海晏北路站～福慶北路站區(qū)間隧道變形分析

胡增輝

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，浙江 寧波）

引言

隨著城市化飛速發(fā)展, 為緩解地面交通的巨大壓力,地鐵線路在我國大中城市中分布越來越密集，周邊環(huán)境越來越復(fù)雜。周邊基坑開挖勢必會(huì)對(duì)地鐵隧道造成一定影響[1]，Liang R 等[2]學(xué)者提出一種兩階段分析方法，預(yù)測鄰近地鐵隧道的基坑開挖變形對(duì)隧道的影響，李益斌等[3]學(xué)者根據(jù)蘇州特有軟土地區(qū)基坑開挖實(shí)際變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析其對(duì)周邊環(huán)境的影響；高廣運(yùn)、李宇升、Shi J 等[4-6]學(xué)者通過數(shù)值計(jì)算方法，研究了深基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道區(qū)間的影響；鄭加柱等[7]學(xué)者構(gòu)建了顧及基坑開挖深度的動(dòng)態(tài)變形分析模型；針對(duì)在基坑開挖卸荷的過程中，合理的預(yù)測基坑其對(duì)隧道變形影響,以便合理利用有效的手段進(jìn)行保護(hù)，在實(shí)際工程中有較大的實(shí)踐意義。

本文以寧波東部新城基坑為研究對(duì)象，其邊界與軌道交通一號(hào)線海晏北路站～福慶北路站區(qū)間（以下簡稱“海～福區(qū)間”）的隧道相鄰，基坑開挖前，該地鐵區(qū)間還未運(yùn)營，在開挖時(shí)間段，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示臨近的地鐵隧道，即海～福區(qū)間隧道，隧道壁表面逐漸有滲水現(xiàn)象出現(xiàn)，有大概四百多環(huán)管片貫通縫，出現(xiàn)重大險(xiǎn)情[8-9]，因此，對(duì)隧道病害進(jìn)行分析十分必要。本文采用有限元[10-11]分析方法，以隧道變形與基坑開挖之間的聯(lián)系進(jìn)行建模分析，獲得隧道變形與基坑開挖之間的聯(lián)系，基于此，為進(jìn)一步對(duì)隧道進(jìn)行更好的維護(hù)提供參考和依據(jù)。

1 工程背景

1.1 已建隧道工程概況

本文以寧波市軌道交通一號(hào)線海晏北路站～福慶北路站區(qū)間（以下簡稱“?！^(qū)間”）附近基坑開挖為研究對(duì)象。晏北路站在2011 年5 月主體結(jié)構(gòu)完成頂板澆筑，?！^(qū)間在2011 年11 月完成盾構(gòu)貫通；海晏北路站～福慶北路站區(qū)間起止里程為：右線K17+356.021 ～K18+102.477 （總長約0.7KM），在K17+867.000 處設(shè)一聯(lián)絡(luò)通道兼泵站。區(qū)間隧道斷面為單洞單線圓形隧道，外徑6.2 m，兩線凈間距3 m。海～福區(qū)間隧道縱坡最大坡度為25‰，頂部埋深為8.77～15.9 m，最小平面曲線半徑為600 m。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間土質(zhì)情況如表1 所示。

表1 隧道區(qū)間土質(zhì)情況

1.2 隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測單位對(duì)?！^(qū)間隧道進(jìn)行變形監(jiān)測，以2011 年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了3 月30 日、3 月26日、3 月30 日的監(jiān)測，數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 隧道區(qū)間變形情況

由圖中可以看出，隨著時(shí)間的增長，隧道位移值呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，且變化量較大，至30 日時(shí)，累計(jì)變化量達(dá)到46.7 mm，變形情況需要引起高度重視；從沉降數(shù)據(jù)來看，數(shù)值變化明顯，累計(jì)變化量在30 日時(shí)也達(dá)到了23.7 mm，沉降現(xiàn)象明顯；從隧道的橫向收斂和豎向收斂來看，隧道的變形情況也是較為嚴(yán)重的，至30 日，分別達(dá)到24 mm及23 mm 的累積值。因此，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，隧道存在明顯的變形，對(duì)其進(jìn)行變形分析是十分必要的。

1.3 相鄰基坑情況介紹

該基坑臨近海晏北路站至福慶北路地鐵站，距離區(qū)間段北部大概11 m的位置，寧波東部新城C1-6、C1-7 地塊，施工日期為2012 年1 月初；涉及地塊形狀為矩形，有兩層地下車庫，位于寧穿路以北，海晏路以東，河清路以西，南邊存在大斜邊，其總開挖面積約為24 800 m2。基坑的結(jié)構(gòu)形式為排樁加兩道內(nèi)支撐，設(shè)計(jì)深度在11.4～12.0 m。

具體位置如表2。

表2 基坑位置

基坑與隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖2、圖3 所示。

圖2 相對(duì)位置平面圖

圖3 剖面圖

2 數(shù)值模擬分析

針對(duì)臨近基坑與隧道變形產(chǎn)生這一問題，考慮到該基坑與臨近地鐵隧道之間的大概位置基本平行，可以將該問題看為平面應(yīng)變問題[12-13]，本文采用有限元的方法，利用Mohr-Coulomb 模型[14-15]用于建模，模型基坑開挖深度為12 m，地鐵隧道內(nèi)徑5.5 m，管片厚度為350 mm，埋深10 m，距離基坑邊緣為11 m。采用殼單元模擬地鐵隧道，用板單元模擬支護(hù)樁，錨桿模擬橫向內(nèi)支撐。

基于雙參數(shù)模型，采用有限元方法，需要建立相應(yīng)的假定，本文中涉及的基坑開挖的工期較短，基坑周邊為20 kN/m2的荷載，土的變化為彈塑性變化且分布均勻；總實(shí)驗(yàn)以不排水條件進(jìn)行分析；用板單元模擬地下連續(xù)墻，錨桿單元模擬橫向內(nèi)支撐，土體采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用采用界面單元模擬，模型底部約束水平和豎直方向位移，模型兩側(cè)邊界約束水平位移，頂部為自由邊界；另外，考慮到研究對(duì)象呈線性，實(shí)際長度較大，因此，本文將對(duì)其中的一個(gè)典型剖面進(jìn)行分析。

如圖4、圖5 所示，模型建立采用plaxis 軟件進(jìn)行建模分析，具體的，土體采用15 節(jié)點(diǎn)單元，在基坑內(nèi)部開挖區(qū)域，隧道內(nèi)部開挖區(qū)域，以及容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的支護(hù)樁邊界和隧道襯砌邊界采取網(wǎng)格加密。初始應(yīng)力采用K0 系數(shù)計(jì)算確定[16-18]。

圖4 有限元模型圖

圖5 網(wǎng)格劃分模型圖

基于以上分析，獲得如圖6 所示的結(jié)果，可以看出：地鐵隧道的水平位移和豎向位移較為明顯，水平橫向位移方向往施工的基坑靠近，呈橫鴨蛋狀，整體變形表現(xiàn)傾向于基坑底部。

圖6 基坑開挖至坑底隧道與基坑變形圖

圖7 為隧道最終的變形情況，可以看到，隧道的總位移發(fā)生了較大的改變，水平位移和橫向位移的也很明顯。

圖7 隧道變形圖

圖8 是監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，基坑施工接近基坑底部時(shí)，隧道的最大附加水平位移值為53.2 mm，嚴(yán)重超過準(zhǔn)許值10 mm[19-21]，隧道最大附加豎向位移為-28.4 mm，嚴(yán)重超標(biāo)（-10mm），臨近基坑的施工會(huì)在一定程度上對(duì)海晏北路站-福慶北路站的隧道產(chǎn)生影響，使得隧道發(fā)生形變。

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比

總的來看，在基坑施工期間，隧道變形的速率會(huì)增大；當(dāng)基坑有內(nèi)支撐時(shí)，可以在一定程度上減小其變形速率。另外，由于實(shí)際施工中，基坑回填土方反壓及隧道內(nèi)部會(huì)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)加固，會(huì)在一定程度上抑制隧道的變形，加之計(jì)算過程中會(huì)存在一些誤差，因此本文的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定的不同，總體誤差控制在20%以內(nèi)。

3 結(jié)論與建議

利用隧道實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)本文的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以獲得以下結(jié)論：

（1）臨近基坑的施工對(duì)隧道會(huì)產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致隧道發(fā)生橫向變形、豎向沉降等。

（2）基坑開挖時(shí)，采取回填土方反壓、隧道鋼支撐加固等措施，可以在一定程度上減輕隧道變形，但隧道依然會(huì)有變形現(xiàn)象產(chǎn)生。

因此，基于以上結(jié)論，為保障基坑開挖對(duì)隧道影響降到最低，本文提出以下建議：

（1）隧道周邊有施工開挖工程之前，應(yīng)對(duì)新建工程對(duì)隧道的影響進(jìn)行評(píng)估，設(shè)計(jì)合理的施工方案。

（2）在臨近隧道的基坑施工過程中，需要對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)的病害監(jiān)測，包括隧道變形、隧道滲漏水等。

（3）隧道附近需要進(jìn)行施工時(shí)，需要對(duì)隧道進(jìn)行加固，增加工程支撐措施等相應(yīng)的穩(wěn)定措施，將對(duì)隧道的影響降低。