基坑对既有地铁隧道衬砌的影响及变形控制

2017-01-10王木群

湖南交通科技 2016年4期

关键词：基坑隧道深度

王木群

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008)

基坑对既有地铁隧道衬砌的影响及变形控制

王木群

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008)

基坑工程位于地铁隧道之侧，基坑开挖卸荷导致地铁隧道衬砌产生位移，水平位移朝向基坑内侧，而竖向位移主要表现为隆起，地铁隧道衬砌竖向隆起量要大于水平位移；地铁隧道衬砌位移随着基坑开挖逐渐增大。地铁隧道离基坑越远且地铁隧道埋深越深，地铁衬砌竖向隆起量及水平位移就越小。以枫亭隧道明挖基坑为工程实例，采用地连墙+4道横撑+2道竖向支撑的支护方式、盆式开挖方法、合理的地连墙嵌固深度等方式来控制地铁隧道衬砌的变形，并以“地铁隧道结构的绝对竖向位移及水平位移要≤20 mm”为控制标准，对基坑开挖进行了数值模拟，结果显示控制措施能保证地铁隧道正常运营安全。

基坑；开挖；位移；地铁；衬砌；支护

0 引言

随着我国城市交通的发展，市政隧道越来越多，而市政隧道大多采用明挖法，这就必然会产生许多基坑工程，常常会出现基坑工程位于既有地铁隧道之侧的问题[1,2]。邻近地铁的基坑工程施工必然会对已有隧道造成一定的影响，基坑开挖卸荷引起地应力的重新分布，进而导致紧邻地铁隧道的位移场和应力场发生变化，影响地铁隧道的使用和适用性，因此有必要分析基坑开挖对既有地铁隧道的影响[3-6]。已运营的地铁车辆对隧道的变形极为敏感，地铁隧道结构对变形要求极为严格，一般情况下地铁隧道结构的绝对竖向位移及水平位移要≤20 mm，所以基坑开挖除了要保证自身安全的情况下，还要防止地铁隧道产生过大的变形[7-9]。

1 基坑对地铁隧道的影响

假定基坑深度15 m，见图1，采用钻孔桩+横撑进行支护，钻孔桩直径1 m，间距1.3 m，从上而下依次布置1道钢筋混凝土横撑、3道钢管支撑(竖向间距4 m)；地铁隧道衬砌直径为6 m，厚30 cm，与基坑的水平距离为D，地铁隧道埋深为H。假定围岩为强风化泥质粉砂岩。采用Midas数值计算软件进行计算，探讨基坑开挖对地铁隧道结构的影响，模型见图2。

图1 基坑与地铁位置关系

图2 计算模型

1.1 水平距离D对隧道变形的影响

为了探讨水平方向基坑开挖对地铁隧道的影响，假定地铁隧道埋深H=9 m，基坑与隧道水平距离D分别为5、10、20、30 m，基坑开挖工序为： ①施做钻孔桩及冠梁； ②向下开挖1 m并施做第1道钢筋混凝土横撑； ③向下开挖4 m并施做第1道钢管支撑； ④向下开挖4 m并施做第2道钢管支撑； ⑤向下开挖4 m并施做第3道钢管支撑； ⑥最后开挖剩下的2 m。通过计算得出隧道衬砌在基坑开挖过程中的水平位移及竖向位移，见图3所示。

图3 地铁隧道衬砌位移

从图3中可以看出，随着基坑开挖卸荷，地铁隧道衬砌产生向基坑一侧的水平位移，且水平位移逐渐增大，当D逐渐增大时，地铁衬砌水平位移在减小；地铁隧道衬砌位移主要表现为隆起，随着基坑的开挖，地铁衬砌竖向隆起量在增大，当D逐渐增大时隆起量在逐渐减小；总体上衬砌隆起量大于水平位移，当D大于30 m时，基坑开挖对地铁隧道的影响很小。

1.2 不同埋深H对地铁隧道变形的影响

为了探讨基坑开挖对地铁隧道在不同埋深情况下的影响，假定基坑与地铁隧道的水平距离为5 m，地铁隧道埋深分别为7、10、12、15 m，基坑开挖工序同上，通过计算得出隧道衬砌在基坑开挖过程中的水平位移及竖向位移。如图4。

图4 地铁隧道衬砌位移

从4图中可以看出，随着基坑开挖，地铁衬砌水平及竖向位移均在增大；随着H的增大，水平位移在减小，当H=15 m时(地铁隧道在基坑底部之下)水平位移最小；随着H的增大，地铁衬砌竖向隆起量逐渐减小，当H=15 m时，衬砌隆起量最小。总体上衬砌隆起量仍旧要大于水平位移。

综上所述，随着基坑的开挖，地铁衬砌的位移在逐渐增大，当地铁隧道离基坑越近且埋深越浅时，竖向隆起量及水平位移就越大，当地铁隧道在基坑底部之下时，基坑对地铁隧道的影响较小。地铁隧道衬砌位移主要表现为竖向隆起，因此在基坑设计过程中主要考虑地铁隧道衬砌的隆起量。通过以上分析，可以得出，在地铁隧道之侧布置基坑时，应尽量使得基坑水平方向上远离地铁隧道，同时也应减小基坑的深度，尽量使基坑底部在地铁隧道衬砌之上，以减小基坑开挖对地铁隧道的影响。

2 工程实例

2.1 工程概况

枫亭隧道为双向六车道城市隧道，整个隧道采用明挖法施工，隧道结构宽28.2 m，高7.8 m，见图5，基坑宽度为28.55 m ，枫亭隧道右侧有地铁4号线。由上文分析可以得出，在地铁隧道之侧布置基坑时，应尽量使基坑远离地铁隧道，同时尽量减小基坑的深度，不过受整个线位的影响，K0+200～250段基坑紧邻地铁隧道(最近距离仅为4.1 m)，地铁隧道埋深8.2 m，基坑深18.3 m，基坑与地铁隧道的位置关系见图6所示(只列出地铁隧道左幅)。

图5 枫亭隧道断面

图6 枫亭隧道基坑与地铁布置

从上文分析中可以得知，基坑开挖卸荷会对地铁隧道产生水平及竖向位移，尤其是本基坑开挖宽度大、距离地铁隧道近且基坑较深，对地铁隧道的正常运营非常不利，因此本段基坑的开挖能否控制住地铁隧道的位移甚为关键。结合本项目的特点，本段基坑拟采用地下连续墙+横撑进行支护，墙厚1 m，采用1道钢筋混凝土横撑(截面尺寸为1 m×1 m)、3道Φ609 mm钢管横撑，竖向间距为3.5 m；由于基坑宽度大，横撑容易产生较大的挠度，因此设置竖向支撑尤为必要，本段基坑设置2道竖向470 mm×470 mm的格构立柱，格构立柱距离基坑边8.55 m，见图7。对于紧邻地铁隧道面积较大的基坑，选用合适的开挖方法也很关键，另外地连墙的嵌固深度也要合理，较小的嵌固深度对地铁隧道衬砌变形不利，嵌固深度过大又导致没有必要的浪费[10，11]。

图7 基坑支护(单位： m)

2.2 盆式开挖方法

基坑开挖首先施做两侧的地连墙，然后逐层开挖并施做内部支撑，采用普通的开挖方法容易使地连墙在无支撑的状态下暴露过长的时间[12，13]，这对基坑变形不利。本项目拟采用盆式开挖方法，盆式开挖即除基坑中间部分的土方，基坑周边一定范围内的土暂不开挖，按1∶1.25进行放坡，利用挡墙四周所留土堤对围护结构产生被动土压力，阻止墙体的变形，本项目开挖示意图见图8。

图8 盆式开挖(单位： m)

具体开挖步骤为：(1)施做两侧地连墙；(2)开挖②部分土体，开挖高度2 m，土堤坡比为1∶1.25；(3)开挖③部分土体并施做内支撑；(4)开挖④部分土体，开挖高度3.5 m；(5)开挖⑤部分土体并施做内支撑；(6)依次完成以下岩体开挖及内支撑的施做。

2.3 地连墙嵌固深度及基坑开挖数值模拟

在地连墙嵌固深度分别为4、5、6、7、8、9、10 m的情况下，对基坑开挖进行数值模拟，分别得出不同嵌固深度情况下地铁隧道衬砌的位移，并以“地铁隧道结构的绝对竖向位移及水平位移要≤20 mm”为控制标准，以确定合理的地连墙嵌固深度[13-15]。围岩采用实体单元模拟，采用摩尔库伦模型，地铁隧道衬砌、地连墙、内支撑等均采用梁单元进行模拟，采用弹性模型。边界条件为X方向左右固定、Y方向底部固定，模型见图9所示。地层参数见表1，结构参数见表2。

图9 计算模型

表1 材料参数表材料单元类型模型类型弹性模量E/(kN·m-2)泊松比ν容重γ/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角ϕ/(°)杂填土实体单元摩尔库伦400000452000225粘土实体单元摩尔库伦100000039200130全风化泥质粉砂岩实体单元摩尔库伦2000000352101532中风化泥质粉砂岩实体单元摩尔库伦80000003220235

表2 结构单元参数表材料单元类型模型类型弹性模量E/(kN·m-2)泊松比ν重量密度/(kN·m-3)厚度或直径/m地连墙梁单元弹性310000000225厚1砼横撑梁单元弹性310000000225地铁隧道衬砌梁单元弹性310000000225厚03钢管横撑梁单元弹性1000000000258格构立柱梁单元弹性1000000000258

通过计算得出在嵌固深度为4 m时地铁衬砌位移，只列出基坑开挖完之后的位移，见图10。

a) 水平位移 b) 竖向位移

从图10中可以看出，地铁衬砌向基坑内侧发生水平位移，水平位移最大值发生在衬砌左侧，最大值为21.2 mm；而竖向围岩表现为隆起，最大隆起值发生在衬砌底部，最大值为32.2 mm。另外通过计算同样得出其它嵌固深度下地铁衬砌最大位移值，并汇总成表3。

表3 地铁隧道衬砌最大位移嵌固深度/m水平位移最大值(位移倾向基坑内侧)/mm竖向位移最大值(位移表现为隆起)/mm421232251862646153206711716388213595195103253 注：此表列出的位移均为基坑开挖完之后的最终位移。

表3显示，随着地连墙嵌固深度的增加，地铁隧道衬砌水平位移及竖向隆起量均在减小，说明地连墙嵌固深度越大，基坑开挖对地铁隧道衬砌的影响就越小。当地连墙嵌固深度为7 m时，水平位移最大值为11.7 mm，竖向位移最大值为16.3 mm，均小于20 mm，表明在7 m的嵌固深度下基坑开挖不会影响地铁隧道的正常运营安全，由此得出本项目地连墙嵌固深度为7 m较为合适。