市政管網(wǎng)基坑開挖對下臥既有隧道變形的影響

摘要：軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其安全性至關(guān)重要；市政工程施工對運營地鐵線路周邊土體和襯砌變形的影響是地鐵運營公司關(guān)注的重點。文章以某軟弱地層的運營地鐵線路為例，計算分析多個基坑同時開挖施工對該地鐵線路周邊土體和襯砌變形的影響，現(xiàn)場實測襯砌變形數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明，該地鐵線路周邊土體和襯砌變形未超過相關(guān)規(guī)范要求，計算方法的正確性得到了驗證。

關(guān)鍵詞：市政管網(wǎng)；基坑開挖；隧道變形；有限元模擬

中圖分類號：TV441" " "文獻標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）02-0125-04

0 引言

目前，我國大中型城市人口急劇增加，地下城市軌道交通成為多數(shù)人選擇的出行工具。隨著地下城市軌道的開通，地下管網(wǎng)等市政公用設(shè)施建設(shè)項目不斷增多，但基坑開挖等施工會不可避免地對原有線路的安全性產(chǎn)生影響［1-2］。市政管網(wǎng)工程基坑開挖一般較淺，但不同的開挖走向和開挖深度對地鐵沿線隧道變形的影響不同，因此探究多個基坑開挖引起的既有隧道隆沉，對軟土地區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)臨近區(qū)域的既有隧道的隆沉變形進行分析，同時采取合理的措施控制隧道變形，仍然是目前城市開發(fā)和利用地下空間時的重要工作內(nèi)容?；娱_挖時的卸荷效應(yīng)引起既有地鐵隧道周邊土體發(fā)生位移，嚴重威脅地鐵車站及隧道的安全。劉波等［3］總結(jié)分析42個基坑開挖工程案例的數(shù)據(jù)，給出3種不同地層條件下隧道水平位移的經(jīng)驗預(yù)測公式，結(jié)果表明側(cè)方隧道水平位移均指向坑內(nèi)，而豎向位移為沉降或隆起。唐汐［4］的研究引入隧道側(cè)向土體的影響，提出一種可預(yù)測基坑開挖對下臥隧道豎向變形影響的簡化計算方法。馮國輝等［5］在基坑開挖對下臥既有隧道變形影響的研究中，通過對實際工程案例中的數(shù)據(jù)進行對比，驗證了將剪切變形考慮在內(nèi)的變形解析方法的合理性和優(yōu)越性，結(jié)果表明基坑開挖的寬度和深度對既有隧道受力變形有影響。學(xué)者們對單體臨近區(qū)域基坑開挖對地下隧道影響的研究主要集中在半經(jīng)驗預(yù)測、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，而對市政工程中沿地鐵隧道走向的大面積淺基坑開挖對隧道安全影響的分析較少。

本文以某在建市政管網(wǎng)工程為例，分析臨近工程基坑開挖施工對軟黏土地層既有地鐵雙線隧道及周邊建筑環(huán)境的影響，利用Abaqus軟件本構(gòu)模型中的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬地下空間結(jié)構(gòu)基坑的開挖施工過程［6］，分析隧道盾構(gòu)襯砌及周邊地基位移情況，并且對比分析實際施工過程和模擬計算的結(jié)果。

1 工程概況及控制標(biāo)準(zhǔn)

1.1 工程概況

某海綿城市地下管網(wǎng)工程的基坑開挖位于軟土地區(qū)地鐵運營段單線斜上方。地鐵沿城市主干道下方敷設(shè)，交通流量較大。該地下管道工程兩側(cè)地下管線、過街頂管及地下障礙物較多，對工程的影響大。工程地屬崗地坳溝地貌單元，場地類別為Ⅱ類，屬抗震不利地段，近場區(qū)無全新活動斷裂通過，新構(gòu)造運動微弱，區(qū)域穩(wěn)定性較差。場地表層分布填土，上覆土層以黏性土為主，基底巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主，綜合評價場地穩(wěn)定性一般。1#～4#管溝開挖深度為1.5～1.9 m，考慮到地質(zhì)條件及基坑開挖的卸荷影響，需要對地鐵運營段地基沉降及襯砌變形進行監(jiān)測，以保障地鐵運營安全，如監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常狀況，則需要實施可靠的地基處理措施后，方可興建工程。管溝與現(xiàn)有盾構(gòu)平面剖面關(guān)系圖見圖1。

1.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

為防止施工造成地鐵隧道管片裂縫、滲漏或是引起軌道不平順等問題，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013），對相關(guān)變形控制指標(biāo)提出了具體要求（見表 1）。

2 模型建立

2.1 土體參數(shù)

本次模擬采用的土體及其物理性質(zhì)見表2。地鐵隧道襯砌材料為C50鋼筋混凝土，采用線彈性模型，彈性模量為35 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3。

2.2 計算模型

本次有限元模擬主要對比分析隧道襯砌上方土體開挖的工況，因此模擬過程中設(shè)置網(wǎng)格模型的左側(cè)、右側(cè)和底面均為法向約束，其中左、右側(cè)設(shè)置為X=0，在底面施加邊界條件X=0、Y=0。為評估該地下管道工程基坑開挖卸載對盾構(gòu)變形和軌道平順性的影響，本文采用的有限元計算需施加初始地應(yīng)力，模擬計算則采用在土體內(nèi)部增加自重荷載屬性，同時在模型邊界施加一定面荷載的方法，通過側(cè)摩阻力荷載等求得地應(yīng)力場：

其中：[σs]為初始地應(yīng)力；[γ]為土體自重；Z為測點的深度；[K0]為土層的靜止土壓力系數(shù)；[τ]為測點的深度。根據(jù)以上公式可以計算出每個測點的初始地應(yīng)力，然后分配到各個單元節(jié)點上，從而得到單元節(jié)點的初始地應(yīng)力。

模型土體選用M-C（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則，屈服準(zhǔn)則是將巖土體的破壞條件表示為與最大主應(yīng)力圓相切的一條直線，用巖土的黏聚力與內(nèi)摩擦角表示，屈服準(zhǔn)則表達式為

公式（4）以主應(yīng)力表達式表示為

公式（5）以屈服函數(shù)形式表示為

其中：[C]、[φ]分別為巖土的黏聚力和內(nèi)摩擦角；[J'1]、[J'2]分別為應(yīng)力張量的第一偏應(yīng)力不變量和第二偏應(yīng)力不變量；[θ]為羅德角，其計算公式為

其中，[J'3]為應(yīng)力張量第三偏應(yīng)力不變量。屈服后，在一個應(yīng)力增量間隔中，應(yīng)變增量由彈性和塑性2個部分組成，即

其中：[D=E（1+μ）（1+2μ）]，[dεe]與[dσ]之間仍為線彈性關(guān)系。根據(jù)塑性理論的流動法則，塑性應(yīng)變增量[dεp]與塑性勢函數(shù)[Q]的應(yīng)力梯度成線性比例關(guān)系，表示為

根據(jù)相關(guān)塑性理論[Q≡F]，求得

對于硬化材料，[dF=0]，即

在Abaqus工程模擬的有限元軟件中，模型結(jié)構(gòu)需劃分網(wǎng)格，本次模擬選用四結(jié)點雙線性平面應(yīng)力四邊形單元（CPS4R）劃分網(wǎng)格（見圖3），網(wǎng)格大小為0.5 m。本次有限元模擬使用Abaqus中的Model Change功能進行設(shè)置。

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑土體沉降分析

建立初始自重應(yīng)力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載的作用下已經(jīng)固結(jié)沉降完畢，需要將已經(jīng)固結(jié)沉降的原狀土作為后續(xù)步驟的初始狀態(tài)，因此若要達到天然土層的初始狀態(tài)，必須平衡初始地應(yīng)力，使土體模型中只存在初始應(yīng)力場而不出現(xiàn)初始位移。模型中的第一階段為施工前計算土體在自重作用下的位移場和應(yīng)力場，并且構(gòu)造初始應(yīng)力場，為后階段的計算結(jié)果提供參照。

針對隧道上部土體開挖的前后情況進行對比分析。為了模擬現(xiàn)實中隧道的真實應(yīng)力狀態(tài)，模擬分析中設(shè)置了地應(yīng)力平衡分析與隧道開挖分析。土體沉降模擬結(jié)果見圖4，開挖右側(cè)隧道正上方后，下臥隧道頂端呈現(xiàn)不同程度的土拱隆起，右側(cè)隧道隆起約0.256 mm；由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體剛度較高，因此隧道底部受土體及襯砌結(jié)構(gòu)自重的影響，導(dǎo)致整體下沉約0.1 mm。

基坑開挖5 m后，隧道上部土體整體變形均勻，變形值區(qū)間為0.165～0.195 mm，對隧道整體結(jié)構(gòu)影響較?。?］。如果持續(xù)開挖深基坑，則需嚴格把控，否則極易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)開裂、滲漏，甚至可能引起列車停運等嚴重的公共安全事故。

3.2 襯砌位移分析

襯砌內(nèi)繞隧道共設(shè)置80個變形監(jiān)測點測定位移變化，在隧道開挖模擬分析中，左側(cè)隧道拱頂產(chǎn)生0.227 mm的上浮豎向位移，拱底下沉0.09 mm；右側(cè)隧道上浮位移為0.244 mm，拱底下沉0.08 mm，左右側(cè)變形規(guī)律一致。開挖后土體自重應(yīng)力逐漸減小，土體附加應(yīng)力對襯砌結(jié)構(gòu)持續(xù)擠壓，整體變形分布呈現(xiàn)橢圓球形，最大位移出現(xiàn)在拱頂及拱底位置。

隧道水平位移主要集中在腰拱側(cè)，左右兩側(cè)隧道變形分布一致。其中，受右側(cè)基坑開挖影響，水平正向位移最大值出現(xiàn)在右側(cè)隧道右腰拱處，變形量為0.2 mm，最大負位移為0.19 mm。以襯砌最高點為起點，1#～4#管溝斷面的襯砌隆起對比圖見圖5。

受隧道上部管道開挖施工的影響，隧道襯砌產(chǎn)生了一定的位移，相比水平向位移，隧道襯砌豎向位移較大且最大隆起位移均發(fā)生在襯砌中部，1#管溝下的位移值較大，達到了0.6 mm，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果接近。1#～4#管溝的開挖深度為1.5～1.9 m，比較單個斷面，右側(cè)襯砌隆起比左側(cè)襯砌隆起大，說明地鐵襯砌上方基坑開挖對軟土地基區(qū)域的地鐵襯砌有一定影響；延地鐵線路走向，各個斷面上的水平位移量和豎直位移量有一定的差距。整體上看，地鐵襯砌隆沉量較小，沒有超過規(guī)范要求的限值，因此該軟土地區(qū)地鐵運營段是安全的。

4 結(jié)語

本文依托某地區(qū)地鐵運營段單線上方的基坑開挖工程，采用Abaqus有限元模擬軟件對基坑開挖進行有限元計算分析，通過對比現(xiàn)場工程監(jiān)測結(jié)果，研究分析開挖過程中隧道最大豎向位移、最大水平位移時的曲線變化特點。雖然市政管網(wǎng)基坑通常開挖深度較淺，但是對軟弱地層仍需要結(jié)合現(xiàn)場工程監(jiān)測變形結(jié)果進行計算分析?；娱_挖工程應(yīng)綜合考慮不同基坑開挖對下臥既有隧道關(guān)鍵截面的變形影響，保障線路的平順性。

5 參考文獻

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