深基坑施工對(duì)既有地鐵隧道的影響及保護(hù)措施研究

林章凱

(福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 福建福州 350003)

0 引言

鄰近既有地鐵隧道開挖深基坑，國內(nèi)外都積累了相當(dāng)豐富的理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。一般通過理論分析、相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、工程類比，以及三維模擬計(jì)算，評(píng)估新建工程的深基坑施工對(duì)既有地鐵隧道安全的影響，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

黎永良[1]研究認(rèn)為，開挖卸荷對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生的附加應(yīng)力和自身變形起主要作用。周建昆等[2]研究認(rèn)為，基坑底板施工對(duì)坑底隆起有顯著抑制作用，可有效控制隧道隆起及側(cè)向位移，從而保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)。

吳伯建等[3]研究認(rèn)為，在基坑開挖前，利用數(shù)值軟件分析模擬深基坑開挖過程，對(duì)地鐵隧道的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，選擇合理的支護(hù)方案，減少工程風(fēng)險(xiǎn)。陳仁朋[4]研究認(rèn)為，基坑開挖會(huì)使鄰近隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向不均勻變形，導(dǎo)致受損，有必要進(jìn)行三維有限元分析。劉遠(yuǎn)亮[5]應(yīng)用Midas三維有限元軟件對(duì)基坑開挖各個(gè)施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，能夠應(yīng)用于工程實(shí)際。

1 工程案例

省汽車運(yùn)輸公司工業(yè)路舊西客站地塊項(xiàng)目由南北向A、B兩個(gè)地塊組成，兩地塊間為規(guī)劃道路(路寬12 m)，地下室外邊線距離約為22.80 m。A、B地塊西側(cè)緊鄰福州地鐵2號(hào)線寧化站～西洋站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“2號(hào)線寧～西區(qū)間”，隧道管片厚度為350 mm，內(nèi)徑為5500 mm，外徑為6200 mm，環(huán)寬為1200 mm。環(huán)間錯(cuò)縫拼裝，砼強(qiáng)度等級(jí)C55，抗?jié)B等級(jí)P10)，場(chǎng)地部分位于地鐵保護(hù)范圍內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂放坡外邊線距離隧道結(jié)構(gòu)外邊最近均為5.0 m。A地塊擬建1幢17層住宅，下設(shè)1層地下室，基坑面積約 4745.06 m2，基坑開挖深度4.20 m～4.70 m；B地塊擬建5幢12～24層住宅，下設(shè)1～2層地下室，基坑面積約12 699.38 m2。東側(cè)為兩層地下室，基坑開挖深度4.20 m～8.40 m。擬建場(chǎng)地與地鐵的相對(duì)關(guān)系平面圖如圖1所示。

圖1 擬建場(chǎng)地與地鐵的相對(duì)關(guān)系平面圖

2 地鐵安全評(píng)估及控制指標(biāo)

根據(jù)《福州城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)管理實(shí)施細(xì)則(試行)》及規(guī)范[6]，結(jié)合該區(qū)間結(jié)構(gòu)原始狀況及運(yùn)營監(jiān)測(cè)情況，具體變形控制指標(biāo)值為：右線(近A、B地塊側(cè))水平及豎向位移預(yù)警值取8 mm，控制值取18 mm；左線水平及豎向位移預(yù)警值取10 mm，控制值取20 mm。

3 深基坑支護(hù)方案及相應(yīng)地鐵保護(hù)措施

3.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

A地塊地下1層底板面絕對(duì)標(biāo)高為2.30 m，底板厚400 mm，墊層厚100 mm，鄰近地鐵區(qū)域基坑安全等級(jí)為一級(jí)，工程重要性系數(shù)取γ=1.10，其余位置基坑安全等級(jí)為二級(jí)，工程重要性系數(shù)取γ=1.0。

基坑支護(hù)形式：

(1)西側(cè)鄰近地鐵一側(cè)，采用三軸水泥攪拌樁內(nèi)插PRC-Ⅰ500AB100型預(yù)應(yīng)力混凝土樁，再加一道鋼支撐進(jìn)行支護(hù)；

(2)南北兩側(cè)采用Ⅳ型拉森鋼板樁，再加一道鋼支撐的支護(hù)形式；

(3)東側(cè)采用Ⅳ型拉森鋼板樁前插入HM488×300×11×18型鋼樁，加一道鋼支撐的支護(hù)形式。

其中三軸水泥攪拌樁為φ850@600，鋼支撐梁采用H型鋼和Φ609鋼管，立柱采用HW350×350×12×19型鋼。A地塊基坑平面布置圖如圖2所示。

圖2 省汽車運(yùn)輸公司工業(yè)路舊西客站項(xiàng)目A地塊基坑平面布置圖

3.1.2 B地塊基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

B地塊設(shè)1～2層地下室，東側(cè)為2層地下室，地下1層底板面絕對(duì)標(biāo)高為2.30 m，底板厚400 mm，墊層厚100 mm；地下2層底板面絕對(duì)標(biāo)高為-1.50 m，底板厚500 mm，墊層厚100 mm。B地塊兩層地下室區(qū)域及鄰近地鐵區(qū)域基坑安全等級(jí)為一級(jí)，工程重要性系數(shù)取γ=1.10，其余位置基坑安全等級(jí)為二級(jí)，工程重要性系數(shù)取γ=1.0。

基坑支護(hù)形式：

(1)西側(cè)鄰近地鐵一側(cè)采用雙排樁支護(hù)，前排樁采用工法樁(內(nèi)插HM488×300×11×18型鋼)，后排樁采用三軸水泥攪拌樁內(nèi)插PRC-Ⅰ型預(yù)應(yīng)力混凝土樁。

(2)南北側(cè)一層地下室區(qū)域采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)。

(3)兩層地下室區(qū)域采用SMW工法樁+一道混凝土支撐+被動(dòng)區(qū)進(jìn)行支護(hù)，工法樁采用三軸水泥攪拌樁內(nèi)插HN700×300×13×24型鋼，坑中坑：采用自然放坡支護(hù)形式。B地塊基坑平面布置圖如圖3所示。

圖3 省汽車運(yùn)輸公司工業(yè)路舊西客站項(xiàng)目B地塊基坑平面布置圖

3.2 地鐵保護(hù)措施

3.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目A、B地塊近地鐵側(cè)圍護(hù)樁(三軸攪拌樁插PRC-Ⅰ管樁及型鋼樁)與2號(hào)線寧～西區(qū)間隧道的凈距在20 m范圍，圍護(hù)樁方案及施工工藝滿足要求。此外，樁基施工時(shí)，項(xiàng)目近地鐵50 m范圍內(nèi)采用沖(鉆)孔灌注樁，20 m范圍內(nèi)采用旋挖灌注樁。

3.2.2 優(yōu)化施工工序

該項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)基坑工程相對(duì)獨(dú)立，根據(jù)場(chǎng)地條件，在基坑南側(cè)設(shè)工地大門作為退土出口，先撐后挖。開挖時(shí)嚴(yán)格遵循“分區(qū)、分塊、分層、對(duì)稱、限時(shí)”原則，分階段均勻?qū)ΨQ開挖。注意分段分層厚度和相鄰高差，由遠(yuǎn)及近先開挖遠(yuǎn)離地鐵側(cè)土方，最后開挖靠近地鐵一側(cè)，每層開挖的厚度不超過2.0 m，淤泥層開挖厚度不超過1.0 m，且應(yīng)間隔開挖。開挖見底后，及時(shí)進(jìn)行封底，并施作地下室承臺(tái)及底板等地下室結(jié)構(gòu)，地下室結(jié)構(gòu)完成后，進(jìn)行基坑四周均勻回填。在基坑內(nèi)預(yù)留反壓土，減小基坑土方開挖卸載對(duì)既有地鐵的不利影響。A地塊結(jié)構(gòu)完成后，繼續(xù)實(shí)施B地塊地下2層，以減輕側(cè)土壓力的影響。基坑邊2 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆載，施工過程加強(qiáng)巡查，以及時(shí)預(yù)見險(xiǎn)情。

總體施工順序?yàn)锳、B地塊對(duì)稱同時(shí)實(shí)施。第一步：A、B地塊兩個(gè)基坑同時(shí)開挖至1層地下室的基坑深度，并施作部分地下1層結(jié)構(gòu)。其中A地塊開挖順序整體上為①、②、③、④，先開挖遠(yuǎn)離地鐵側(cè)土方(①、 ②區(qū)域)，最后開挖靠近地鐵一側(cè)土方(③、④區(qū)域)，B地塊整體上為先進(jìn)行遠(yuǎn)離地鐵側(cè)的1層地下室土方開挖(⑧、⑨區(qū)域)，再開挖⑤、⑥區(qū)域，最后開挖⑦區(qū)域。第二步：B地塊2層地下室區(qū)域繼續(xù)開挖至基底，并施作地下室結(jié)構(gòu)至±0.000(地下2層在遠(yuǎn)離區(qū)間隧道一側(cè))，整體上為先進(jìn)行遠(yuǎn)離地鐵側(cè)的2層地下室土方開挖(⑧、⑨區(qū)域)，并施作地下2層結(jié)構(gòu)，再開挖⑤、⑥區(qū)域，最后開挖⑦區(qū)域，土方開挖順序及退土路線，如圖4所示。A、B地塊基坑凈距約20.0 m，且兩基坑相接范圍并非毗鄰既有區(qū)間隧道，同時(shí)開挖合理可行。

圖4 基坑土方開挖順序及預(yù)留坡道和退土方向示意圖(注：箭頭為退土方向)

兩個(gè)地塊中，間隔最小處僅10 m。該區(qū)域涉及A地塊3a-3a剖面、A地塊部分3-3剖面、B地塊4b-4b剖面及B地塊5-5剖面。4b-4b為雙排樁支護(hù)，前排樁采用工法樁(內(nèi)插HM488X300X11X18型鋼)，后排樁采用三軸水泥攪拌樁內(nèi)插PRC-Ⅰ型預(yù)應(yīng)力混凝土樁。5-5剖面為放坡結(jié)合拉森鋼板樁支護(hù)，3-3及3a-3a剖面為Ⅳ型拉森鋼板樁加一道鋼支撐的支護(hù)形式。因兩側(cè)基坑支護(hù)差異性較大，先進(jìn)行4b-4b剖面支護(hù)樁施工，施工完成后，進(jìn)行其余剖面支護(hù)施工。A、B地塊支護(hù)內(nèi)基坑土方開挖，先進(jìn)行3-3及3a-3a剖面內(nèi)土方開挖，后進(jìn)行5-5剖面內(nèi)土方開挖。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算軟件與計(jì)算模型

采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元軟件MIDAS/GTS NX進(jìn)行分析計(jì)算。為真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，將上一個(gè)施工階段中，結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化影響到后續(xù)階段。施工階段分析應(yīng)采用累加模型，即每個(gè)施工階段都應(yīng)繼承上一個(gè)施工階段的分析結(jié)果，并累加本施工階段的分析結(jié)果。

模型取用修正莫爾-庫倫模型(Modified Mohr-Coulomb)。有限元模型中，采用三維實(shí)體單元模擬土層，采用板單元模擬該項(xiàng)目擬建基坑鋼板樁、SMW工法樁、隧道襯砌結(jié)構(gòu)。土層和結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照地勘報(bào)告和工程設(shè)計(jì)方案中構(gòu)件實(shí)際截面特性確定。為保證計(jì)算結(jié)果精度，建模過程中將隧道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理，襯砌結(jié)構(gòu)材料按線彈性考慮，并考慮隧道襯砌接頭對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)剛度削弱的影響，將襯砌結(jié)構(gòu)剛度折減15%。

4.2 計(jì)算模型及工況

4.2.1 計(jì)算模型

根據(jù)該項(xiàng)目與鄰近地鐵結(jié)構(gòu)立體關(guān)系，對(duì)施工全過程進(jìn)行模擬，如圖5所示。為了消除模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型范圍以外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)一定距離(>5倍的基坑開挖深度)后而建立，模型深度按地鐵隧道埋深的約2倍建立。有限元模型尺寸為320 m×240 m×55 m。有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移，模型左右兩側(cè)約束水平向位移。上部邊界為地表自由面，自重荷載取重力加速度。

圖5 該項(xiàng)目與地鐵2號(hào)線寧～西區(qū)間隧道軸視圖

4.2.2 模擬計(jì)算工況

由于鄰近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)均已施作完成，2號(hào)線寧～西區(qū)間周邊土層的應(yīng)力已重新分布，建模過程中予以考慮。模擬計(jì)算工況如表1所示。

表1 模擬計(jì)算工況表

4.3 區(qū)間結(jié)構(gòu)變形計(jì)算及分析

通過模擬數(shù)值計(jì)算，該項(xiàng)目深基坑施工對(duì)2號(hào)線寧～西區(qū)間結(jié)構(gòu)隨工況的位移變化如表2所示。最大位移均出現(xiàn)在工況6，X、Y、Z方向，位移云圖分別如圖6～圖8所示，均未超預(yù)警值，滿足規(guī)范要求。

表2 區(qū)間結(jié)構(gòu)位移變化表(X、Y、Z方向)

圖6 區(qū)間模型X方向位移云圖

圖7 區(qū)間模型Y方向位移云圖

圖8 區(qū)間模型Z方向位移云圖

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

截至2021年6月21日，第147次第三方地鐵保護(hù)性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，累計(jì)最大變形量1.4 mm，區(qū)間結(jié)構(gòu)變化速率和累計(jì)變化量均在控制值范圍內(nèi)，且趨于收斂穩(wěn)定。該項(xiàng)目地基與基礎(chǔ)分部，經(jīng)驗(yàn)收合格。

6 結(jié)語

該項(xiàng)目采用大型有限元軟件MIDAS/GTS NX，對(duì)省汽車運(yùn)輸公司工業(yè)路舊西客站地塊A、B地塊的施工進(jìn)行模擬計(jì)算，較為真實(shí)再現(xiàn)了該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置，以及不同施工區(qū)域采用的不同施工工藝，模擬了施工動(dòng)態(tài)過程，給出了整個(gè)計(jì)算域在不同施工階段的應(yīng)力變形情況。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采取的地鐵保護(hù)措施實(shí)施情況表明，該工程深基坑施工對(duì)鄰近地鐵區(qū)間的內(nèi)力影響較小，應(yīng)力應(yīng)變均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力安全，滿足地鐵保護(hù)要求。