基坑开挖对下伏地铁区间的影响数值模拟及控制措施研究

2015-01-08陈策

城市道桥与防洪 2015年6期

关键词：计算结果市政区间

陈策

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 前言

随着城市地铁及市政工程的兴建，在已建成地铁区间隧道上方开挖基坑施工地下结构日渐增多。本文基于郑州地铁2号线既有东大街～陇海东路区间上方市政隧道基坑开挖，采用数值分析方法模拟基坑开挖对既有地铁区间的影响，达到指导工程设计及施工的目的。

1 工程概况及地质概况

1.1 工程概况

拟建紫荆山路隧道位于陇海东路-紫荆山路节点，线路呈南北走向，与紫荆山路走向一致，下穿现状陇海东路。隧道南起K0+220.000，北至K0+700.000，总长度为480 m，其中主线K0+220～K0+330和K0+600～K0+700为敞开段，K0+330～K0+600为暗埋段，隧道内仅设置机动车道，双向六车道。

地铁东（大街）陇（海东路）区间右线起止桩号YDK20+606～YDK21+340.494，左线起至桩号ZDK20+537.400～ZDK21+340.479，区间隧道在左线隧道桩号ZDK21+119.179处设置区间联络通道。

地铁区间在市政隧道桩号K0+550处与市政隧道小角度斜交穿越，交叉段长约200 m。地铁区间与市政隧道平纵横相互关系详见图1～图3。市政隧道与地铁区间净距详见表1。

图1 市政隧道与地铁区间平面关系图

图2 市政隧道与地铁区间纵断关系图

图3 市政隧道与地铁区间横断关系图（单位：mm）

表1 市政隧道与地铁区间净距表

1.2 地质概况

根据工程岩土工程详勘报告，场地范围内地基土按岩性及力学特征分层，从上到下分别为：第①层：填筑土（Q4ml）、第②层：粉土（Q3al+pl）、第②1层：粉砂（Q3al+pl）、第③层：粉土（Q3al+pl）、第④层：粉砂（Q3al+pl）、第⑤层：细砂（Q3al+pl）、第⑤1层：粉土（Q3al+pl）、第⑥层：粉质黏土（Q3al+pl）、第⑥1层：钙质胶结（Q3al+pl）、第⑦层：粉质黏土（Q3al+pl），见表2。

表2 土层抗剪强度指标表

2 节点风险评估及地铁相关保护标准

2.1 节点风险评估

本工程市政隧道与地铁区间斜交上下穿越，市政隧道基坑最大深度约10 m，两构筑物竖向最小净距约4.8 m，地铁区间先期实施，后期市政隧道基坑开挖卸荷，不可避免对已施工地铁区间隧道产生不利影响，须考虑该节点施工风险。

2.2 保护标准

参考已有地铁隧道相关保护要求及与地铁部门沟通，提出以下控制标准：

（1）地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量不大于20 mm，隆起量不大于15 mm；

（2）市政隧道围护桩结构距离地铁区间外轮廓净距不小于1m。

3 基坑内力计算

根据前期与地铁相关部门沟通基坑采用钻孔灌注排桩+内支撑的支护方式，安全等级一级。基坑内力计算选取K0+550断面，最大开挖深度约10 m，插入深度4.5 m，围护桩插入比1∶0.45，土体不采取加固措施情况下基坑指标不满足规范要求，故考虑对坑底以下4 m深度范围内地层加固，地层加固后围护桩内力包络图见图4、基坑计算结果详见表3。

经验算，采取坑底及围护桩两侧土体加固措施可满足一级基坑各项指标要求。

图4 围护桩内力包络图

表3 基坑计算结果表

4 基坑开挖对既有区间影响数值模拟[1]

4.1 模型选取

选取桩号K0+550（基坑深度h=10 m，基坑底与区间隧道净距t=5.6 m）位置断面作为计算断面。市政隧道基坑采用三道支撑，第一道采用混凝土支撑、第二、第三道支撑采用Ф609钢支撑，坑底4 m范围土体采用抽条加固。东侧市政隧道围护桩须保证距离区间隧道净距1.25 m，桩基插入比0.45，对东侧围护桩端部及区间外侧基坑底至区间底范围内土层进行加固，具体加固详见图5。

图5 计算断面及土体加固示意图

4.2 模型简化及计算参数选取

考虑基坑尺寸效应，模型宽度取基坑宽度的5倍，高度取基坑深度5倍，模型总宽度为180 m、总高50 m，见图6。采用Plaxis2D进行计算分析。

图6 计算模型示意图

既有地铁区间隧道盾构采用软件中衬砌单元模拟，横撑采用杆单元，市政隧道基坑围护排桩采用板单元模拟，其参数根据刚度等效换算原则确定。

基坑范围内土体共分为七层，采用Hardening soil模型，考虑基坑开挖的卸载作用，土体采用回弹模量。

土体计算参数见表4。

表4 土体计算参数表

4.3 计算工况

本工程数值计算共分为六个工况，分别如下：

工况1：自重状态下初始平衡，位移归零。

工况2：开挖地铁区间，施加管片衬砌结构，迭代平衡后位移归零。

工况3：施做围护桩及坑底加固，市政隧道基坑开挖深度0.8 m。

工况4：施加第一道支撑并开挖基坑至第二道支撑下0.5 m。

工况5：施加第二道支撑并开挖基坑至第三道支撑下0.5m。

工况6：施加第三道支撑并开挖基坑至坑底。

5 计算结果

工况一、二为市政隧道施工前地铁区间施工及受力工况，本工程着重考虑工况3～工况6市政隧道基坑开挖对区间隧道的影响。

（1）工况三计算结果见图7。

图7 工况3位移云图（m）

基坑挖深约0.8 m，坑底土体加固后自重增加，基坑中部产生下陷变形：1 mm；加固区最大下陷变形：4.5 mm，既有地铁区间最大下陷变形值：3.8 mm。

（2）工况四计算结果见图8。

图8 工况4位移云图（m）

基坑挖深约4.3 m，由于开挖卸荷，基坑中部最大隆起变形：18 mm；既有地铁区间的最大上浮变形值：4.29 mm。

（3）工况五计算结果见图9。

图9 工况5位移云图（m）

基坑挖深约7.3 m，基坑中部最大隆起变形：26 mm；既有地铁区间的最大上浮变形：9.2 mm。

（4）工况六计算结果见图10。

图10 工况6位移云图（m）

基坑开挖深度10 m，基坑中部最大隆起变形：28 mm；既有地铁区间的最大上浮变形：11.25 mm。

6 节点施工保护性措施[2-3]

市政隧道与地铁区间隧道近接斜交段施工，随着上覆市政隧道基坑土体的开挖，地铁区间隧道上方土体发生卸载效应，使下卧地铁区间隧道周围土体隆起；施工对一定影响范围内的土体产生扰动，随着时间的推移，区间隧道周围土体将发生固结沉降；由于区间为狭长结构，柔性较大，因而区间隧道结构也会随周围土体位移场的变化而下沉或隆起。

在市政隧道施工过程中，一方面要控制区间隧道局部沉降量，使隧道线形满足曲率变化在1/15 000之内，另一方面要严格控制累计沉降量，使其满足结构设施绝对沉降量及水平位移量不大于20 mm，最大隆起量不大于15 mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）。

紫荆山路下穿隧道工程应采取合适的设计和施工方案，最大程度减少市政隧道基坑开挖对地铁区间隧道的影响。拟采用的主要施工保护措施有：

（1）土体加固：对区间隧道上方及侧面土体进行加固。

（2）分段施工：在基坑开挖和结构施工阶段，实行分区、分段施工方案。结构施工时，宜先施工非交叉段及交叉段基坑深度较浅段结构，最后施工交叉近接段。

（3）抽条开挖：为减少地铁区间隧道因市政隧道基坑施工卸载引起的隧道回弹变形，交叉近接段基坑最后一层约3 m厚土体开挖实行分块抽条开挖，每一抽条宽度控制在3 m以内，抽条开挖到底标高后及时浇筑底板并配重压载，每一抽条开挖至压重完成后，方可进行后续抽条的开挖工作。为提高底板浇筑速度，必要时结构钢筋可采用坑外预制拼装方案，垫层浇筑后直接吊放底板钢筋，缩短现场钢筋绑扎时间。

（4）信息化施工：加强施工监测工作，做好信息化施工。对隧道的沉降变形、径向变形、整体偏移变形、坑外的水位、基坑的侧向变形、管线变形、周边建筑沉降变形等进行监测。根据监测数据分析隧道、基坑的变形值和变形趋势，及时采用对应措施对区间隧道变形进行调控。