長(zhǎng)距離并行基坑施工對(duì)臨近地鐵隧道的影響

楊鵬

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250001

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，用地資源愈加緊張，臨近地鐵的基坑工程越來(lái)越多。為保證城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)安全，需要研究基坑施工影響范圍內(nèi)的地鐵隧道位移、變形和應(yīng)力等的變化規(guī)律[1-4]。

研究臨近地鐵基坑施工的主要方法包括理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等[5-8]。理論計(jì)算一般不考慮地鐵隧道和周圍土體的非線性作用，需進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，計(jì)算精度較低[9-12]；對(duì)于已運(yùn)營(yíng)隧道，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)受到諸多限制，較難做到與基坑施工實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)，數(shù)值計(jì)算逐漸成為基坑施工對(duì)臨近地鐵影響分析的有效手段[13-16]。王永偉[17]分析了基坑開挖深度對(duì)臨近地鐵隧道的影響規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)基坑開挖深度與地鐵隧道上覆土厚度之比大于0.5時(shí)，隧道豎向位移與基坑開挖深度近似呈線性變化。李平等[18]利用數(shù)值模擬計(jì)算，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在一定的深度范圍內(nèi)采用人工抽條開挖可明顯減小地鐵隧道的隆起變形速率。黃戡等[19]研究了滲流應(yīng)力耦合作用下基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道的影響，并提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

以往研究對(duì)象大多為單一的、短距離基坑臨近既有地鐵隧道施工，對(duì)于長(zhǎng)距離并行基坑臨近地鐵隧道的影響分析較少。本文以濟(jì)南市某臨近地鐵隧道基坑的開挖為背景，采用數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，研究長(zhǎng)距離并行基坑施工對(duì)臨近地鐵隧道產(chǎn)生的應(yīng)力及沉降影響。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

擬建道路工程位于濟(jì)南市歷下區(qū)，長(zhǎng)約3.2 km。該道路為城市主干路，設(shè)計(jì)車速為50 km/h，采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，路基為土路基，路面設(shè)計(jì)標(biāo)高為35.25～38.35 m，擬修道路寬52.50 m，道路工程包含電力溝、雨水管和污水管的施工。其中雨水管和污水管的基坑深約4.2 m，電力溝基坑深約7.2 m，長(zhǎng)約1.8 km。

該工程基坑緊鄰某軌道交通區(qū)間已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道，與區(qū)間隧道并行敷設(shè)，并行段長(zhǎng)1.5 km，區(qū)間隧道埋深14.1～31.3 m，區(qū)間主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土管片，基坑底部距離區(qū)間隧道最近處約為8.55 m，打設(shè)鋼板樁距離區(qū)間隧道僅2.2 m，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。該工程與區(qū)間隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖1、2所示。

高程單位：m。 圖1 擬建道路工程與區(qū)間隧道平面位置關(guān)系

未注明長(zhǎng)度單位：mm，高程單位：m。 圖2 擬建道路工程與區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

擬建道路工程影響范圍內(nèi)的巖土體主要為素填土、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土、殘積土、全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖及強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖等。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，沿線地下水為潛水、大氣降水，河流側(cè)向補(bǔ)給為主要補(bǔ)給來(lái)源，地下水的主要排泄方式為蒸發(fā)和向低處滲流。勘測(cè)期間，地下水穩(wěn)定水位埋深3.60～5.50 m，相應(yīng)的水位標(biāo)高26.44～27.44 m，地下水水位年變幅為1～2 m。地下水對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的混凝土及鋼筋具有微弱腐蝕性。

1.3 基坑支護(hù)方案

污水管和雨水管的基坑支護(hù)采用1:1放坡+掛網(wǎng)噴混結(jié)構(gòu)，基坑最深處深約4.2 m；電力溝基坑深約7.2 m，距離盾構(gòu)隧道較近，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，基坑采用15 m拉森Ⅳ新型鋼板樁(400 mm×170 mm×15.5 mm)-鋼支撐(直徑299 mm，壁厚12 mm)結(jié)構(gòu)，支撐間距為3 m。由于地下水水位較高，施工時(shí)基坑內(nèi)采用疏干井進(jìn)行降水疏干，同時(shí)采用坑外打設(shè)回灌井回灌等措施，保證盾構(gòu)隧道周邊土體的水位相對(duì)穩(wěn)定。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)判定

依據(jù)文獻(xiàn)[20-21]的相關(guān)要求，雨水管和污水管的基坑距離區(qū)間隧道約16.7～17.6 m，位于一般影響區(qū)內(nèi)，外部作業(yè)影響等級(jí)為三級(jí)；電力溝基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距離區(qū)間隧道約2.2～2.3 m，位于顯著影響區(qū)內(nèi)，外部作業(yè)影響等級(jí)為二級(jí)，綜合評(píng)定該項(xiàng)目基坑工程對(duì)濟(jì)南地鐵區(qū)間隧道的影響等級(jí)為二級(jí)。

2 數(shù)值分析

2.1 建模

根據(jù)基坑工程與軌道交通區(qū)間隧道的空間關(guān)系，采用有限差分軟件FLAC3D建立基坑三維計(jì)算模型。假定巖土體為連續(xù)均勻介質(zhì)，只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)作用，巖土體采用摩爾-庫(kù)倫模型，鋼支撐、鋼板樁分別采用內(nèi)置cable結(jié)構(gòu)單元、shell結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬[22-26]。

區(qū)間隧道管片外徑為6.4 m，內(nèi)徑為5.8 m，綜合考慮模型的影響范圍與計(jì)算效率，以盾構(gòu)隧道方向?yàn)閥軸，豎直方向?yàn)閦軸，南北方向?yàn)閤軸，模型的長(zhǎng)×寬×高為60 m×60 m×70 m，共劃分為442 896個(gè)單元，452 183個(gè)節(jié)點(diǎn)。巖土體與結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表1、2所示，數(shù)值計(jì)算模型如圖3、4所示。

表1 巖土體計(jì)算參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

圖3 基坑計(jì)算模型 圖4 基坑與隧道相對(duì)位置關(guān)系

2.2 基坑開挖步驟及主要計(jì)算步驟

基坑開挖包括3個(gè)步驟。

1)盾構(gòu)隧道開挖模擬

采用分部開挖施工、先開挖左線后開挖右線的方法進(jìn)行盾構(gòu)模擬施工。假設(shè)模型的四周、底部邊界為法向約束，地表自由，先開挖盾構(gòu)隧道，通過(guò)null命令將盾構(gòu)管片內(nèi)的土體改為空模型，進(jìn)行隧道開挖模擬，開挖后賦予盾構(gòu)管片單元相應(yīng)參數(shù)，模擬管片的支護(hù)，開挖右側(cè)盾構(gòu)隧道的模擬方法與左側(cè)隧道相同，得到盾構(gòu)施工后巖土體應(yīng)力，清除節(jié)點(diǎn)位移和塑性區(qū)，最后生成鋼板樁結(jié)構(gòu)。

2)基坑施工

沿縱向基坑60 m范圍進(jìn)行一次性開挖，先進(jìn)行電力溝基坑開挖模擬，生成鋼支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)null命令將基坑內(nèi)的土體改為空模型，進(jìn)行基坑開挖模擬。

3)電力溝結(jié)構(gòu)施工和電力溝基坑回填

在模型中賦予電力溝結(jié)構(gòu)實(shí)體單元相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，生成電力溝板墻結(jié)構(gòu)，模擬電力溝施工，再賦予電力溝基坑范圍內(nèi)實(shí)體單元相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，生成基坑范圍內(nèi)土體，模擬電力溝基坑上部土體回填施工。

重復(fù)步驟2)、3)，分別對(duì)雨水管和污水管施工全過(guò)程進(jìn)行模擬。

基坑施工主要計(jì)算步驟如表3所示。

表3 基坑施工主要計(jì)算步驟

2.3 數(shù)值計(jì)算分析

2.3.1 盾構(gòu)隧道變形分析

各基坑開挖及回填后，各計(jì)算步驟后管片的最大豎向位移、最大水平位移如表4所示，盾構(gòu)管片的變形云圖如圖5所示，模型中心斷面處管片豎向累計(jì)位移隨計(jì)算步驟變化曲線如圖6所示。

圖5 各基坑開挖及回填后的管片變形云圖

表4 基坑施工各計(jì)算步驟后管片的最大豎向位移、最大水平位移 mm

圖6 模型中心斷面處管片豎向累計(jì)位移隨計(jì)算步驟變化曲線

由圖5及表4可知：電力溝基坑開挖后，盾構(gòu)管片產(chǎn)生較大的豎向位移，最大豎向位移為2.67 mm，污水管和雨水管基坑開挖對(duì)豎向位移影響較小，所有基坑施工完成后，盾構(gòu)管片變形均能滿足文獻(xiàn)[20]相關(guān)要求。

圖7 管片位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

由圖6可知：隨著電力溝基坑分步開挖，盾構(gòu)隧道上部卸載作用明顯，盾構(gòu)管片頂部逐漸隆起，開挖到坑底時(shí)在管片拱頂附近出現(xiàn)盾構(gòu)隧道最大豎向變形；基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)施作完成且基坑回填后，盾構(gòu)管片變形減??；開挖污水管和雨水管基坑對(duì)區(qū)間隧道變形均有一定的影響，但污水管和雨水管基坑位于一般影響區(qū)內(nèi)，對(duì)區(qū)間隧道影響較小。

為分析基坑施工對(duì)區(qū)間隧道的影響，在電力溝、雨水管及污水管基坑施工中需監(jiān)測(cè)盾構(gòu)管片拱腰水平位移、拱頂豎向位移，沿隧道軸向每隔2 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[27-28]。管片位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示，同一工況下拱頂和拱腰處監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8、9所示。

曲率半徑

可計(jì)算得到管片豎向最小曲率半徑為71 428 m，管片水平向最小曲率半徑為83 343 m，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[20]限定的15 000 m，均滿足規(guī)范要求。

圖8 同一工況下沿隧道軸向拱頂豎向位移曲線 圖9 同一工況下沿隧道拱腰水平位移曲線

2.3.2 盾構(gòu)隧道應(yīng)力分析

電力溝、污水管及雨水管基坑開挖打破了原有土體中管片的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致管片應(yīng)力重新分布，形成二次應(yīng)力平衡，引起隧道管片應(yīng)力變化，如圖10所示。

a)豎向 b)水平向圖10 基坑施工引起的盾構(gòu)管片應(yīng)力云圖

由圖10可知：各基坑施工后，對(duì)管片豎向應(yīng)力影響較大，盾構(gòu)管片拱肩位置形成豎向壓應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為2.29 MPa；仰拱位置盾構(gòu)管片水平向應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為2.13 MPa。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

為保證地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)安全，采用測(cè)量機(jī)器人組建的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)基坑施工影響范圍內(nèi)的地鐵隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括隧道豎向位移、隧道水平位移、隧道凈空收斂、軌道橫向高差和軌向高差[27-28]。盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。拱頂豎向累計(jì)位移觀測(cè)結(jié)果隨時(shí)間變化曲線如圖12所示。

圖11 盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖 圖12 拱頂豎向累計(jì)位移觀測(cè)結(jié)果隨時(shí)間變化曲線

由圖12可知：基坑開挖下方區(qū)間左、右線隧道拱頂豎向累計(jì)位移隨時(shí)間的變化規(guī)律相似，基坑施工中盾構(gòu)隧道拱頂處管片最大豎向位移為2.53 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為2.67 mm，二者僅相差0.14 mm。在基坑分步開挖中，盾構(gòu)管片拱頂位置豎向位移增大；隨著基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工完畢，基坑回填后，盾構(gòu)管片豎向位移減小，其變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。

根據(jù)監(jiān)測(cè)單位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，管片拱腰處水平位移變化幅度較小，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道拱腰處最大水平位移為1.87 mm，水平位移平均日變化量為0.142 mm/d，軌道最大豎向位移為0.812 mm，最大水平位移為0.298 mm，最大橫向高差為0.098 mm，最大軌向高差為1.124 mm，最大徑向收斂為0.59 mm，均滿足文獻(xiàn)[20]要求。

基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)施作完成，待基坑回填后，盾構(gòu)管片和軌道結(jié)構(gòu)的變形均有一定的回彈，表明及時(shí)進(jìn)行基坑回填可減小坑底暴露的時(shí)間，有效控制地鐵隧道變形。

4 結(jié)論

1)濟(jì)南市歷下區(qū)某道路污水管、雨水管與電力溝基坑工程施工對(duì)地鐵隧道的影響等級(jí)為二級(jí)，基坑施工打破原有的土體應(yīng)力平衡狀態(tài)，基坑開挖引起臨近隧道盾構(gòu)管片及軌道結(jié)構(gòu)變形。

2)采用有限差分軟件FLAC3D建立基坑三維計(jì)算模型，分析基坑施工過(guò)程中盾構(gòu)管片的位移變化。結(jié)果表明：盾構(gòu)管片最大豎向位移為2.67 mm，最大水平位移為1.84 mm，為本工程最不利工況。數(shù)值分析結(jié)果與隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相差較小，數(shù)值分析可提前預(yù)測(cè)工程施工中的最薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)工程建設(shè)有一定的指導(dǎo)作用。

3)基坑開挖引起盾構(gòu)管片上部土體卸載，容易導(dǎo)致管片產(chǎn)生應(yīng)力集中，施工中盾構(gòu)管片最大豎向應(yīng)力為2.29 MPa，最大水平向應(yīng)力為2.13 MPa，均未超過(guò)管片材料的強(qiáng)度。

模型計(jì)算中未考慮鋼板樁施工震動(dòng)對(duì)地鐵隧道的影響，鋼板樁距離盾構(gòu)隧道最小凈距僅為2.2 m，為保證施工安全，需嚴(yán)格控制鋼板樁的施工精度，建議將鋼板樁打設(shè)震動(dòng)引起的峰值速度控制在2.5 cm/s以內(nèi)。