基坑施工對臨近隧道的影響分析

王尚榮

(中鐵十八局集團第四工程有限公司,天津 300280)

近年來,地鐵交通帶來的經濟影響力十分顯著,地鐵沿線的建設項目日益增多,由于城市土地資源稀缺,尤其在商業發達區域,地塊開發項目愈發追求高效率的土地利用,呈現出“高、深、大、近”的特點。為控制基坑施工對相鄰地鐵結構的影響,需針對性采取地鐵保護專項措施[1-6],使地鐵結構變形處于控制范圍。

1 工程概況

天津市數字文化創意中心基坑規劃建設用地面積為5 998.0 m2,擬建物主要為1棟12F辦公樓,整體設三層地下室?；油谏?3.80 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行支護,樁間掛網噴漿止水?；颖眰扰R近盾構區間,隧道直徑6.0 m,盾構管片厚300 mm,盾構隧道頂埋深約14.2 m,隧道位于卵石層中,基坑支護樁與盾構隧道外邊線最小水平距離約10.0 m?；优c隧道位置關系如圖1所示。

圖1 基坑工程與地鐵結構相對位置(平面)(單位:cm)

根據地質勘察資料,地層自上而下依次為1-1雜填土、1-2素填土、2粉質粘土、3粘質粉土、5卵石、5-1松散卵石、5-2稍密卵石、5-3中密卵石、5-4密實卵石。其中基坑底、區間隧道底埋深分別約為13.8 m、14.2 m;基坑底、區間隧道分別位于5-3中密卵石、5-4密實卵石,各土層的物理力學參數如表1所示。

表1 土層參數

2 地鐵隧道現狀

上行線(遠離基坑側)基坑影響范圍內根據掃描數據計算輸出的成果統計,管片平均錯臺量≥15 mm的有3環;單環水平收斂值相對于標準圓直徑均小于40 mm;單環接觸網導高相對于標準值差值≥40 mm有14環。

下行線(靠近基坑側)基坑影響范圍內根據掃描數據計算輸出的成果統計,管片平均錯臺量≥15 mm的有5環;單環水平收斂值相對于標準圓直徑均小于40 mm;單環接觸網導高相對于標準值差值均小于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,小于規范允許的20 mm,如圖2所示。

圖2 下行線區間隧道沉降變形

整體來說,區間隧道狀態較好,基坑影響范圍內區間隧道基本無明顯裂縫、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 區間隧道既有病害

3 有限元模擬分析

3.1 計算模型

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

圖4 分析模型

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

(2)樁、支撐等基坑支護采用線彈性模型。

(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。

模型中盾構管片采用殼單元,使用彈性本構模型;土體采用實體單元,使用摩爾-庫倫本構模型;隧道結構采用板單元模擬,使用彈性本構模型。模型采用固定位移邊界,上邊界取至地面自由面,4個側面地層邊界限制水平位移,下部邊界限制豎向位移,土體參數如表1所示,結構材料參數如表2所示。

表2 材料參數

本計算模型考慮了降水的影響,用節點水頭分別定義了初始水頭和降水水頭,采用應力場-滲流場的單向耦合進行施工階段的分析,對不同施工工況進行模擬分析。數值模擬結果如圖5所示。

圖5 基坑降水工況水頭云圖

3.2 模擬結果分析

3.2.1 降水對隧道變形影響

圖6、圖7為基坑降水對鄰近區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 基坑降水對隧道水平位移影響云圖圖7 基坑降水對隧道豎向位移影響云圖

3.2.2 開挖對隧道變形影響

圖8為基坑開挖對鄰近區間隧道變形影響曲線,變形值為基坑正投影位置隧道對應最大值。由圖8可知,隨著基坑開挖深度的加大,鄰近區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。當基坑開挖深度較淺時,相鄰隧道變形相對較小,開挖至第二道支撐深度時,隧道水平、豎向變化不大;當基坑從第二道支撐開挖到基底時,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 基坑開挖對隧道變形影響曲線

3.2.3 降水、開挖對隧道變形復合影響

圖9～圖10為基坑降水、開挖對鄰近區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間隧道變形值。由表3可知,降水和開挖工況對相鄰區間隧道水平變形影響基本相當;而降水工況比開挖工況對相鄰區間隧道豎向變形影響大的多,基本是其3.4倍。

表3 不同工況下區間隧道變形值 mm

4 區間隧道受力驗算

4.1 數值模擬分析法

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

圖12、圖13分別為區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 初始狀態下區間隧道受力

圖13 基坑開挖后區間隧道受力

4.2 管片內力計算

區間管片結構受力如圖14所示。

圖14 隧道受力

對區間隧道進行配筋計算,如表4所示。

表4 隧道配筋與管片配筋

根據配筋面積結果,對區間隧道進行管片配筋,并與既有管片配筋面積對比,均滿足要求。

5 變形監測

根據基坑與地鐵隧道位置關系、地質條件以及現有變形情況,按《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T202-2013)綜合確定基坑影響等級為特級。項目實施期間,采用自動化監測手段進行數據采集,對區間隧道垂直位移、隧道水平位移、隧道相對收斂值進行實時監測,監測控制標準見表5。

表5 監測項目及標準

監測點布置位置應在監測對象變形和內力的關鍵特征點上,豎向、水平位移均布置在地下結構拱頂,按10 m一個斷面。并對監測過程做如下要求:

(1)城市軌道交通結構的監測頻率,應能系統反映監測對象所測項目的重要變化過程及其變化時刻。外部作業施工期間1次/d;監測數據趨于穩定后2次/月,直至監測數據穩定。

(2)當監測數據接近城市軌道交通結構安全控制指標值的預警值時,應提高監測頻率;當發現城市軌道交通結構有異常情況或外部作業有危險事故征兆時,應采用不間斷實時監測。

(3)城市軌道交通結構的監測周期,應從測定監測項目初始值開始,至外部作業完成且監測數據趨于穩定后結束。

(4)監測項目的初始值應在外部作業實施前測定,應取至少連續測量3次的穩定值的平均數作為初始值。

根據監測結果表6可知,施工期間區間結構水平位移最大值為1.73 mm,累計垂直位移最大值2.20 mm,為基坑正投影中間位置,監測結果與MADIS數值模擬結果較為接近,也證明數值模擬能較好的反映施工過程對地鐵區間的影響。

表6 區間隧道累計變形值 mm

6 結論

(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,對鄰近區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。