基坑開挖對既有地鐵區(qū)間隧道的影響性分析

李澤基，黃 旭

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006)

0 引言

在基坑工程中，挖土和各類施工都會改變土體之前的應(yīng)力狀態(tài)，引發(fā)土體的變形和沉降在所難免。對于已有的地鐵區(qū)間也存在安全挑戰(zhàn)，因為土體過大的變形會引發(fā)地鐵區(qū)間隧道節(jié)點出現(xiàn)開口。當(dāng)開孔量太大時，地鐵區(qū)間隧道會發(fā)生滲透水、漏砂等病害，這些病害將嚴(yán)重威脅地鐵的運營安全。

針對基坑開挖對既有地鐵的影響，許多學(xué)者根據(jù)不同的研究方向進(jìn)行了研究。Hu, B[1]利用ABAQUS軟件模擬深基坑開挖引起的土體擾動對地下管線位移的影響，分析了地下管線的危險區(qū)域；還分析了多種風(fēng)險因素影響下管道風(fēng)險因素的最不利組合；最后，從安全和經(jīng)濟兩個方面提出了系統(tǒng)的追加部分加固方案，以保護(hù)風(fēng)險較大危險地區(qū)地下管線的安全。Zhang, Z.[2]提出了一種簡便的研究方法，用于分析開挖工程中相鄰隧道開挖引起的土體卸載引起的變形響應(yīng)。首先，在現(xiàn)有隧道位置，估算相鄰開挖引起的綠土卸載應(yīng)力；其次，采用伽遼金法計算了綠土卸載應(yīng)力作用下隧道的變形響應(yīng)，由微分方程轉(zhuǎn)換為有限元方程。丁智等[3]研究發(fā)現(xiàn),圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工和降水對地層及鄰近地鐵初始位移的影響不容忽視。無支護(hù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)長期暴露是基坑側(cè)向位移快速增長的危險時期;基坑開挖的空間效應(yīng),中部側(cè)向變形遠(yuǎn)大于邊角,單向開挖容易引起土壤的位移場和應(yīng)力場疊加在開挖區(qū)域,它會導(dǎo)致相鄰隧道的最大變形轉(zhuǎn)變回開挖區(qū)域。魏剛等[4]考慮基坑底部、支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，形成了力學(xué)計算模型；基于Mindlin應(yīng)力解公式，推導(dǎo)出既有地鐵隧道附近基坑開挖引起的附加荷載計算公式，分析了基坑尺寸變化、隧道位置變化及如何控制加固等影響因素。謝曉冬等[5]等運用有限元軟件綜合評判了某基坑開挖的安全性以及開挖過程中對周邊建構(gòu)筑物的影響，并認(rèn)為各項沉降均滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

本模型模擬基坑開挖施工階段?；又苓厛龅貜?fù)雜，有既有地鐵管線一條，直徑6m，中心線埋深15m。因臨近地鐵線路，現(xiàn)場采取地連墻加內(nèi)撐的方式進(jìn)行支護(hù)。

基坑開挖深度標(biāo)高-9m,地連墻嵌固端標(biāo)高-18m。地連墻厚0.8m，采用C40砼。冠梁截面1.2m×1.0m，腰梁截面1m×1m，內(nèi)撐截面1m×1m，構(gòu)件均采用C30砼。管片厚度0.3m。各層土的參數(shù)見表1。

表1 地層巖土材料參數(shù)

本基坑工程按一級基坑考慮，整個開挖過程分3次進(jìn)行，布置三道支撐，每次開挖深度為3m。

2 有限元計算模型的建立

2.1 破壞準(zhǔn)則

土體圍巖考慮彈塑性變形，采用修正摩爾庫倫準(zhǔn)則，混凝土僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.2 幾何模型建立

本工程有限元模型尺寸定為X=195m、Y=158m、Z=40m。幾何模型建立的最后結(jié)果如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.3 分析工況及網(wǎng)格劃分

2.3.1 分析工況

本次分析分為5個工況(表2)，主要在于基坑開挖的安全性及基坑開挖對既有地鐵區(qū)間的影響，基坑開挖只經(jīng)過一層土層，且需布置三道支撐，故按三次開挖?？紤]到基坑開挖引起的已有地鐵區(qū)間的水平位移和沉降值，因此本次分析對建筑物和隧道引起的位移進(jìn)行清零。計算過程中的主要荷載為各個模型的自重。

表2 三維模型開挖分析步驟

2.3.2 網(wǎng)格劃分

整體有限元模型如圖2所示，整體模型共有68 873個單元，42 719個節(jié)點，本次分析中共5個施工步。各施工階段有限元網(wǎng)格展示如圖3～圖7所示。

圖2 有限元模型網(wǎng)格

圖3 初始應(yīng)力場分析施工步

圖4 圍護(hù)施工分析施工步

圖5 第一次開挖分析施工步

圖6 第二次開挖分析施工步

圖7 第三次開挖分析施工步

3 計算結(jié)果及分析

3.1 既有地鐵區(qū)間影響性分析

數(shù)值分析模擬了基坑開挖對既有地鐵區(qū)間造成的位移分析，包括隧道水平位移分析和隧道豎直位移分析。

3.1.1 隧道沉降

第三次開挖后，基坑開挖引起的地鐵隧道的沉降云圖如圖8所示。

圖8 開挖3隧道沉降云圖

根據(jù)圖8可知，基坑開挖過程中，既有地鐵隧道區(qū)間的沉降值為0.0109mm/-0.238mm。綜上，基坑開挖施工對既有地鐵區(qū)間隧道的沉降影響較小，不會產(chǎn)生明顯的隆起或沉陷，小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)中規(guī)定的控制值10mm，滿足規(guī)范要求。

3.1.2 隧道水平位移

第三次開挖后，基坑開挖引起的地鐵隧道X方向的水平位移云圖如圖9所示。

圖9 開挖3隧道X方向位移云圖

根據(jù)圖9可知，基坑開挖過程中，既有地鐵隧道區(qū)間X方向的水平位移為0.388mm/-0.063mm。綜上，基坑開挖施工對既有地鐵區(qū)間隧道在X方向的位移影響很小，不會產(chǎn)生明顯的側(cè)移，小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)中規(guī)定的控制值10mm，滿足規(guī)范要求。

3.1.3 基坑開挖對臨近地鐵區(qū)間隧道影響的安全評估

通過MIDAS GTS NX的模擬，在基坑開挖過程中，隧道的沉降量和側(cè)移量均小于1mm，由此可知，基坑開挖對鄰近地鐵管線的影響可以忽略，在該隧道邊開挖基坑是安全的。

3.2 基坑安全性

3.2.1 立柱位移

在基坑開挖過程中，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的立柱的位移情況應(yīng)在考察范圍內(nèi)。根據(jù)計算結(jié)果，立柱產(chǎn)生最大沉降的施工步是圍護(hù)施工階段，相應(yīng)的云圖如圖10所示；最大側(cè)移則產(chǎn)生于開挖3,云圖如圖11、圖12所示，單位為m，圖中箭頭所指為極值的位置，數(shù)字為極值的大小，圖形上的文字為最大值和最小值以及其出現(xiàn)的位置。

圖10 圍護(hù)施工立柱沉降云圖

圖11 開挖3立柱X方向側(cè)移云圖

圖12 開挖3立柱Y方向側(cè)移云圖

由圖10～圖12可知，在基坑開挖過程中，立柱最大沉降值為5.13mm，基坑開挖施工對鄰近建筑物的沉降影響較小，不會產(chǎn)生明顯的沉降，小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)規(guī)定的報警值25mm，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 坑底回彈

基坑在開挖后，坑底土體的回彈量是施工過程中需要重點控制的。在MIDAS GTS NX的模擬過程中，坑底土的回彈云圖如圖13所示，坑底的最大回彈量為7.6mm，小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)中一級基坑規(guī)定的報警值25mm，滿足規(guī)范要求。

圖13 開挖3坑底土沉降云圖

3.2.3 基坑周圍地表豎向位移

在第三次開挖后，基坑周圍地表土的豎向位移均出現(xiàn)整個開挖過程中的最大值，如圖14所示?；又苓呁馏w的最大沉降量為2.62mm，小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)中一級基坑規(guī)定的報警值25mm，滿足規(guī)范要求。

圖14 開挖3基坑周圍土體沉降

3.2.4 地連墻墻頂豎直位移

地連墻墻頂?shù)呢Q向位移在圍護(hù)施工步驟中達(dá)到最大值，如圖15所示。地連墻墻頂最大豎向位移量為4.28mm，小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)中一級基坑規(guī)定的報警值10mm/0.001h，滿足規(guī)范要求。

圖15 圍護(hù)施工地連墻墻頂豎向位移

4 結(jié)論

(1)基坑開挖施工對既有地鐵區(qū)間隧道的沉降影響較小，不會產(chǎn)生明顯的隆起或沉陷。

(2)在基坑開挖過程中，立柱最大沉降值為5.13mm，基坑開挖施工對鄰近建筑物的沉降影響較小，不會產(chǎn)生明顯的沉降。

(3)基坑開挖過程中，基坑開挖施工對既有地鐵區(qū)間隧道在X方向的位移影響很小，不會產(chǎn)生明顯的側(cè)移。

(4)基坑在開挖后，坑底的最大回彈量為7.6mm，滿足規(guī)范要求。

以上模擬結(jié)果均滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)的相關(guān)要求。初步判定該基坑設(shè)計合理，在標(biāo)準(zhǔn)的施工安排下是安全的。