基坑開挖對既有隧道的影響與支護方案對比研究

張昊然 姚海波 耿英宸 李嘉興 王增月

(1.北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2.中化學(xué)路橋建設(shè)有限公司， 北京 101100)

隨著國家經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，交通運輸?shù)慕ㄔO(shè)也急速發(fā)展，交通重心從地上逐漸變成地下，鐵路等地下交通設(shè)施愈發(fā)重要。隨著鐵路隧道的建設(shè)，地下空間利用率增加，可用地下空間減小，加之目前很多城市的鐵路隧道線路錯綜復(fù)雜，在建筑建設(shè)的基坑開挖階段，不可避免地會有與鐵路隧道近接的情況。基坑開挖勢必會對臨近隧道造成影響，因此，如何設(shè)計基坑支護，保證施工安全進(jìn)行，減小對附近隧道的影響尤為重要。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外的專家學(xué)者對于既有鐵路隧道下基坑開挖支護的研究主要有，劉遠(yuǎn)亮[1]對地層自重固結(jié)、基坑開挖施工的整個過程進(jìn)行模擬分析，得出基坑開挖過程中土體開挖卸荷作用對臨近隧道結(jié)構(gòu)的位移變形以水平變形為主，豎向變形較小，開挖至基坑底部時，隧道結(jié)構(gòu)變形量達(dá)到最大；陳麗敏[2]對基坑開挖引起的鄰近建筑及地鐵隧道變形情況進(jìn)行三維建模，分析后發(fā)現(xiàn)基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢，采用單排樁支護形式，建筑物的傾斜度會達(dá)到規(guī)范臨界值；孫琳[3]等分析基坑開挖是否考慮降水對基坑支護結(jié)構(gòu)變形的影響，并與現(xiàn)場基坑支護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)初始地下水水位越淺，對基坑及臨近建筑物影響越大；趙志孟[4]在進(jìn)行基坑正常支護和基坑坍塌兩種情況下隧道的變形分析后，提出軟弱土層可以采用“地連墻+3道內(nèi)支撐”作為深基坑的支護方式，能夠有效控制變形；賈瑞晨[5]分析地鐵隧道后期監(jiān)測中的變化后，認(rèn)為澆筑底板、支撐直接影響隧道位移控制的穩(wěn)定性，支撐穩(wěn)定后各個指標(biāo)不會產(chǎn)生多種波動；趙良云[6]分析鄰近盾構(gòu)地鐵隧道兩側(cè)深基坑開挖的圍護設(shè)計后，認(rèn)為軌道交通控制保護區(qū)內(nèi)，基坑開挖施工順序的選擇應(yīng)仔細(xì)考慮；張汝捷[7-9]等對包括區(qū)間隧道水平位移及收斂、區(qū)間道床豎向位移、管縫和裂縫、軌道幾何形態(tài)等在內(nèi)的主要指標(biāo)進(jìn)行評估研究后，發(fā)現(xiàn)基坑開挖時深基坑的施工對臨近地鐵區(qū)間隧道的影響總體表現(xiàn)為道床的下沉，隧洞結(jié)構(gòu)的徑向收斂、區(qū)間隧道水平方向的位移和軌距變化。綜上，對于既有鐵路隧道的基坑開挖的影響已經(jīng)有了較為完善的研究，但是基坑開挖不同支護形式對既有鐵路隧道影響的對比研究較少。本文采用MIDAS-GTS有限元軟件模擬不同支護方法基坑開挖對既有鐵路隧道的影響，進(jìn)行對比分析，結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本工程基坑周邊場地復(fù)雜，有既有鐵路隧道1座，半徑6 m，埋深6 m。因臨近鐵路，將鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護與地下連續(xù)墻支護方案進(jìn)行對比分析。其中，為增加實驗數(shù)據(jù)可靠性，設(shè)置兩種開挖工況。工況Ⅰ：基坑開挖深度12 m，分3次開挖，每次4 m，形狀為五邊形。工況Ⅱ：開挖深度15 m，分3次開挖，每次5 m，形狀為五邊形，兩種開挖情況下隧道基坑位置如圖1、圖2所示?；优c既有隧道最右側(cè)水平距離15 m，隧道拱頂與基坑底豎直距離6 m，隧道為復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌采用C20噴射混凝土?；悠矫嫒鐖D3所示。鉆孔灌注樁直徑1.2 m，地下連續(xù)墻墻厚1 m，鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻嵌固端深度18 m。土層總深度40 m，包含3個土層，第一層為雜填土20 m，第二層為黏土10 m，第三層為粉質(zhì)黏土10 m。因本工程整體結(jié)構(gòu)都在地下水位以上，故不考慮地下水問題。

圖1 隧道基坑位置(工況Ⅰ)圖(m)

圖2 隧道基坑位置(工況Ⅱ)圖(m)

圖3 基坑平面圖(m)

2 計算情況

2.1 計算模型

以京張城際鐵路基坑為背景，根據(jù)實際參數(shù)信息，建立MIDAS-GTS有限元3D計算模型。為充分考慮基坑及周圍土體對其的影響，模型尺寸為長 195.36 m、寬157.94 m、高40 m。該模型所受自重荷載及約束條件可通過靜力邊坡自動添加。計算模型如圖4所示。

圖4 計算模型圖

2.2 計算參數(shù)

本模型為彈塑性本構(gòu)模型，運用修正摩爾-庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行有限元計算，計算模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)表(kN/m/sec)

2.3 施工情況

本模型采用施工階段的求解類型，整個計算過程包括5個施工階段，分別為：地應(yīng)力平衡、隧道開挖、第一次開挖與基坑支護、第二次開挖與基坑支護以及第三次開挖與基坑支護。具體添加步驟如表3所示。

表3 施工階段步驟表

2.4 測點布置

選擇隧道與基坑并行區(qū)段中心截面以及此截面沿隧道方向前后20 m、40 m為監(jiān)測面，每個監(jiān)測面上布置8個測點，如圖5所示。

圖5 測點布置圖

3 應(yīng)力結(jié)果分析

3.1 隧道襯砌主應(yīng)力分析

計算完成后，提取兩種工況下，不同支護方案、不同基坑開挖階段，隧道與基坑并行區(qū)段中心截面處襯砌右拱肩位置的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)如圖6、圖7所示。

圖6 隧道襯砌最大主應(yīng)力圖

圖7 隧道襯砌最小主應(yīng)力圖

從圖6、圖7可以看，隨著開挖深度的不斷加深，兩種支護方案中隧道襯砌上的最大主應(yīng)力值和最小主應(yīng)力值均緩慢增長，不同工況下的最大主應(yīng)力值和最小主應(yīng)力值都是地連墻方案小于鉆孔灌注樁方案。

3次開挖完成后，隧道與基坑并行區(qū)段中心截面上的8個測點最大主應(yīng)力值如圖8、圖9所示。

圖8 隧道襯砌各測點最大主應(yīng)力圖

圖9 隧道襯砌各測點最小主應(yīng)力圖

從圖8、圖9可以看出，3次開挖完成后，兩種工況下的不同支護方案中，隧道襯砌上的最大主應(yīng)力值和最小主應(yīng)力值都隨著開挖的進(jìn)行而增大，均在右拱肩處達(dá)到最大。其中，連續(xù)墻方案下的最大主應(yīng)力值和最小主應(yīng)力值整體大于鉆孔灌注樁方案下的應(yīng)力值。

3.2 隧道襯砌剪應(yīng)力分析

計算完成后，提取兩種工況下，不同支護方案中，基坑開挖各階段時，隧道與基坑并行區(qū)段中心截面處，襯砌右拱肩位置剪力值(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)，如圖10所示。從圖10可以看出，隨著開挖深度的不斷加深，鉆孔灌注樁支護方案中隧道襯砌上的剪應(yīng)力逐漸增大，但并不顯著，工況Ⅰ剪力值最大為11.3 MPa，工況Ⅱ為12.8 MPa，均大于隧道襯砌所采用的C20混凝土抗剪強度2.7 MPa，此狀態(tài)下，隧道襯砌產(chǎn)生開裂，隧道結(jié)構(gòu)遭到破壞；連續(xù)墻支護方案中隧道襯砌所受剪應(yīng)力則逐漸緩慢增大，工況Ⅰ剪力值最大為1.6 MPa，工況Ⅱ為2.5 MPa，均小于C20混凝土抗剪強度，隧道襯砌不會開裂。

圖10 隧道襯砌剪力圖

3次開挖完成后，隧道與基坑并行區(qū)段中心截面上的8個測點剪應(yīng)力值如圖11所示。

圖11 隧道襯砌各測點剪力圖

從圖11可以看出，3次開挖完成后，兩種工況中不同支護方案隧道襯砌的剪應(yīng)力變化都較為平穩(wěn)，都在右拱肩處達(dá)到最大。其中，鉆孔灌注樁方案中的剪應(yīng)力值整體大于C20混凝土抗剪強度2.7 MPa，隧道襯砌有開裂風(fēng)險；而連續(xù)墻方案下的隧道襯砌剪應(yīng)力均符合要求，隧道不會開裂。

4 位移結(jié)果分析

4.1 隧道豎向位移分析

3次開挖之后，記錄兩種支護方法下的各監(jiān)測面數(shù)據(jù)(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)，如圖12、圖13所示。

圖12 隧道豎向位移折線(工況Ⅰ)圖

圖13 隧道豎向位移折線(工況Ⅱ)圖

從圖12、圖13可以看出，在兩種工況下，3次開挖完成后，鉆孔灌注樁支護方案中隧道襯砌豎向位移先增大后減小，在隧道中間面處達(dá)到最大，工況Ⅰ為14.1 mm，工況Ⅱ為15.7 mm；連續(xù)墻支護方案中隧道襯砌豎向位移變化基本平穩(wěn)，在隧道中間面處達(dá)到最大，工況Ⅰ為2.3 mm，工況Ⅱ為4.2 mm。GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的控制值為10 mm。因此鉆孔灌注樁支護方案并不滿足規(guī)范要求，而連續(xù)墻支護方案則滿足規(guī)范要求。

由上述結(jié)果可知，在基坑開挖完成后，隧道與基坑并行區(qū)段中心截面處豎向位移最大，監(jiān)測面上8個測點的豎向位移如圖14所示。

圖14 隧道各測點豎向位移折線圖

從圖14可以看出，3次開挖完成后，兩種工況不同支護方案下的豎向位移在靠近基坑處較大，其中，鉆孔灌注樁支護方案下，各測點位移變化較明顯；連續(xù)墻支護方案下，各測點位移變化相對平緩，兩種方案下的最大位移均發(fā)生在右拱肩處。

4.2 隧道水平位移分析

3次開挖之后，記錄兩種工況中，不同支護方案下的各監(jiān)測面數(shù)據(jù)(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)，得出每次開挖時隧道監(jiān)測面水平位移折線圖，如圖15、圖16所示。

圖15 隧道水平位移折線(工況Ⅰ)圖

圖16 隧道水平位移折線(工況Ⅱ)圖

從圖15、圖16可以看出，3次開挖完成后，鉆孔灌注樁方案下，隧道襯砌水平位移先增大后減小，在隧道中間截面處達(dá)到最大，工況Ⅰ為4.5 mm，工況Ⅱ為 6.5 mm；連續(xù)墻支護方案下，隧道襯砌水平位移基本平穩(wěn)，在隧道中間面處達(dá)到最大，工況Ⅰ為1.9 mm，工況Ⅱ為2.9 mm。GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的控制值為10 mm。因此，兩種支護方案均滿足要求。

由上述結(jié)果可知，在基坑開挖完成后，隧道與基坑并行區(qū)段中心截面處水平位移最大，監(jiān)測面上8個測點的水平位移量，如圖17所示。

圖17 隧道各測點水平位移折線圖

從圖17可以看出，3次開挖完成后，兩種工況不同支護方案的水平位移量均在靠近基坑處數(shù)值較大，其中鉆孔灌注樁支護方案下的位移量變化與連續(xù)墻支護方案相比更加明顯。兩種方案下的水平位移量都是在右拱肩處達(dá)到最大。

5 結(jié)論

本文通過分析不同支護方法基坑開挖對既有鐵路的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1)連續(xù)墻支護方案下隧道襯砌上的最大主應(yīng)力7.5 MPa(工況Ⅰ)、9.6 MPa(工況Ⅱ)和最小主應(yīng)力3.1 MPa(工況Ⅰ)、5.5 MPa(工況Ⅱ)明顯小于鉆孔灌注樁方案中最大主應(yīng)力14.5 MPa(工況Ⅰ)、17.2 MPa(工況Ⅱ)和最小主應(yīng)力13.5 MPa(工況Ⅰ)、11.3 MPa(工況Ⅱ)；同時，連續(xù)墻支護方案下隧道襯砌上的剪力值1.6 MPa(工況Ⅰ)、2.5 MPa(工況Ⅱ)也小于鉆孔灌注樁方案下的剪力值11.3 MPa(工況Ⅰ)、12.8 MPa(工況Ⅱ)，且地下連續(xù)墻方案下隧道襯砌不會開裂。

(2)在3次開挖過程中，連續(xù)墻支護方案中隧道中心截面沉降量2.3 mm(工況Ⅰ)、4.2 mm(工況Ⅱ)遠(yuǎn)小于鉆孔灌注樁支護方案沉降量14.1 mm(工況Ⅰ)、15.7 mm(工況Ⅱ)；兩種方案下的隧道水平位移量有少許差異，其中鉆孔灌注樁方案變化明顯。

(3)3次開挖完成后，隧道的豎向和水平位移均在隧道與基坑并行區(qū)段中心截面處達(dá)到最大，在此截面上，靠近基坑處及右拱肩處位移量最大，隨著測點遠(yuǎn)離基坑，位移量也相應(yīng)減小。同時，隧道襯砌上應(yīng)力值的變化也遵循這一規(guī)律。

(4)開挖深度為15 m時，隧道襯砌上的應(yīng)力值、隧道沉降量、隧道的水平位移量均大于開挖深度為 12 m時的數(shù)值。