上跨地鐵區(qū)間環(huán)隧匝道施工穩(wěn)定性控制研究

張建軍，陳 浩，韓會(huì)云，陳迪楊

(1.西咸新區(qū)絲路經(jīng)濟(jì)帶能源金融貿(mào)易區(qū)管理辦公室,陜西 西安 710000；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210004；3.山東軌道交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山東 濟(jì)南 250101；4.山東大學(xué) 山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

隨著我國(guó)城市地下空間的開發(fā)利用日漸發(fā)展，現(xiàn)有工程的施工不可避免的會(huì)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響。越來越多的基坑工程施工影響到周邊地鐵隧道、路基、既有公路的穩(wěn)定性[1-3]，二者之間的相互影響問題愈加突出，已成為城市建設(shè)中急需解決的重要問題之一[4-5]。已有地鐵隧道安全性會(huì)受到臨近基坑施工的影響，這是由于基坑開挖引發(fā)周圍土體、巖體等應(yīng)力卸荷，進(jìn)而引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致基坑與地鐵結(jié)構(gòu)周邊位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，甚至造成地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，影響臨近地鐵隧道的安全[6]。因此，非常有必要分析基坑開挖對(duì)既有地鐵隧道的影響[7]。

針對(duì)此問題，不少專家學(xué)者已開展了大量研究[8-9]，王利軍[10]和席鵬[11]等基于FLAC3D軟件建立分析模型，研究了超大深基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道變形影響，得到了地表沉降、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)變形和地鐵隧道整體變形規(guī)律等。張玉偉等[12]基于數(shù)值模擬分析了基坑降水、非對(duì)稱基坑開挖和樁基荷載施加等過程的地鐵隧道空間位移特征及結(jié)構(gòu)受力特征。胡海英等[13]通過數(shù)值模擬和隧道實(shí)測(cè)手段綜合分析了基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響。常曼等[14]采用數(shù)值方法分析了不同基坑與地鐵隧道距離、開挖深度等因素對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響，同時(shí)考慮基坑開挖和降水情況，分析了不同地下水位下滲流對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。

在基坑工程施工對(duì)鄰近地鐵影響控制方面，阮順良等[15]從力學(xué)原理出發(fā)，分別從基坑設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面開展了基坑施工隊(duì)臨近地鐵影響控制措施的研究，并結(jié)合數(shù)值模擬驗(yàn)證了控制措施的有效性。劉樹亞和歐陽蓉[16]提出了基坑施工引起臨近地鐵變形的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)以及有安全冗余的地鐵結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)，將危害等級(jí)進(jìn)行劃分并區(qū)別管理。黃兆緯等[17-18]基于土-結(jié)構(gòu)相互作用模型開展數(shù)值模擬分析，提出了土體加固、分塊開挖等技術(shù)措施對(duì)地鐵隧道變形進(jìn)行控制。

本研究通過對(duì)西咸新區(qū)能源金貿(mào)區(qū)起步區(qū)2期路網(wǎng)1期市政工程地下環(huán)隧A匝道基坑自身支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析，得出基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形及施工引起的周邊地層變形是否滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，評(píng)價(jià)基坑支護(hù)體系的安全性。采用 MIDAS/GTS NX建立基坑-地鐵隧道三維模型，對(duì)整個(gè)施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的變形和受力的變化過程進(jìn)行研究，得出基坑施工全過程中地鐵結(jié)構(gòu)的最不利變形值和受力，并根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)定量判斷其安全性。

1 工程概況

1.1 地下環(huán)隧A匝道工程概況

西咸新區(qū)能源金貿(mào)區(qū)起步區(qū)2期路網(wǎng)1期市政工程地下環(huán)隧工程位于西咸新區(qū)絲路經(jīng)濟(jì)帶能源金融貿(mào)易區(qū)2期8/9單元，主要包括地下環(huán)隧工程和綜合管廊工程。

A匝道為單向單車道，外側(cè)設(shè)2 m應(yīng)急車道，結(jié)構(gòu)凈寬為7 m，結(jié)構(gòu)凈高約4.3～5.5 m。地下環(huán)隧A匝道上跨地鐵區(qū)間段的里程為AK0+520～AK0+591.5。地下環(huán)隧A匝道上跨地鐵能～能區(qū)間盾構(gòu)隧道，分別為G-G剖面敞口段和E2-E2剖面暗埋段。

1.2 鄰近地鐵結(jié)構(gòu)概況

西安地鐵16號(hào)線1期工程能源中心站-能源三路站區(qū)間下穿區(qū)域?yàn)榻鹑谝宦?、陜建地塊及灃涇大道，為左右并行的單洞隧道，左右線間距13.0～17.2 m，單洞寬度為6.0 m，埋深約9.1～14.54 m。

能源中心站-能源三路站區(qū)間分為明挖段及盾構(gòu)段。明挖段區(qū)間采用單層4跨箱形混凝土框架結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)井段采用3層3跨箱形混凝土框架結(jié)構(gòu)。明挖段小里程接能源中心站，大里程接盾構(gòu)區(qū)間。

2 對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)影響評(píng)估

按照環(huán)隧設(shè)計(jì)方案，灃涇大道北側(cè)進(jìn)出口在能源一路以北的灃涇大道西側(cè)與地鐵16號(hào)線區(qū)間存在交叉。地下環(huán)隧A匝道上跨能-能區(qū)間，A匝道結(jié)構(gòu)底距離左線區(qū)間隧道頂凈距約6.8 m，A匝道結(jié)構(gòu)底距離右線區(qū)間隧道頂凈距約5.5 m。A匝道圍護(hù)結(jié)構(gòu)底距離左線區(qū)間隧道頂凈距約3.7 m，A匝道圍護(hù)結(jié)構(gòu)底距離右線區(qū)間隧道頂凈距約3.0 m。根據(jù)規(guī)范的相關(guān)條文，對(duì)本工程基坑及管線對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)影響等級(jí)進(jìn)行劃分。地下環(huán)隧A匝道上跨能-能區(qū)間，A匝道結(jié)構(gòu)底距離左線區(qū)間隧道頂凈距約6.8 m，A匝道結(jié)構(gòu)底距離右線區(qū)間隧道頂凈距約5.5 m。A匝道圍護(hù)結(jié)構(gòu)底距離左線區(qū)間隧道頂凈距約3.7 m，A匝道圍護(hù)結(jié)構(gòu)底距離右線區(qū)間隧道頂凈距約3.0 m。各類管線遷改施工時(shí)，距離地鐵區(qū)間隧道頂最近的是DN400污水管，該埋深5.95 m，距離隧道頂約為8.9 m。

依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202—2013)相關(guān)條文現(xiàn)將西咸新區(qū)能源金貿(mào)區(qū)起步區(qū)1期路網(wǎng)1期市政工程地下環(huán)隧A匝道、遷改管的影響劃分如表1所示。

表1 地下環(huán)隧A匝道及周圍管線施工對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響劃分

2.1 工程類比預(yù)評(píng)估研究

通過調(diào)研和參考類似工程項(xiàng)目，對(duì)比分析初步判斷西咸新區(qū)能源金貿(mào)區(qū)起步區(qū)2期路網(wǎng)1期市政工程地下環(huán)隧A匝道項(xiàng)目對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度是否可控，并提出安全合理的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

本研究與類似工程外部條件對(duì)比如表2所示。

表2 基坑工程類比分析

地下環(huán)隧A匝道基坑工程開挖深度最大約8.3 m，屬于深基坑，按1級(jí)基坑設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，工程所在場(chǎng)址地質(zhì)條件均勻，未見特殊不良地質(zhì)情況。A道基坑采用灌注樁+鋼支撐，圍護(hù)樁采用φ800@1 300的鉆孔灌注樁，沿基坑豎向設(shè)置2道φ609的鋼管內(nèi)支撐，施工時(shí)采取分層、分塊開挖，嚴(yán)格控制地表位移，防止變形過大影響地鐵結(jié)構(gòu)安全。本基坑對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全影響可控。

2.2 施工過程中區(qū)間隧道抗浮計(jì)算

根據(jù)《西安地鐵16號(hào)線1期工程(灃東小鎮(zhèn)-能源三路)詳細(xì)勘察階段能源中心站-能源三路站區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告》，本研究影響區(qū)域內(nèi)抗浮水位取定為377.5 m，基本在地下4 m。在抗浮水位下，區(qū)間隧道上方土體均為浸水狀態(tài)(不考慮加固帶來的有利因素)，土體浮重度取加權(quán)平均值，即γs=8.9 kN/m，鋼筋混凝土重度γc=25.0 kN/m，水重度γw=10.0 kN/m；盾構(gòu)區(qū)間隧道上最小覆土厚度hs=5.71 m；盾構(gòu)隧道外包面積A=30.17 m2；盾構(gòu)斷面面積a=6.42 m2；盾構(gòu)隧道外徑寬B=6.2 m。

盾構(gòu)隧道抗浮驗(yàn)算(縱向1 m)：

主體結(jié)構(gòu)自重G主=γc·a·1.0=25.0×6.42×1.0=160.5 kN。

結(jié)構(gòu)上覆土重G土=hs·γs·B1·1.0=5.71×8.9×6.2×1.0=315.08 kN。

結(jié)構(gòu)所受浮力F浮=γw·A·1.0=10.0×30.17×1.0=301.7 kN。

則抗浮驗(yàn)算安全系數(shù)K=(G主+G土)/F浮=(160.5+315.08)/301.7=1.58。

即不考慮加固的有利因素，基坑開挖過程中，下臥地鐵隧道抗浮驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

3 地下環(huán)隧A匝道基坑開挖影響數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

采用MIDAS/GTS NX軟件建立環(huán)隧匝道開挖施工對(duì)既有地鐵盾構(gòu)隧道影響數(shù)值分析模型，如圖1所示。模型在X軸、Y軸、Z軸向的尺寸分別為90,90 和35 m，模型地層由上至下分別為素填土層、黃土狀土層、細(xì)砂層、中砂層及粉質(zhì)黏土層，環(huán)隧匝道與地鐵盾構(gòu)隧道相對(duì)位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 三維有限元模型(單位：m)

圖2 環(huán)隧匝道與地鐵盾構(gòu)隧道相對(duì)位置示意圖

模擬是遵循以下假設(shè)：

(1)地層、結(jié)構(gòu)等均按照各向同性計(jì)算。

(2)巖土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)體均采用線彈性本構(gòu)模型，如圖3、圖4所示。

圖3 線彈性本構(gòu)模型

圖4 Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型

(3)施工期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響。

(4)迭代計(jì)算方法采用Newton-Raphson法。

(5)收斂標(biāo)準(zhǔn)采用力和位移雙重收斂標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)地勘報(bào)告確定模擬中巖土體和結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如表3所示。

表3 數(shù)值模擬參數(shù)

3.2 環(huán)隧匝道開挖施工過程模擬

地層加固并施作匝道維護(hù)樁及擋墻，分層分段開挖匝道，每段開挖15 m，并做放坡，每挖一段并施作橫支撐，開挖下一段時(shí)進(jìn)行上一段的匝道襯砌施工及回填，直至開挖到設(shè)計(jì)里程，確定匝道施工完成時(shí)地鐵盾構(gòu)隧道最終變形。圖5為模擬施工關(guān)鍵步驟模型。

圖5 施工過程模擬模型

3.3 結(jié)果分析

(1)地層變形分析

圖6為環(huán)形匝道分階段開挖地層變形云圖，圖7為環(huán)隧匝道施工完成時(shí)地層變形位移云圖。由云圖可知，在環(huán)隧匝道開挖施工過程，由于開挖卸荷，引起匝道底部一定范圍內(nèi)地層產(chǎn)生回彈變形，主要表現(xiàn)為基底土體上浮。圖8為基坑開挖6.5 m支護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果，可以看出，基底處的變形、彎矩、剪力值較大。

圖6 環(huán)隧匝道分階段開挖地層位移云圖(單位：m)

圖7 環(huán)隧匝道施工完成時(shí)地層變形云圖(單位：m)

圖8 基坑支護(hù)變形曲線

(2)盾構(gòu)隧道豎向位移分析

由圖9可知，當(dāng)環(huán)隧匝道開挖施工至設(shè)計(jì)里程時(shí)盾構(gòu)左線最大上浮約2.3 mm，右線最大上浮約2.2 mm。通過對(duì)環(huán)隧匝道開挖施工全過程模擬分析，得出開完施工期間造成的盾構(gòu)隧道變形均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 環(huán)隧匝道施工完成時(shí)地鐵盾構(gòu)隧道豎向變形云圖(單位：m)

4 基坑開挖對(duì)下方地鐵襯砌結(jié)構(gòu)影響分析

基坑開挖后，導(dǎo)致區(qū)間隧道頂部部分土體卸載，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生變化，應(yīng)用 Midas GTS NX 有限元分析軟件，模擬施工的過程，分析隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。在分析過程中，采用“荷載-結(jié)構(gòu)模型”，選用了兩種不同計(jì)算工況。

4.1 計(jì)算模型和方法

利用“荷載-結(jié)構(gòu)模型”進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)受力分析，采用修正慣用法進(jìn)行計(jì)算，如圖10所示。通過引入圓環(huán)剛度折減系數(shù)和管片彎矩調(diào)整系數(shù)來模擬管片多接縫造成的管片剛度降低和管片錯(cuò)縫拼裝的影響，參數(shù)的取值通常依據(jù)管片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和地層條件綜合確定。考慮管片接頭影響，進(jìn)行剛度折減后按均質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算結(jié)果考慮管片環(huán)間錯(cuò)縫拼裝效應(yīng)的影響進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整。結(jié)合前人研究[19-20]以及盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，剛度折減η=0.8，彎矩増大系數(shù)ξ=0.3。通過地層彈簧來模擬地層抗力，考慮水土壓力時(shí)采用水土分算。使用軟件計(jì)算襯砌管片的內(nèi)力，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配筋承載力及裂縫寬度的驗(yàn)算。

圖10 盾構(gòu)隧道荷載-結(jié)構(gòu)模型

隧道外半徑R1=3.10 m；隧道中心半徑R2=2.925 m；隧道內(nèi)半徑R3=2.75 m；管片寬度B=1.5 m；管片厚度h=0.35 m；分塊數(shù)目=6塊。封頂塊管片(F)圓心角為15°，標(biāo)準(zhǔn)塊管片3塊(分別為B1，B2，B3)圓心角均為72°。鄰接塊管片左右各1塊(分別為L(zhǎng)1，L2)圓心角均為68.5°，縱向接頭為10處，按36°等角度布置。管片襯砌環(huán)布置見圖11。

圖11 襯砌圓環(huán)構(gòu)造(單位：mm)

4.2 計(jì)算斷面與工況

計(jì)算斷面選擇的原則是“最不利原則”，即選用與位置關(guān)系最不利的斷面進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)選擇相鄰地質(zhì)鉆孔中較差的鉆孔進(jìn)行計(jì)算分析。擬計(jì)算工況如表4所示。

表4 計(jì)算工況

4.3 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)受力分析

管片采用錯(cuò)縫拼裝的平板型管片，計(jì)算模型采用梁-彈簧解析法模型，管片間采用旋轉(zhuǎn)彈簧模擬管片的徑向接頭，如圖12所示。

圖12 管片彈性支撐計(jì)算簡(jiǎn)圖

由于較高的水位會(huì)增大圓形管片的軸力，計(jì)算時(shí)偏于保守的采用常水位進(jìn)行設(shè)計(jì)。為確保設(shè)計(jì)安全，本次設(shè)計(jì)采用水土合算與水土分算兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用最不利內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 工況一(地鐵結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)正常工況)管片受力情況

圖14 工況二(基坑開挖后，地鐵內(nèi)力計(jì)算)管片受力情況

通過對(duì)兩種計(jì)算方法的對(duì)比，工況1即未開挖前計(jì)算結(jié)果偏于安全，故計(jì)算時(shí)偏于安全的采用工況1的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行管片配筋計(jì)算。

(1)拱頂配筋

已知：M基=66.9×1.1=73.6 kN·m，N=1 060×1.1=1 166 kN，B=1 000 mm(管片寬1 500 mm)，H=350 mm，C50混凝土。

矩形截面偏心受壓承載力驗(yàn)算：

h0=H-40-10-0.5 d=291 mm；x=44<2as=118 mm；配筋計(jì)算得：As=888 mm2。

故As=3 318 mm2(8φ20+4φ16)(盾構(gòu)段配筋)/1.5=2 212 mm2

故無需驗(yàn)算裂縫。

(2)拱腰配筋

已知：M基=74.3×1.1=81.7 kN·m，N=1 237×1.1=1 361 kN，B=1 000 mm(管片寬1 500 mm)，H=350 mm，C50混凝土。

矩形截面偏心受壓承載力驗(yàn)算：

h0=H-50-10-0.5 d=281 mm；x=50<2as=138 mm；計(jì)算得As=976 mm2。

故As=3 318 mm2(8φ20+4φ16)(盾構(gòu)段配筋)/1.5=2 212 mm2

故無需驗(yàn)算裂縫。

(3)抗剪計(jì)算

V基=154×1.1=169 kN，C50混凝土，B=1 000 mm，H=350 mm；

h0=H-50-10-0.5 d=281 mm。

計(jì)算得：fc=23.1 N/mm2，ft=1.89 N/mm2。

構(gòu)造配筋，(8φ20+4φ16)可滿足要求。由計(jì)算得盾構(gòu)段配筋，在基坑開挖后滿足要求。

4.4 地鐵保護(hù)措施建議

為保證西咸新區(qū)能源金貿(mào)區(qū)起步區(qū)2期路網(wǎng)1期市政工程地下環(huán)隧A匝道施工期間，西安地鐵16號(hào)線能源中線站-能源三路站區(qū)間的結(jié)構(gòu)安全，提出施工部署及建議如下：

(1)基坑施工須嚴(yán)格遵循分層、分塊、分區(qū)的原則，保證地下工程的連續(xù)施工；開挖至基底后應(yīng)及時(shí)施工地下結(jié)構(gòu)，避免基坑長(zhǎng)時(shí)間暴露。

(2)基坑施工應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工，當(dāng)基坑周邊環(huán)境及地層條件與設(shè)計(jì)不符時(shí)應(yīng)及時(shí)修改設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

通過對(duì)比國(guó)內(nèi)類似工程實(shí)例，結(jié)合數(shù)值模擬分析，研究了市政工程地下環(huán)隧匝道基坑施工對(duì)下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。通過有限元分析軟件建立基坑開挖地層-結(jié)構(gòu)模型、荷載-結(jié)構(gòu)模型，對(duì)基坑施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，并下方地鐵結(jié)構(gòu)的變形、受力變化特征進(jìn)行研究。得出了以下結(jié)論：

(1)在環(huán)隧匝道開挖施工過程，由于開挖卸荷，引起匝道底部一定范圍內(nèi)地層產(chǎn)生回彈變形，主要表現(xiàn)為基底土體上浮，因此需對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行上浮變形監(jiān)測(cè)與控制分析。

(2)地下環(huán)隧A匝道下部采取加固措施后，基底處邊墻受力及變形較大；基坑施工引起地鐵區(qū)間拱頂土體上浮較大，盾構(gòu)左線最大上浮約2.3 mm，右線最大上浮約2.2 mm；地鐵結(jié)構(gòu)整體變形較小，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(3)對(duì)基坑開挖過程中地表的沉降變形進(jìn)行分析可知，基坑開挖過程中，隨著基坑開挖深度的增加，地面沉降不斷增加，最大沉降值為9 mm，滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，且基坑支護(hù)方案切實(shí)可行。

(4)基于基坑施工全過程中地鐵結(jié)構(gòu)的最不利變形和受力分析，發(fā)現(xiàn)了基坑施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的最大變形量、附加受力規(guī)律，結(jié)合控制標(biāo)準(zhǔn)，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性評(píng)估提供依據(jù)。