基坑施工對下臥地鐵盾構隧道管片變形影響分析

況 瑋,孫子豪

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 350000;2.武漢輕工大學 土建學院,湖北 武漢 430023)

引言

隨著我國城市化進程的加快,各大中城市紛紛開發地下空間,而且發展速度很快[1-4]。以地鐵工程為例,北京、上海、廣州等多個城市已擁有多條地鐵,還有多條線路仍正在建設及規劃建設。與此同時,地鐵建設熱潮已延伸至諸如溫州等眾多二三線城市。由于地鐵沿線的土地在地鐵開通后會成為黃金地段,后期工程建設將不可避免地上跨或臨近地鐵隧道,這會給地鐵的安全運營帶來嚴重的挑戰。當基坑上跨地鐵線路時,由于基坑開挖的卸荷及對土體的擾動,會改變地鐵隧道原有的應力應變場,甚至可能造成地鐵隧道管片及注漿體開裂、滲水等嚴重的安全事故[5]。因此,分析基坑開挖對下臥盾構地鐵隧道影響,是工程建設中亟待解決的問題之一。

1 工程概況

本基坑開挖項目位于浙江省溫州市,該區域屬于沖海積平原區。沖海積平原區土體厚度大,普遍是發育淤泥質粘土和淤泥,厚度在60m左右,具有滲透系數低、天然含水量高、固結時間長、排水緩慢、高壓縮性、易觸變性、強度低等特點,工程性質差,在其中進行盾構隧道和基坑開挖施工,工程風險大;同時軟土具有固結時間長和流變性顯著等特點,在盾構隧道上方進行建筑施工活動作用下,運營隧道會產生長期沉降和不均勻沉降問題,甚至引發安全事故。

2 數值分析

本基坑工程下臥存在一條已經運營的城市地鐵,該地鐵隧道施工采用盾構方式,已知該隧道外徑為8m,下穿基坑正中央,基坑為方形基坑,采用盆式開挖,基坑開挖及隧道位置示意圖如圖1所示。第一階基坑尺寸為140×140×5m,第二階基坑尺寸為100×100×5m,模型的總尺寸為200×200×40m,第二階基坑底部距離隧道頂部距離為10m。隧道管片尺寸為管片厚度3,000mm,內徑φ5,400mm,環寬為1,500mm,示意圖如圖2所示。

圖1 基坑開挖及隧道位置示意圖

圖2 盾構隧道管片示意圖

2.1 網格劃分

土體采用線性六面體單元,隧道管片采用殼單元,網格劃分如圖3所示,單元數共有1,726,384個。

圖3 模型網格劃分圖

2.2 基本理論

Kerr地基模型如圖4所示,根據Kerr地基模型理論知,隧道變形ω(x)滿足:

圖4 Kerr地基模型

ω(x)=ω1(x)+ω2(x)

(1)

式中:ω1(x)為上層彈簧的變形量。利用兩層彈簧的受力特性得到:

p1(x)=cω1(x)=c[ω(x)-ω2(x)]

(2)

p2(x)=kω2(x)

(3)

式中:p1(x)為隧道下方彈簧反力、p2(x)為剪切層下方彈簧反力。

對于剪切層受力特性有:

(4)

將式(2)-(4)合并可得:

(5)

根據材料力學知識,ω(x)滿足曲率方程:

(6)

式中:M為隧道受到的彎矩、E為隧道結構彈性模量、I為隧道橫截面慣性矩。

模型剪切層滿足:

(7)

式中:Ms為剪切層彎矩。

結合(5)-(7),可得:

(8)

式(8)為6階平衡微分方程,是將隧道簡化成Euler-Bernoulli梁擱置在Kerr地基模型上的控制方程。

2.3 計算參數

模擬過程中土體的物理力學參數如表1所示。隧道管片的力學參數,如表2所示。

表1 土體的物理力學參數

表2 隧道管片力學參數

3 結果及分析

3.1 模型驗證

本項目模擬涉及到隧道的管片數為133個,因此,沿隧道長度方向布設133個自動監測斷面,每個斷面使用靜態水平儀監測基坑施工對管片隆起的影響。地鐵盾構隧道監測布置圖如圖5所示。為了驗證所建三維模型的有效性,選定管片67在不同施工階段的現場監測值與數值模擬值進行對比,其結果如圖6所示。從圖6可以看出盾構隧道管片頂部隆起的監測值與數值模擬結果基本一致,這說明本文所建的三維模型是有效的。

圖5 隧道頂板監測斷面布置圖

3.2 計算結果與分析

根據基坑開挖工藝,基坑分為四次開挖。第一次開挖面積140×140m,開挖深度為3m;第二次開挖面積140×140m,開挖深度為2;第三次開挖面積為100×100m,開挖深度為3m;第四次開挖面積為100×100m,開挖深度為2m。開挖后管片頂板隆起位移與管片環數變化關系如圖7所示。從圖7可以看出隧道管片頂板隆起位移呈現中間高,兩邊低且對稱分布,這符合正態分布規律。從圖7還可以發現。盾構地鐵隧道管片隆起大致可以分為二個階段:

圖7 施工過程中管片隆起量隨管片環號變化曲線圖

階段Ⅰ:該階段為基坑第一次和第二次開挖階段對應著第一層開挖,歷時4個月。在這個時段內隧道隆起雖略有波動,但比較穩定。這說明開挖5m的卸荷區域沒有發展到管片頂板的范圍內,管片受到擾動影響很小。

階段Ⅱ:為第三次和第四次開挖對應著第二層開挖,該階段歷時3個月。該階段隨著基坑開挖深度的變大,隧道管片頂部隆起逐漸變大,隧道管片隆起迅速發展,可見這個階段是盾構隧道頂板隆起的主要來源。

模擬管片共133個,最大隆起位移均發生在管片67處。隨著基坑開挖深度的增大,地鐵盾構隧道管片隆起位移從1.6mm逐漸增大到9.2mm,從管片頂板隆起位移值可以看出,隧道總體而言是穩定的。隧道管片在距離中心點±70m外,頂板隆起變形幾乎為0,這說明距離中心點±70m外的管片不受影響。

此外,從曲線形狀還可以看出第一層開挖管片隆起應變速率變化較緩,這說明地層開挖時隧道受到的擾動較小。第二層開挖時,管片隆起應變速率變化較陡,這說明第二層開挖時隧道已經受到很大的擾動了。由于隧道穿越地基模量較小的軟土地區,且變形速率呈非線性關系,因此,要通過注漿等措施適當增加地鐵隧道的安全性。

4 結論

通過基坑開挖對軟土盾構隧道管片隆起變形規律進行研究,得出以下結論:

4.1 基坑開挖導致下臥地鐵盾構隧道管片豎向變形呈正態分布,其最大隆起位移發生在基坑中部,距離基坑中心越遠的管片變形越小。

4.2 在其他條件相同的情況下,盾構隧道管片隆起位移隨著開挖深度增加,變形速率呈非線性關系,且這種趨勢是非收斂的,因此,在軟土地層中進行基坑開挖要對地層進行適當加固。