基坑施工對(duì)臨近隧道的影響分析

王尚榮

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司,天津 300280)

近年來,地鐵交通帶來的經(jīng)濟(jì)影響力十分顯著,地鐵沿線的建設(shè)項(xiàng)目日益增多,由于城市土地資源稀缺,尤其在商業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域,地塊開發(fā)項(xiàng)目愈發(fā)追求高效率的土地利用,呈現(xiàn)出“高、深、大、近”的特點(diǎn)。為控制基坑施工對(duì)相鄰地鐵結(jié)構(gòu)的影響,需針對(duì)性采取地鐵保護(hù)專項(xiàng)措施[1-6],使地鐵結(jié)構(gòu)變形處于控制范圍。

1 工程概況

天津市數(shù)字文化創(chuàng)意中心基坑規(guī)劃建設(shè)用地面積為5 998.0 m2,擬建物主要為1棟12F辦公樓,整體設(shè)三層地下室。基坑挖深13.80 m,坑底位于卵石層中,采用?1 500 mm@2 500 mm鉆孔樁+2道鋼筋混凝土支撐方式進(jìn)行支護(hù),樁間掛網(wǎng)噴漿止水?；颖眰?cè)臨近盾構(gòu)區(qū)間,隧道直徑6.0 m,盾構(gòu)管片厚300 mm,盾構(gòu)隧道頂埋深約14.2 m,隧道位于卵石層中,基坑支護(hù)樁與盾構(gòu)隧道外邊線最小水平距離約10.0 m?；优c隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑工程與地鐵結(jié)構(gòu)相對(duì)位置(平面)(單位:cm)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,地層自上而下依次為1-1雜填土、1-2素填土、2粉質(zhì)粘土、3粘質(zhì)粉土、5卵石、5-1松散卵石、5-2稍密卵石、5-3中密卵石、5-4密實(shí)卵石。其中基坑底、區(qū)間隧道底埋深分別約為13.8 m、14.2 m;基坑底、區(qū)間隧道分別位于5-3中密卵石、5-4密實(shí)卵石,各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

2 地鐵隧道現(xiàn)狀

上行線(遠(yuǎn)離基坑側(cè))基坑影響范圍內(nèi)根據(jù)掃描數(shù)據(jù)計(jì)算輸出的成果統(tǒng)計(jì),管片平均錯(cuò)臺(tái)量≥15 mm的有3環(huán);單環(huán)水平收斂值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圓直徑均小于40 mm;單環(huán)接觸網(wǎng)導(dǎo)高相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值差值≥40 mm有14環(huán)。

下行線(靠近基坑側(cè))基坑影響范圍內(nèi)根據(jù)掃描數(shù)據(jù)計(jì)算輸出的成果統(tǒng)計(jì),管片平均錯(cuò)臺(tái)量≥15 mm的有5環(huán);單環(huán)水平收斂值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圓直徑均小于40 mm;單環(huán)接觸網(wǎng)導(dǎo)高相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值差值均小于40 mm。

地鐵隧道上行線基坑影響范圍前后100 m豎向變形最大為2.25 mm;地鐵隧道下行線基坑影響范圍前后100 m豎向變形最大為1.08 mm,小于規(guī)范允許的20 mm,如圖2所示。

圖2 下行線區(qū)間隧道沉降變形

整體來說,區(qū)間隧道狀態(tài)較好,基坑影響范圍內(nèi)區(qū)間隧道基本無(wú)明顯裂縫、道床翻漿冒泥以及不均勻沉降等病害,僅僅少量管片有滲水及破損,如圖3所示。

圖3 區(qū)間隧道既有病害

3 有限元模擬分析

3.1 計(jì)算模型

本文利用MIDAS-GTS軟件建立數(shù)值模型,模型尺寸為180 m×140 m×45 m,周邊環(huán)境超載取20 kPa,如圖4所示。模型簡(jiǎn)化假定:

圖4 分析模型

(1)認(rèn)為各土層均呈均質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性,將土層簡(jiǎn)化為水平層狀分布的彈塑性材料。

(2)樁、支撐等基坑支護(hù)采用線彈性模型。

(3)模型的前后左右邊界分別施加水平位移約束,底部施加豎向位移約束,頂面不施加約束。

模型中盾構(gòu)管片采用殼單元,使用彈性本構(gòu)模型;土體采用實(shí)體單元,使用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型;隧道結(jié)構(gòu)采用板單元模擬,使用彈性本構(gòu)模型。模型采用固定位移邊界,上邊界取至地面自由面,4個(gè)側(cè)面地層邊界限制水平位移,下部邊界限制豎向位移,土體參數(shù)如表1所示,結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

本計(jì)算模型考慮了降水的影響,用節(jié)點(diǎn)水頭分別定義了初始水頭和降水水頭,采用應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)的單向耦合進(jìn)行施工階段的分析,對(duì)不同施工工況進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 基坑降水工況水頭云圖

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 降水對(duì)隧道變形影響

圖6、圖7為基坑降水對(duì)鄰近區(qū)間隧道變形影響云圖。由圖6、圖7可知,基坑降水工況下引起隧道襯砌水平和豎向最大位移分別為0.881 mm、1.699 mm,變形均滿足控制限值。從隧道變形量值上來看,隧道水平位移明顯小于豎向位移,隧道豎向位移基本是水平位移的2倍。

圖6 基坑降水對(duì)隧道水平位移影響云圖圖7 基坑降水對(duì)隧道豎向位移影響云圖

3.2.2 開挖對(duì)隧道變形影響

圖8為基坑開挖對(duì)鄰近區(qū)間隧道變形影響曲線,變形值為基坑正投影位置隧道對(duì)應(yīng)最大值。由圖8可知,隨著基坑開挖深度的加大,鄰近區(qū)間隧道變形不斷增加,其中第一道支撐與第二道支撐豎向間距6.7 m,第二道支撐與基底豎向間距7.1 m。當(dāng)基坑開挖深度較淺時(shí),相鄰隧道變形相對(duì)較小,開挖至第二道支撐深度時(shí),隧道水平、豎向變化不大;當(dāng)基坑從第二道支撐開挖到基底時(shí),相鄰隧道變形迅速增加,水平、豎向變形分別增加至0.807 mm和0.499 mm,在基坑下部開挖(7.1 m)與基坑上部開挖(6.7 m)深度基本相同的情況下,下部開挖引起的相鄰隧道變形明顯大于上部開挖。從隧道變形量值上來看,開挖至基底引起隧道襯砌水平和豎向最大位移分別為0.807 mm、0.499 mm,隧道水平位移明顯大于豎向位移,隧道水平位移基本是豎向位移的1.6倍。

圖8 基坑開挖對(duì)隧道變形影響曲線

3.2.3 降水、開挖對(duì)隧道變形復(fù)合影響

圖9～圖10為基坑降水、開挖對(duì)鄰近區(qū)間隧道變形影響曲線。由圖9～圖10可知,基坑降水、開挖工況疊加影響下引起隧道襯砌水平和豎向最大位移分別為1.688 mm、2.198 mm,變形均滿足控制限值。從隧道變形量值上來看,隧道水平位移小于豎向位移,隧道水平位移基本是豎向位移的0.77倍。

圖9 基坑開挖隧道水平位移云圖圖10 基坑開挖隧道豎向位移云圖

表3為不同工況下鄰近區(qū)間隧道變形值。由表3可知,降水和開挖工況對(duì)相鄰區(qū)間隧道水平變形影響基本相當(dāng);而降水工況比開挖工況對(duì)相鄰區(qū)間隧道豎向變形影響大的多,基本是其3.4倍。

表3 不同工況下區(qū)間隧道變形值 mm

4 區(qū)間隧道受力驗(yàn)算

4.1 數(shù)值模擬分析法

通過MIDAS-GTS軟件建立二維有限元模型,如圖11所示,得到盾構(gòu)管片在地塊基坑施工過程中管片內(nèi)力的變化關(guān)系。

圖12、圖13分別為區(qū)間隧道初始和基坑開挖后壓力變化云圖。從圖可知,因地塊基坑開挖引起隧道土壓力由初始狀態(tài)的187.274 kPa增大至220.558 kPa,管片附加荷載為33.284 kPa。

圖12 初始狀態(tài)下區(qū)間隧道受力

圖13 基坑開挖后區(qū)間隧道受力

4.2 管片內(nèi)力計(jì)算

區(qū)間管片結(jié)構(gòu)受力如圖14所示。

圖14 隧道受力

對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行配筋計(jì)算,如表4所示。

表4 隧道配筋與管片配筋

根據(jù)配筋面積結(jié)果,對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行管片配筋,并與既有管片配筋面積對(duì)比,均滿足要求。

5 變形監(jiān)測(cè)

根據(jù)基坑與地鐵隧道位置關(guān)系、地質(zhì)條件以及現(xiàn)有變形情況,按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)綜合確定基坑影響等級(jí)為特級(jí)。項(xiàng)目實(shí)施期間,采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,對(duì)區(qū)間隧道垂直位移、隧道水平位移、隧道相對(duì)收斂值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置應(yīng)在監(jiān)測(cè)對(duì)象變形和內(nèi)力的關(guān)鍵特征點(diǎn)上,豎向、水平位移均布置在地下結(jié)構(gòu)拱頂,按10 m一個(gè)斷面。并對(duì)監(jiān)測(cè)過程做如下要求:

(1)城市軌道交通結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)頻率,應(yīng)能系統(tǒng)反映監(jiān)測(cè)對(duì)象所測(cè)項(xiàng)目的重要變化過程及其變化時(shí)刻。外部作業(yè)施工期間1次/d;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后2次/月,直至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

(2)當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接近城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值的預(yù)警值時(shí),應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻率;當(dāng)發(fā)現(xiàn)城市軌道交通結(jié)構(gòu)有異常情況或外部作業(yè)有危險(xiǎn)事故征兆時(shí),應(yīng)采用不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(3)城市軌道交通結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)周期,應(yīng)從測(cè)定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目初始值開始,至外部作業(yè)完成且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后結(jié)束。

(4)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的初始值應(yīng)在外部作業(yè)實(shí)施前測(cè)定,應(yīng)取至少連續(xù)測(cè)量3次的穩(wěn)定值的平均數(shù)作為初始值。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表6可知,施工期間區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移最大值為1.73 mm,累計(jì)垂直位移最大值2.20 mm,為基坑正投影中間位置,監(jiān)測(cè)結(jié)果與MADIS數(shù)值模擬結(jié)果較為接近,也證明數(shù)值模擬能較好的反映施工過程對(duì)地鐵區(qū)間的影響。

表6 區(qū)間隧道累計(jì)變形值 mm

6 結(jié)論

(1)基坑降水工況下,隧道水平位移明顯小于豎向位移,隧道豎向位移基本是水平位移的2倍。

(2)隨著基坑開挖深度的加大,對(duì)鄰近區(qū)間隧道變形影響不斷增加,在基坑下部開挖與基坑上部開挖深度基本相同的情況下,下部開挖引起的相鄰隧道變形明顯大于上部開挖。

(3)從隧道變形量值來看,開挖至基底引起隧道襯砌水平和豎向最大位移分別為0.807 mm、0.499 mm,隧道水平位移明顯大于豎向位移,隧道水平位移基本是豎向位移的1.6倍。