非對(duì)稱基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道變形性分析

傅志斌， 涂序超， 徐有娜

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100007)

基坑開挖會(huì)改變?cè)型馏w的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，開挖卸荷會(huì)使周邊土體發(fā)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致周邊地鐵車站及隧道變形并產(chǎn)生附加應(yīng)力[1-3]，進(jìn)而影響地鐵的正常運(yùn)作和安全[4,5]。因此，基坑開挖和降水對(duì)周邊地鐵隧道變形的影響成為當(dāng)下的焦點(diǎn)。許四法等[6]研究了TRD施工對(duì)臨近地鐵隧道的影響，TRD施工對(duì)鄰近隧道存在擠土問題，隧道呈現(xiàn)水平收縮和側(cè)向變形的模式；徐國(guó)元等[7]基于Mindlin經(jīng)典解，在考慮基坑底殘余應(yīng)力和圍護(hù)樁效應(yīng)的影響下，得出了基坑開挖對(duì)于隧道處附加應(yīng)力的計(jì)算公式；陳仁朋等[8]得出基坑開挖卸荷引起隧道周邊地層水平向土壓力以及隧道沉降等響應(yīng)規(guī)律；曹前[9]對(duì)基坑開挖卸荷下的隧道結(jié)構(gòu)變形和管片內(nèi)力進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了合理分倉(cāng)開挖寬度的施工措施。

本文結(jié)合沈陽金廊深基坑工程，利用MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件模擬，分析基坑開挖施工引起的地鐵車站和隧道區(qū)間水平位移和沉降情況，以及基坑降水對(duì)隧道的沉降影響，驗(yàn)證了工程施工的合理性和安全性，為類似工程建設(shè)起到一定的參考作用。

1 工程概況

1.1 基坑與地鐵隧道的相對(duì)位置

基坑工程位于沈陽市沈河區(qū)，鄰近地鐵2號(hào)線，基坑開挖深度為20.25～23.55 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣距離地鐵車站主體結(jié)構(gòu)最小水平距離21.7 m，鄰近基坑側(cè)地鐵隧道埋深約為22.2 m，位于新建基坑底以下約1.9 m。地鐵2號(hào)線出入口結(jié)構(gòu)外邊緣與新建基坑圍護(hù)樁外邊緣最小水平距離9.4 m，鄰近基坑附近出入口底板最大埋深約為7.0 m，位于新建基坑底以上約13.0 m，如圖1所示。

圖1 基坑與隧道位置示意圖

1.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)地面標(biāo)高、基底標(biāo)高、周邊環(huán)境、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件不同，設(shè)計(jì)分為15個(gè)支護(hù)剖面，鄰近地鐵隧道區(qū)間及出入口側(cè)主要涉及P-Q、N-O、O-A剖面。P-Q支護(hù)剖面：基坑西南角，地面標(biāo)高42.90 m，基底標(biāo)高21.65 m，采用護(hù)坡樁+內(nèi)支撐支護(hù)，護(hù)坡樁Φ1 000@1 400。N-O支護(hù)剖面：基坑西側(cè)，地面標(biāo)高42.90 m，基底標(biāo)高22.25 m，采用雙排樁+四道錨索支護(hù)，雙排護(hù)坡樁Φ1 200@1 600，排樁間距3 000 mm。O-A支護(hù)剖面：基坑西側(cè)，地面標(biāo)高42.90 m，基底標(biāo)高19.35 m，采用雙排樁+四道錨索支護(hù)，雙排護(hù)坡樁Φ1 200@1 600，排樁間距3 000 mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 三維有限元模型的建立

考慮相對(duì)位置及開挖影響范圍，利用MIDAS/GTS有限元軟件建立分析模型，為消除邊界效應(yīng)，大小選取330 m(X) × 120 m(Y) × 60 m(Z)，如圖2所示。

圖2 基坑三維有限元模型

2.2 模型參數(shù)的選取

綜合考慮地鐵2號(hào)線車站附屬結(jié)構(gòu)、區(qū)間結(jié)構(gòu)與基坑的相對(duì)位置關(guān)系以及基坑開挖影響范圍經(jīng)驗(yàn)值，建立三維計(jì)算模型，模型中周圍土體采用實(shí)體單元模擬，圍護(hù)樁之間連梁及內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M，不同土層采用不同材料模擬，地層模型采用大變形理論。邊界條件除頂面為自由邊界外，其他面均為法向約束。地鐵2號(hào)線車站附屬結(jié)構(gòu)、區(qū)間結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬,基坑圍護(hù)樁按剛度等效采用地下連續(xù)墻模擬，地下連續(xù)墻厚度h按等剛度轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

式中：D為圍護(hù)樁的直徑，m；t為樁間凈距離，m；h為樁體等效剛度即等效地連墻的厚度，m。

通過計(jì)算可得出等效地連墻厚度h約為0.9 m。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，依照地層特性對(duì)相近土層參數(shù)取加權(quán)平均值，并根據(jù)數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)值確定。計(jì)算模型中選取的參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 基坑開挖步序

基坑開挖分為地下連續(xù)墻施工、土體開挖、基坑底施加建筑荷載幾個(gè)階段。首先地下連續(xù)墻施工，然后分塊開挖至第二、第三、第四、第五鋼支撐梁墊層底，依次施做錨索和內(nèi)支撐，最后開挖至基底，施加上部建筑荷載。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑開挖步驟

地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)水平最大位移值為3.33 mm，位于出入口靠近地面處，方向趨向基坑，發(fā)生于基坑開挖至基底階段；豎向最大位移值為3.29 mm，位于近接基坑處既有出入口結(jié)構(gòu)側(cè)墻，方向?yàn)樯细?，發(fā)生于基坑開挖至基底階段。出入口扶梯位置上下端差異位移值為0.8 mm。出入口結(jié)構(gòu)最大位移云圖如圖3所示。

(a)水平位移云圖 (b)豎向位移云圖

3.2 隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)及地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)水平位移分析

基坑模擬施工階段，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)水平最大位移值為3.44 mm，位于鄰近基坑側(cè)既有區(qū)間結(jié)構(gòu)，方向?yàn)橼呄蚧?；擬建工程整個(gè)施工期間引起的區(qū)間結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)為先上浮后沉降，最大上浮3.62 mm，發(fā)生在基坑開挖到基底階段。施加建筑荷載階段，區(qū)間結(jié)構(gòu)最大沉降2.23 mm。根據(jù)模擬結(jié)果，選取特殊點(diǎn)的變形趨勢(shì)反映施工期間各個(gè)模擬階段結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)，地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大位移如圖4所示。

圖4 隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)最大水平與豎向位移圖

地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移如圖5所示，地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖完成之后，地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移為6.84 mm，發(fā)生在基坑開挖到基底，方向?yàn)橼呄蚧娱_挖側(cè)，圍護(hù)樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水平位移最大值為6.43 mm。地下連續(xù)墻最大水平位移云圖如圖6所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移趨勢(shì)相同，水平位移值沿深度方向逐漸減小，同一深度處越靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)中心處水平位移值越大，越靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩端其對(duì)水平位移的約束力越強(qiáng)，水平位移值越小。

圖5 圍護(hù)樁深層水平位移實(shí)測(cè)值圖 圖6 地下連續(xù)墻最大水平位移云圖

3.3 基坑降水對(duì)地鐵隧道的影響

計(jì)算場(chǎng)地地面標(biāo)高42.90 m，2019年地下水位標(biāo)高按最不利情況取值33.73 m。由于工程場(chǎng)地實(shí)際水文地質(zhì)條件復(fù)雜，需考慮場(chǎng)地滲流場(chǎng)的分布、土層特性、場(chǎng)地各部位應(yīng)力變化等多種因素影響。參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，根據(jù)地層模型模擬地鐵結(jié)構(gòu)深度土層在水位變化情況下降水引起的有效應(yīng)力作用，計(jì)算不同部位土層的沉降變形，如圖7所示。

圖7 地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

按最不利情況考慮，降水引起地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)沉降值為0.8 mm，隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降值為0.6 mm，施工期內(nèi)降水引起有效應(yīng)力增加導(dǎo)致的地層固結(jié)沉降不大，地鐵結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期緩和而均勻的沉降，且地鐵結(jié)構(gòu)施工時(shí)已進(jìn)行過降水施工，不會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)造成破壞性影響。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

以隧道拱頂作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距10 m在地鐵側(cè)區(qū)間內(nèi)選擇5個(gè)斷面在地鐵側(cè)區(qū)間內(nèi)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，隧道區(qū)間沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖8所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與沉降模擬對(duì)比圖如圖9所示。從圖9可以看出，數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值變形趨勢(shì)基本吻合，豎向位移變形趨勢(shì)為先上浮后沉降，模擬計(jì)算值為3.62 mm，實(shí)測(cè)值為2.65 mm。隨基坑開挖地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)上浮，在基坑開挖到基底時(shí)，地鐵隧道上浮量達(dá)到最大，隨后基礎(chǔ)筏板施工和上部荷載施加，沉降值發(fā)生陡降后趨于穩(wěn)定。表明結(jié)構(gòu)底板的澆筑和上部荷載的施加可以有效抵抗坑底的隆起變形。

圖8 隧道區(qū)間沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖 圖9 隧道區(qū)間沉降模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

5 結(jié) 語

(1)基坑開挖深度與鄰近地鐵埋深相近時(shí)，在基坑開挖卸荷的作用下，隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)整體上浮，越靠近基坑中心，變形幅度越大，但整體豎向和水平向位移不大。建筑荷載施加后，隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生沉降。隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)整體趨勢(shì)表現(xiàn)為先上浮后沉降。

(2)基坑開挖施工對(duì)車站出入口位移影響不明顯，基坑開挖卸荷會(huì)造成車站出入口整體下沉和偏向基坑方向側(cè)移，出入口扶梯位置上下端差異變形值為0.8 mm。計(jì)算結(jié)果滿足安全性要求，支護(hù)方案可行。

(3)基坑降水對(duì)周邊的地鐵隧道變形影響較小，所引起地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)沉降值為0.8 mm，隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降值為0.6 mm，施工期內(nèi)降水引起有效應(yīng)力增加而導(dǎo)致的地層沉降不大。