基坑上跨既有地鐵隧道施工擾動(dòng)效應(yīng)研究

鄭剛強(qiáng)，殷洪波，郭永發(fā)，劉正初

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650200）

1 引言

隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展和交通網(wǎng)絡(luò)日趨完善，基坑工程近距離上跨既有地鐵隧道施工案例也越來越多。基坑開挖引起的土體卸載將會(huì)破壞土體內(nèi)部應(yīng)力平衡，從而造成下方既有地鐵隧道出現(xiàn)整體隆起、襯砌開裂、掉塊坍塌等病害，嚴(yán)重影響行車舒適度、平穩(wěn)性，加劇列車磨損甚至引發(fā)機(jī)車脫軌等安全事故[1]。因此，如何確?；由峡缂扔械罔F隧道施工過程中周圍土體的穩(wěn)定，減小對隧道結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的影響是目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。李瑛等[2]依托杭州鐵路東站基坑工程背景，采用三維數(shù)值模擬手段對基坑上跨既有地鐵隧道施工進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)模擬。魏綱等[3，4]采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維基坑模型，分析了基坑開挖對下方既有隧道隆起、轉(zhuǎn)動(dòng)與錯(cuò)臺變形的影響。張俊峰等[5]針對跨越運(yùn)營地鐵隧道的超大面積深基坑建立了大型三維有限元模型，采用單純形反分析程序和有限元方法計(jì)算得到了相關(guān)土體參數(shù)，并預(yù)測了基坑開挖最終引起的隧道隆起量。施成華等[6]綜合考慮盾構(gòu)管片接頭之間、管片襯砌與圍巖之間、螺栓與螺栓孔之間的相互作用，對基坑上跨既有盾構(gòu)隧道坑底土體加固方式展開研究。

以某在建過江通道上跨既有地鐵隧道為工程背景，采用FLAC 3D 數(shù)值模擬，構(gòu)建基坑上跨既有地鐵隧道三維數(shù)值計(jì)算模型，研究基坑施工過程中地表沉降和隧道的變形規(guī)律，以期為工程實(shí)踐提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

2 工程背景

2.1 工程概況

某過江通道工程設(shè)計(jì)范圍為NK2+010～NK5+330（SK2+011.755～SK5+660）段，隧道主線明挖段為雙向四車道，盾構(gòu)段為雙向六車道，其中，北主線隧道明挖敞口段長307 m，盾構(gòu)隧道長1 426 m，明挖暗埋段為1 636 m，南主線隧道明挖敞口段長328 m，盾構(gòu)隧道長1 426 m，明挖暗埋段為1 917.722 m，東、西岸共設(shè)置匝道4 條，匝道為單向單車道，匝道長度共計(jì)1 606.1 m。既有運(yùn)營地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道襯砌采用單層鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)形式，盾構(gòu)管片型式為平板型。管片外徑6 250 mm、內(nèi)徑5 400 mm、管片厚度300 mm、環(huán)寬1.2 m。既有隧道變形監(jiān)測的水平位移和豎向位移控制值為20 mm，預(yù)警值為14 mm。

2.2 工程地質(zhì)條件

明挖隧道底板與運(yùn)營地鐵隧道凈距2.8 m，地層自上而下為：雜填土，主要由建筑垃圾、生活垃圾組成，強(qiáng)透水，雜色，松散—稍密；粉質(zhì)黏土，砂量含量高，干強(qiáng)度及韌性高，黃紅色，硬塑。既有地鐵隧道位于中—微風(fēng)化板巖地層，板塊構(gòu)造巖質(zhì)較硬，破碎—較破碎，巖芯一般呈塊狀、大塊狀，少量短柱狀，灰色。

2.3 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地下水主要由上層滯水、基巖及構(gòu)造裂隙潛水組成，穩(wěn)定水位埋深2.8～17.6 m，水位標(biāo)高30.9～62.7 m；東岸穩(wěn)定水位埋深5.7～6.6 m，水位標(biāo)高25.9～28.77 m。

3 數(shù)值模型及計(jì)算過程

3.1 數(shù)值模型

根據(jù)工程資料，采用有限差分軟件FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)已有研究成果[7]，模型橫向長度取5 倍基坑寬度，縱向取基坑5 倍縱向?qū)挾?，模型尺寸為：X=100 m，Y=60 m，Z=46 m?；?、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵隧道均采用實(shí)體單元，支撐結(jié)構(gòu)采用beam 單元模擬。約束計(jì)算模型左右兩側(cè)、前后邊界及底部的法向位移，模型頂面為自由表面。構(gòu)建的基坑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵隧道三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。模型中各材料參考地質(zhì)勘查報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果，各材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。其中巖土體材料遵循Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、既有線管片和支撐結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算過程

根據(jù)本工程段實(shí)際開挖施工步序，數(shù)值模擬計(jì)算步驟如下：（1）根據(jù)土體分層情況，賦予各層土體材料參數(shù)，使模型在自重應(yīng)力場達(dá)到初始平衡；（2）將第一步位移清零，一次性開挖既有隧道內(nèi)土體，賦予既有隧道管片參數(shù)并計(jì)算；（3）由于本文著重論述基坑開挖對既有隧道的影響，因此，將第二步計(jì)算得到的位移歸零，隨后賦予圍護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)并計(jì)算；（4）將上一步施作加固措施及圍護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移歸零，施作第一道混凝土支撐并開挖第一部分基坑土體；（5）施作第二道鋼支撐并開挖第二部分基坑土體。計(jì)算過程中，于第（4）步開始，通過編制FISH 語言，記錄地表和既有隧道的變形規(guī)律。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑結(jié)構(gòu)及地表變形規(guī)律

開挖全過程基坑結(jié)構(gòu)變形如圖2、圖3 所示，可以看出，基坑開挖引起土體卸載會(huì)破壞土體原有應(yīng)力平衡，使得地應(yīng)力重新分布，造成基坑底部隆起。隨基坑開挖深度增加，基坑底部隆起增大。當(dāng)開挖基坑第一層土體時(shí)，基坑底部最大隆起量為18.72 mm；當(dāng)開挖基坑第二層土體后，基坑底部最大隆起量為20.36 mm。

圖2 開挖第一層土體時(shí)基坑變形云圖

圖3 開挖第二層土體時(shí)基坑變形云圖

數(shù)值模擬基坑開挖的過程中，對基坑長邊一側(cè)的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測?？拷? m 范圍內(nèi)每隔1 m 布置一監(jiān)測點(diǎn)，6 m 后每隔2 m 布置一監(jiān)測點(diǎn)。各監(jiān)測點(diǎn)的地表沉降情況如圖4 所示?？梢钥闯觯?/p>

圖4 地表沉降變化規(guī)律

1）基坑開挖全過程，地表沉降的變化規(guī)律基本一致，隨著距基坑距離的增加，地表沉降呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，在距基坑3～4 m 位置處，地表沉降達(dá)到最大。因此，在基坑上跨既有地鐵隧道施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制距基坑3～4 m 位置處的施工附加荷載。

2）隨著基坑開挖深度增加，地表沉降值逐漸增大。當(dāng)開挖基坑內(nèi)部第一層土體時(shí)，最大沉降值為12.39 mm；當(dāng)開挖基坑內(nèi)部第二層土體后，最大沉降值為16.47 mm。由此可見，在基坑上跨既有地鐵隧道施工過程中，地表沉降值基本處于沉降安全范圍以內(nèi)。

4.2 既有隧道變形規(guī)律

開挖全過程既有隧道變形如圖5 和圖6 所示，可以看出，隨著基坑開挖深度增加，既有隧道隆起變形逐漸增大，當(dāng)開挖基坑內(nèi)部第一層土體時(shí)，既有隧道最大隆起量為12.48 mm，最大隆起位置為基坑正下方，隧道變形整體呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小的趨勢。當(dāng)開挖基坑內(nèi)部第二層土體后，既有隧道最大隆起量為19.72 mm，最大隆起位置仍為基坑正下方。由此可見，基坑上跨既有地鐵隧道施工時(shí)，會(huì)導(dǎo)致隧道整體產(chǎn)生較大的豎向變形，且該豎向變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)警值14 mm，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)及列車運(yùn)營的安全。

圖5 開挖第一層土體時(shí)隧道變形云圖

圖6 開挖第二層土體時(shí)隧道變形云圖

由于2 條隧道對稱分布，著重分析左側(cè)隧道的變形情況，通過內(nèi)置命令記錄隧道拱頂、拱底、右邊墻和左邊墻Z 方向變形，記錄右邊墻和左邊墻X 方向變形，縱向上每隔2 m 布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。提取各監(jiān)測點(diǎn)的變形情況，如圖7 所示?？梢钥闯觯?/p>

圖7 既有隧道變形曲線

1）各監(jiān)測點(diǎn)變化規(guī)律基本一致，隨著基坑上跨既有地鐵隧道施工，隧道整體產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，且距基坑中心距離越小，隆起量越大。另外，隧道拱頂和拱底部位的隆起量較大，而隧道拱腰部位的隆起量非常小。由此可見，隧道隆起變形整體呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小的變化趨勢。

2）隨著基坑開挖深度增加，隧道拱頂、拱底和拱腰的隆起均增大。當(dāng)開挖基坑內(nèi)部第一層土體時(shí)，拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的最大隆起量分別為12.48 mm、6.72 mm、1.21 mm 和0.21 mm，當(dāng)開挖基坑內(nèi)部第二層土后，拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的最大隆起量分別為19.72 mm、10.32 mm、1.57 mm 和0.45 mm。

5 結(jié)論

采用有限差分軟件FLAC 3D 進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測基坑結(jié)構(gòu)、地表和既有隧道變形，得到基坑上跨既有地鐵隧道施工過程中基坑結(jié)構(gòu)、地表和既有隧道變形量。其中，地表呈整體下沉趨勢，基坑開挖完成后，最大沉降值達(dá)到16.47 mm，處于沉降安全范圍以內(nèi)；既有隧道呈整體隆起趨勢，基坑開挖完成后，拱頂最大隆起量達(dá)到19.72 mm，拱底最大隆起量達(dá)到10.53 mm。