鄰近既有盾構(gòu)隧道基坑工程施工安全影響評(píng)估

張光省，王燕平，張 磊1,，劉傳新1,

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112；2.揚(yáng)州市隧道管理處，揚(yáng)州 225100)

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國(guó)東部地區(qū)城市修建盾構(gòu)隧道的數(shù)量在逐年增長(zhǎng)，考慮到沿海軟土、淤泥質(zhì)黏土等不良地質(zhì)條件[1]，鄰近基坑工程建設(shè)會(huì)對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形態(tài)和穩(wěn)定性造成影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成隧道主體結(jié)構(gòu)的破壞，威脅交通運(yùn)營(yíng)安全[2]。因此，針對(duì)鄰近既有盾構(gòu)隧道的基坑工程施工安全影響評(píng)估具有重要的實(shí)用價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較多，楊駿等[3]采用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，就軟土地區(qū)深基坑施工過(guò)程對(duì)既有地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響原理及規(guī)律進(jìn)行研究。王道鋼[4]以某市金融城深基坑施工為背景，采用ABAQUS有限元軟件針對(duì)深基坑開(kāi)挖以及降水對(duì)鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，揭示各階段盾構(gòu)隧道位移和內(nèi)力的變化規(guī)律。范宇等[5]根據(jù)某市深基坑施工緊鄰既有城市地鐵車(chē)站及區(qū)間隧道的工程情況,采用有限元法對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究深基坑施工對(duì)緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道的影響以及應(yīng)采取的控制措施。

本研究針對(duì)某市基坑開(kāi)挖降水對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響，采用FLAC 3D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，揭示各階段盾構(gòu)隧道的位移和內(nèi)力變化規(guī)律，提出盾構(gòu)隧道保護(hù)的措施和對(duì)策，為工程設(shè)計(jì)、施工和風(fēng)險(xiǎn)控制工作提供參考。

1 工程概況

某市地產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目擬開(kāi)挖地下室基坑，深約為5.8 m，長(zhǎng)約為230 m，寬約為200 m，總建筑面積為102 285.59 m2，其中地上建筑面積為59 085.8 m2、地下建筑面積為43 199.79 m2?；泳捎萌S水泥攪拌樁止水，其中北側(cè)F～G段、南側(cè)B～C段和南側(cè)D～E段三軸水泥攪拌樁內(nèi)插長(zhǎng)為6 m的Φ108×6鋼管，地下室基坑各側(cè)均采用二級(jí)放坡支護(hù)方案，坡比為1∶0.75～1∶0.80，平臺(tái)寬為0.50 m，局部坑中坑等落深處也采用放坡支護(hù)方案,坡比為1∶0.75，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置

揚(yáng)州瘦西湖隧道東入口段靠近基坑工程北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，揚(yáng)州瘦西湖隧道于2011年8月開(kāi)始施工，2014年9月運(yùn)營(yíng)通車(chē)。該隧道工程設(shè)計(jì)為城市主干道-Ⅱ級(jí)，雙向4車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h，主線(xiàn)隧道中間段采用盾構(gòu)法施工，兩端均采用明挖法施工，目前隧道運(yùn)營(yíng)狀況良好。

隧道沿基坑北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一段敞開(kāi)段后，進(jìn)入暗埋段，基坑邊線(xiàn)至隧道主體結(jié)構(gòu)邊線(xiàn)約為30 m，基坑底板比隧道主體結(jié)構(gòu)底板低0.5～5.4 m。基坑與隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 基坑與隧道的相對(duì)位置關(guān)系

2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及影響分析

2.1 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)等相關(guān)規(guī)范[6-8]要求，確定安全控制標(biāo)準(zhǔn)量化指標(biāo)為：①隧道(外邊線(xiàn))兩側(cè)5 m范圍內(nèi)不得進(jìn)行任何工程施工；②隧道結(jié)構(gòu)水平位移預(yù)警值為10 mm、控制值為20 mm；③隧道結(jié)構(gòu)豎向位移預(yù)警值為10 mm、控制值為20 mm；④隧道徑向收斂預(yù)警值為10 mm、控制值為20 mm；⑤由于降水、維護(hù)樁施工等施工因素而引起的隧道外壁附加荷載≤20 kPa。

2.2 影響分析

采用同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件FRWS對(duì)基坑工程各個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對(duì)照安全控制標(biāo)準(zhǔn)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性符合要求，結(jié)構(gòu)安全得到保障。

3 基坑施工數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值仿真模型建立

采用FLAC 3D仿真計(jì)算軟件，建立331 m×346 m×30 m的三維模型，基坑靠近隧道一側(cè)與隧道主體結(jié)構(gòu)距離取30 m，三維仿真模型如圖3所示。

圖3 三維仿真模型

土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道主體結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，巖土材料的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用各向同性的線(xiàn)彈性本構(gòu)模型，模型各項(xiàng)材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 模型各項(xiàng)材料的物理力學(xué)參數(shù)

模型左右邊界約束水平方向的位移，底部邊界約束豎向位移，地表為自然邊界，所有自由度均不約束，滲流邊界采用不透水邊界條件。在隧道主體結(jié)構(gòu)內(nèi)邊界和基坑開(kāi)挖后的內(nèi)邊界上，固定節(jié)點(diǎn)孔壓為0，模擬隧道內(nèi)部和基坑內(nèi)部的實(shí)際流體邊界狀態(tài)。

模型計(jì)算步驟為：①初始平衡；②隧道開(kāi)挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工；③基坑疏干降水；④第一層基坑開(kāi)挖；⑤第二層基坑開(kāi)挖。在基坑開(kāi)挖之前，應(yīng)將模型的位移清零，并在每層基坑施工完成后，提取基坑和隧道結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力，以定量分析基坑施工對(duì)隧道的影響。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 基坑降水對(duì)隧道的影響

初始地下水位埋深為2.5 m，基坑開(kāi)挖深度為5.8 m，疏干降水至坑底以下0.5 m后，降水后隧道水平位移分布云圖如圖4所示，降水后隧道豎向位移分布云圖如圖5所示，降水后隧道最大主應(yīng)力分布云圖如圖6所示，降水后隧道最小主應(yīng)力分布云圖如圖7所示。

圖4 降水后隧道水平位移分布云圖(單位：m)

圖5 降水后隧道豎向位移分布云圖(單位：m)

圖6 降水后隧道最大主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖7 降水后隧道最小主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

基坑降水后，隧道水平位移最大值為1.63 mm，豎向位移最大值為2.45 mm。根據(jù)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，隧道的水平變形、豎向變形以及合位移均小于預(yù)警值，滿(mǎn)足要求。最大主應(yīng)力最大值為0.847 MPa，為拉應(yīng)力，小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最小主應(yīng)力最大值為-2.21 MPa，為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，表明此時(shí)結(jié)構(gòu)較為安全。

3.2.2 第一層基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響

第一層基坑開(kāi)挖后隧道水平位移云圖如圖8所示，第一層基坑開(kāi)挖后隧道豎向位移云圖如圖9所示，第一層基坑開(kāi)挖后隧道最大主應(yīng)力云圖如圖10所示，第一層基坑開(kāi)挖后隧道最小主應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖8 第一層基坑開(kāi)挖后隧道水平位移云圖(單位：m)

圖9 第一層基坑開(kāi)挖后隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖10 第一層基坑開(kāi)挖后隧道最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖11 第一層基坑開(kāi)挖后隧道最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

第一層基坑施工結(jié)束后，隧道水平位移最大值為2.85 mm，豎向位移最大值為5.89 mm，位移最大的位置出現(xiàn)在隧道敞口段與暗埋段的連接部位附近，根據(jù)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，隧道的水平變形和豎向變形均小于預(yù)警值，滿(mǎn)足要求。最大主應(yīng)力最大值約為1.07 MPa，為拉應(yīng)力，小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最小主應(yīng)力最大值約為-2.77 MPa，為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，表明此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)較為安全，無(wú)裂損風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 第二層基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響

第二層基坑開(kāi)挖后隧道水平位移云圖如圖12所示，第二層基坑開(kāi)挖后隧道豎向位移云圖如圖13所示，第二層基坑開(kāi)挖后隧道最大主應(yīng)力云圖如圖14所示，第二層基坑開(kāi)挖后隧道最小主應(yīng)力云圖如圖15所示。

圖12 第二層基坑開(kāi)挖后隧道水平位移云圖(單位：m)

圖13 第二層基坑開(kāi)挖后隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖14 第二層基坑開(kāi)挖后隧道最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖15 第二層基坑開(kāi)挖后隧道最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

第二層基坑施工結(jié)束后，最大水平位移約為3.35 mm，最大豎向位移約為6.89 mm，位移最大的位置出現(xiàn)在隧道敞口段與暗埋段的連接部位附近，根據(jù)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，第二層基坑開(kāi)挖完成后，隧道的水平變形和豎向變形均未超出預(yù)警值，但在隧道敞口段與暗埋段的連接部位附近，合位移值極為接近預(yù)警值，考慮到施工時(shí)的擾動(dòng)以及現(xiàn)場(chǎng)不可控因素的影響，敞口段與暗埋段的連接段施工應(yīng)采取相應(yīng)的控制措施，減少基坑施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

隧道的最大主應(yīng)力最大值約為1.47 MPa，為拉應(yīng)力，小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最小主應(yīng)力最大值約為-3.496 MPa，為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。此時(shí)揚(yáng)州瘦西湖隧道敞口段與暗埋段的連接部位附近的最小主應(yīng)力值較大，而在隧道入口處則是最大主應(yīng)力值較大，考慮到實(shí)際施工擾動(dòng)可能導(dǎo)致敞口段入口處產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂損的情況，施工中應(yīng)予以重視。

3.2.4 計(jì)算結(jié)果匯總

將前文分析的隧道結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力響應(yīng)情況進(jìn)行匯總，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道影響的仿真計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 基坑開(kāi)挖對(duì)隧道影響的仿真計(jì)算結(jié)果匯總

4 結(jié)論

采用FLAC 3D軟件對(duì)基坑施工進(jìn)行流固耦合計(jì)算，從數(shù)值仿真的角度研究基坑施工對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，得到以下結(jié)論。

(1)基坑降水及第一層基坑開(kāi)挖完成后，隧道的受力和變形量均遠(yuǎn)小于預(yù)警值，但第二層基坑開(kāi)挖完成后，隧道的總體變形量極為接近預(yù)警值。

(2)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，位移最大的位置出現(xiàn)在隧道敞口段與暗埋段的連接部位附近，施工時(shí)應(yīng)將隧道結(jié)構(gòu)外線(xiàn)兩側(cè)5 m范圍設(shè)為特別保護(hù)區(qū)，特別保護(hù)區(qū)內(nèi)不得進(jìn)行任何工程活動(dòng)，如堆載、開(kāi)挖和降水等，另外還須做好隧道的定期檢查及變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作。

(3)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)注意控制注漿壓力，防止注漿壓力過(guò)大引起周邊土體上拱或側(cè)移。建議基坑內(nèi)疏干降水深度控制在基坑底以下0.5 m左右。雨期施工時(shí)，應(yīng)在基坑內(nèi)底和基坑頂采取有效的截排水措施。

(4)本研究分析了基坑開(kāi)挖施工各階段對(duì)盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)受力和變形的影響規(guī)律，提出盾構(gòu)隧道的保護(hù)對(duì)策，可為相關(guān)工程的施工和風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。