23m，寬42m。擬建場(chǎng)地地形較平坦，開挖深度16．76-17．76m，靠近地鐵隧道側(cè)的開挖深度較小，約16．76m。鄰近已運(yùn)營(yíng)的地鐵6號(hào)線二期工程通運(yùn)門站—北運(yùn)河站區(qū)間。隧道左線距離基坑較近，右線為遠(yuǎn)側(cè)，左右線隧道水平相距13m?；觽?cè)壁距離用地紅線4．0m，距離地鐵隧道管片19．5-21．0m?；优c地鐵相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵相對(duì)位置

2.2 鄰近地鐵側(cè)支護(hù)概況

此基坑支護(hù)為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為1年，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，鄰近地鐵隧道的基坑側(cè)壁支護(hù)深度16．76m，采用“樁錨支護(hù)體系”。護(hù)坡樁長(zhǎng)23．50m，樁徑800mm，樁間距1400mm，樁身混凝土為C25，樁身混凝土保護(hù)層厚50mm。樁間布置4道預(yù)應(yīng)力錨桿，既有地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道底部埋深為13．8-15．3m，隧道的掘進(jìn)設(shè)備采用直徑6280mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，采用厚300mm的C50預(yù)制混凝土管片襯砌，地鐵側(cè)基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)與室內(nèi)土工試驗(yàn)成果的綜合分析。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型基本假定

①假定計(jì)算模型初始應(yīng)力只考慮土體自重，固結(jié)早已完成。②假定止水帷幕隔水效果良好，且地下水不作為此次研究問題的重點(diǎn)，故不考慮地下水的影響。③假定本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、6號(hào)線地鐵隧道結(jié)構(gòu)及土體之間變形協(xié)調(diào)。④假定土體均質(zhì)，為理想型彈塑性體，各土層水平分布，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)按照彈性材料考慮[2]。

圖2 地鐵側(cè)基坑支護(hù)

3.2 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

通過利用FLAC3D軟件模擬該基坑開挖對(duì)已運(yùn)營(yíng)6號(hào)線隧道的作用。考慮到本基坑工程量巨大，若建立完整的模型計(jì)算耗時(shí)又費(fèi)力，并且研究重點(diǎn)是2-2剖面的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)。最終確定模型尺寸為長(zhǎng)70m，高35m，寬9m。隧道襯砌可采用實(shí)體單元模擬，取混凝土密度，彈性模量按照鋼筋混凝土進(jìn)行相應(yīng)提高。實(shí)體單元為開挖土體及周圍土體；結(jié)構(gòu)單元為冠梁、圍梁、護(hù)坡樁、錨桿。模型共23180個(gè)節(jié)點(diǎn)，19737個(gè)單元。

3.3 模型材料參數(shù)

根據(jù)基坑工程實(shí)際情況及對(duì)北京地區(qū)土體的分析經(jīng)驗(yàn)，將數(shù)值模擬土體本構(gòu)模型定為Mohr-Coulomb模型，基坑支護(hù)錨桿和護(hù)坡樁設(shè)計(jì)參數(shù)，其中錨桿直徑均取150mm。

3.4 施工工序模擬

①工況1在地面施作護(hù)坡樁及澆筑冠梁等。②工況2從地面向下開挖深度為2．8m，即為布置第1排預(yù)應(yīng)力錨桿下0．5m處。③工況3從此時(shí)的坑底繼續(xù)開挖3．3m深至布置第2排預(yù)應(yīng)力錨桿下0．5m處。④工況4從此時(shí)的坑底繼續(xù)開挖4．0m深至布置第3排預(yù)應(yīng)力錨桿下0．5m處。⑤工況5從此時(shí)的坑底繼續(xù)開挖3．5m深至布置第4排預(yù)應(yīng)力錨桿下0．5m處。⑥工況6從此時(shí)的坑底繼續(xù)開挖3．2m深至基坑底，同時(shí)澆筑基坑底板。

4 基坑工程安全評(píng)價(jià)方法

安全評(píng)價(jià)亦稱“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”，采用系統(tǒng)科學(xué)的評(píng)價(jià)方法對(duì)潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，為制定防災(zāi)減災(zāi)措施和工程管理提供指導(dǎo)作用。隨著大規(guī)模的地鐵車站建設(shè)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，也隨之帶來了成倍增長(zhǎng)的工程風(fēng)險(xiǎn)?；庸こ痰陌踩u(píng)價(jià)即從基坑工程的施工難度、周邊地質(zhì)情況等方面進(jìn)行綜合分析得出基坑安全等級(jí)的一種方法。

基坑安全評(píng)價(jià)方法有很多，例如可拓學(xué)理論、多層次模糊綜合評(píng)判法、事故樹分析理論等，近年來專家學(xué)者們對(duì)基坑工程的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，并結(jié)合工程案例進(jìn)行研究，驗(yàn)證了基坑安全評(píng)價(jià)方法的可靠度。可拓學(xué)理論可以從不同角度來分析，利用多個(gè)衡量因素來客觀評(píng)價(jià)事物的整體狀況?？赏貙W(xué)評(píng)價(jià)理論分別從可行性及優(yōu)化性來評(píng)估對(duì)象，并充分挖掘數(shù)據(jù)本身的規(guī)律。本文將可拓學(xué)理論引入到基坑安全評(píng)價(jià)中來，綜合考慮樁體水平位移、地表沉降、基底隆起、支撐軸力和樁身彎矩五個(gè)因素后，采用組合賦權(quán)法得到基坑安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重，對(duì)基坑安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了可拓評(píng)價(jià)方法在基坑安全評(píng)價(jià)上應(yīng)用的準(zhǔn)確性，給類似基坑工程的安全評(píng)價(jià)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[3]。

5 結(jié)語

總之，鄰近深基坑的地鐵隧道水平方向位移影響大于豎向位移。隧道橫斷面在豎向產(chǎn)生壓縮，橫向發(fā)生拉伸，呈橫橢圓形，隨著開挖工況，沿徑向指向基坑開挖位置，并產(chǎn)生一定角度的扭轉(zhuǎn)。該研究可為后續(xù)鄰近地鐵隧道的深基坑開挖提供參考。