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基坑工程施工对邻近地铁结构影响研究现状与展望

2018-02-12孙斌彬顾凤祥李益斌

关键词:土体基坑隧道

陈 盨,孙斌彬,顾凤祥,李益斌,唐 强

(1.苏州大学轨道交通学院,江苏苏州215137;2.江苏省地质矿产勘察局第四地质大队,江苏苏州215129)

基坑工程施工对邻近地铁结构影响研究现状与展望

陈 盨1,孙斌彬1,顾凤祥2,李益斌2,唐 强1

(1.苏州大学轨道交通学院,江苏苏州215137;2.江苏省地质矿产勘察局第四地质大队,江苏苏州215129)

针对基坑工程会对邻近既有地铁结构产生一定的附加变形、内力等,从而可能影响地铁正常运营甚至危及运营安全,采用理论计算、数值模拟及实测分析等手段,从基坑围护结构体系、基坑平立面尺寸、地基加固型式、土方开挖方式及基坑与既有地铁隧道的相互位置关系等不同的角度,分析了基坑工程对邻近既有地铁结构的影响问题.在总结现有研究成果的基础上,进一步展望了未来发展方向,即研究土方卸载、基坑围护体及地铁结构刚度三者的耦合作用,选择恰当的计算与分析模型和参数等,并深入探讨基坑工程对邻近地铁结构的影响机理和因素,改进监测工作方法,提高监测仪器精度,同时应扩大监测范围及增加监测内容等.

邻近地铁结构;基坑工程;影响因素;变形;内力

商业化要求和城市空间限制,使得很多房屋建筑不得不紧邻甚至上覆于地铁结构,其建设活动不可避免地会对邻近地铁结构产生影响,而地铁结构过大的变形将引起其自身开裂、渗漏等现象,从而影响地铁正常运营,甚至危及运营安全.相对于一般的地下建筑结构,地铁隧道的纵向刚度和整体结构刚度都比较小,自身抵抗外部荷载的能力也较差[1],因此,对地铁结构变形和受力的控制要求比较严格.

随着我国地铁运营里程的不断增加,对邻近地铁的建设活动引起的地铁结构变形和内力变化,以及相应的对地铁结构保护措施的研究越来越受到重视.本研究简要阐述基坑工程对邻近地铁结构变形、内力影响的机理和因素,回顾总结基坑工程对邻近地铁结构影响的研究方法和成果,在此基础上,提出进一步探讨研究的问题.

1 基坑工程的影响机理及因素

基坑工程包括支护结构、降止水及土方开挖与回填等设计与施工.

1.1 影响机理

基坑工程施工过程中,由于围护体(地下连续墙等设置)、支撑体(对撑、角撑等拆除)施工引起的土体应力释放;基坑开挖卸荷产生的不平衡力,使得坑底土体向上隆起和围护结构侧向变形;施工期间的降水活动可能会引起地下水渗流及土体固结等原因,都会引起周边地层应变场和应力场变化,进而对地铁结构变形和内力产生影响[2].

1.2 影响因素

基坑工程对邻近地铁结构的影响与基坑和地铁结构都有关,总体包括基坑规模(平面尺寸和挖深)、围护结构体系、地基加固与否及加固型式、土方开挖顺序与方式、基础垫层(或底板)浇筑时间与面积、降止水方式与施工质量、隧道结构刚度与尺寸、隧道与基坑相对位置(水平与竖直距离)关系等[3].

2 基坑工程对地铁结构的影响

2.1 理论计算

1)残余应力法.文献[4]提出了残余应力概念、应用残余应力原理与应力路径方法建立的基坑隆起变形计算模型,并以此计算其下卧隧道上抬变形.文献[5]在基底隆起残余应力法的基础上,进一步提出了考虑基坑开挖时空效应的隧道位移实用计算方法.文献[6]考虑坑底加固,采用修正的土体卸荷模量,基于残余应力法分析了某基坑工程开挖引起的下卧隧道变形,计算结果与实测结果较吻合.文献[7]基于残余应力方法,假定盾构隧道横断面上下方土体抗力的分布形式为不相等的三角形分布,提出了盾构隧道在上方卸荷作用条件下横向变形的简化计算方法.

残余应力法计算公式简单,但该方法通常只用于分析下卧基坑的地铁隧道变形,同时认为地铁隧道变形和土层位移基本一致,而忽略了隧道结构刚度对变形的抵抗调节作用,再者不同工程土性差异变化较大,需通过大量试验确定相应土体回弹模量.

2)Peck经验曲线.文献[8]对于隧道开挖引起的邻近隧道变形、内力影响问题,采用Peck经验曲线拟合土体自由位移,然后将土体自由位移施加于既有邻近隧道,并采用文献[9]Winkler地基模型分析其纵轴位移和内力,即所谓两阶段位移分析方法.文献[10]认为某些情况下,Peck经验曲线不能准确描述隧道开挖引起的土体自由位移.因此,文献[11]采用修正的Peck经验曲线拟合土体自由位移.

3)两阶段应力分析法.由于缺乏比较合理的基坑开挖引起的土体自由位移预测公式,对于基坑开挖引起的邻近既有地铁隧道位移和内力变化,多采用两阶段应力分析方法,计算基坑开挖等效荷载引起的既有邻近地铁隧道附加应力,然后将附加应力施加于既有邻近隧道,并采用Winkler地基模型分析其纵轴位移和内力.文献[11]等采用两阶段应力法,分析了基坑开挖卸载引起的邻近地铁隧道纵向位移和内力,并与实测结果进行对比分析,但计算中仅考虑了坑底应力释放对邻近地铁隧道的影响,未考虑坑壁应力释放的影响.在文献[11]研究基础上,文献[12-13]分别考虑了坑底和四周坑壁应力释放、坑底和邻近地铁隧道三边坑壁应力释放对邻近地铁隧道变形和内力的影响.文献[1]在计算基坑围护结构底部平面处土体残余应力的同时,考虑力在向下传递时围护结构侧壁的摩阻力影响.

两阶段应力方法中,采用Winkler地基上弹性地基梁的解答,由于Winkler地基模型假定地基上任一点的位移仅与该点的压力有关,即仅由一系列独立的弹簧单元来体现土体性质(即基床系数).因此,该地基模型无法考虑地基土的剪切刚度,运用在非软土的地层中存在一定误差,同时将地铁隧道视为等效均质弹性地基梁,假设其沿纵向发生弯曲变形,但是这种假设并不符合地铁隧道纵向变形模式为顶部、底部刚性张开和环间错台的实际情况.

为克服两阶段分析方法的不足,文献[13]建立了位于Kerr三参数地基上的盾构隧道受荷变形平衡微分方程,得到了上方卸荷作用下地铁隧道纵向变形解析解,并将Kerr三参数地基模型结果与Win kler单参数地基模型、Pasternak双参数地基模型结果进行对比.结果表明:采用Kerr地基模型计算隧道纵向变形精度最好,Pasternak地基模型次之,Winkler地基模型最差,但Kerr三参数地基模型中相关地基参数合理选取较为困难,且至关重要.文献[14]推导了自由边界半无限黏-弹性体的Mindlin时域解、隧道总竖向附加应力时域解及隧道上抬变形时域解,得到的隧道总竖向附加应力时域解不仅考虑了基坑地面和侧面上土体卸荷效应,还考虑了围护墙体、支承结构及工程降水等影响.采用的Pasterank地基模型考虑地基弹簧之间的相互作用.文献[15]利用Mindlin基本解,计算基坑开挖卸荷引起的盾构隧道附加应力,然后将盾构隧道衬砌环视为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,利用最小势能原理建立变分控制方程,求解可得到环间错台效应下基坑开挖引起邻近盾构隧道的位移和环间错台量.文献[14-15]进一步拓展了两阶段应力分析方法,但还需得到更多的工程实践检验.

2.2 数值模拟

文献[3]利用CRISP有限元程序,建立基坑三维模型,分析了基坑尺寸、开挖方式及支护型式等对周围岩土体变形的影响.文献[16]基于PLAXIS有限元程序,建立基坑三维模型,分析了影响基坑开挖的各因素力学效应.基坑开挖对周围土层应力和应变场的影响不仅与支护型式、基坑尺寸、开挖方式及降止水等有关,还与其邻近有无地铁结构有关.文献[17]采用FLAC2D程序进行二维有限元数值模拟,认为在有无地铁车站的情况下,坑周土体的位移场会出现很大不同,由于地铁车站的存在,对车站与基坑之间土层的水平和竖向位移均有一定的影响,车站具有遮拦作用.

1)基坑工程对其下卧既有地铁结构的影响.文献[18]针对相关工程进行有限元模拟,利用平截面假定计算的管片弯矩和内力结果表明,基坑开挖卸载后,隧道管片的应力状态有所改变,但其强度能够满足要求.文献[19]采用二维有限元模拟,分析了上覆基坑开挖方式不同对地铁隧道变形的影响,结果表明:通过将远离和靠近地铁隧道的基坑平面分成Ⅰ区和Ⅱ区,并采取先Ⅰ区、后Ⅱ区的顺序分区开挖措施,可有效地将隧道变形控制在允许的范围内.文献[20]结合某工程采用FLAC3D进行三维有限元模拟,结果表明:采用隧道桩板支护结合坑底旋喷桩满堂的措施,相对于不进行加固、仅隧道桩板支护措施而言,对控制地铁隧道的隆起位移更有效,该措施中板桩支护和坑底旋喷桩满堂加固分别起到主要作用和辅助工效.文献[21]通过ABAQUS程序建立三维整体数值模型,分析了采取隧道和站体两侧增加三轴水泥土搅拌桩对土体加固、将隧道和站体两侧建筑工程桩加长和基坑土方分块开挖等措施后上覆基坑工程对其下地铁结构的变形的影响,认为上述措施可有效地控制地铁隧道变形,土体加固措施效果最为明显.文献[22]采用FLAC3D软件模拟某工程岩质基坑开挖,认为岩质基坑开挖会对其下隧道产生整体上浮现象,开挖深度越大,回弹变形量也越大,完全对称开挖,则隧道位移呈对称分布;基坑开挖边界附近竖向位移变化剧烈,隧道衬砌结构变化更容易造成衬砌产生挤压和张裂.

2)基坑工程对其侧邻既有地铁结构的影响.文献[23]结合相应工程,采用有限元模型,分析了基坑工程对其侧邻既有地铁结构变形和受力的影响规律,研究发现在基坑开挖的影响下,左右隧道结构均表现出上下受压、左右受拉趋势,隧道最大剪力均出现在左偏上45°和右偏下45°,最小剪力则均出现在左偏下45°和右偏上45°,均有上下挤压、左右凸起的扁平椭圆状变形趋势.文献[24]采用有限元分析法,探讨了坑内外水泥土桩加固对地铁隧道的影响,研究结果表明坑内基底抽条尤其是满堂加固,能有效地抑制基坑开挖引起的周边土体变形,减小对邻近地铁隧道的影响.文献[25]结合实际工程采用PLAXIS程序,分析了不同水平支撑道数对邻近地铁隧道的影响,认为坑基坑围护结构刚度对水平位移影响较大,靠近地铁侧基坑需加强支撑.文献[26]对软土基坑引起的邻近地铁隧道变形采用二维有限元进行了分析,发现在原基坑支护设计体系下,地铁隧道不能满足变形要求,提出了加大水泥土的桩长、减小基坑开挖深度、增加钢管斜抛撑、加大围护灌注桩直径及坑外降水等措施,并对上述5种措施的不同组合进行了优化分析,认为减小基坑开挖深度和坑外降水效果最为明显.文献[27]采用三维有限元软件建立相应数值分析模型,分析了基坑逆作法施工及衬砌与土的相互作用对地铁隧道变形的影响,认为逆作法相对于顺作法施工会明显减小基坑围护结构的侧向位移与紧邻地铁隧道的水平位移,限制基坑围护结构的侧向位移对于控制紧邻地铁隧道结构的水平位移较竖向位移更为显著.文献[28]模拟了隧道位于基坑一侧情形下不同的隧道侧基坑宽度对隧道位移的影响,结果表明基坑宽度对隧道竖向位移的影响大于对水平位移的影响,基坑深度对隧道水平位移的影响大于对竖向位移的影响,基坑深度对隧道的影响大于基坑宽度对隧道的影响.文献[29]基于大量工程案例,以天津市某邻近既有隧道深基坑实测资料为基础,采用二维有限元模型,就基坑施工对坑外既有隧道变形影响规律进行了参数分析,结合不同规范中对容许变形值的相关要求,划分了不同围护结构变形模式和最大水平位移条件下坑外既有隧道变形影响区,并认为在围护结构最大水平位移和变形控制值相同的条件下,围护结构悬臂变形模式下变形影响区范围最小,内凸型和复合型次之,踢脚型最大.

3)降水对邻近地铁隧道的影响.文献[30]采用FLAC3D软件模拟降水对邻近隧道变形的影响,通过不考虑流固耦合和考虑流固耦合的对比分析,认为降水对隧道竖向位移和水平位移均有较大影响,不能忽视降水对周围土体扰动及区间隧道变形的作用.文献[31]采用有限元法,结合一维固结理论和三维渗流理论,分析越江隧道上方基坑降水对其结构的影响,探讨降水水位、抽水层次、降水时间及方式等对越江隧道沉降的影响.文献[32]针对某工程,采用三维有限差分模型,模拟分析了地下水位降至坑底下2 m和4 m时对邻近地铁隧道的影响,得到不同降水深度时的隧道结构受力状态、隧道底部土体孔隙水压力和隧道结构变形等规律.

数值模拟可以完整地模拟每一个施工工况对应的隧道变形和受力状态,可以考虑实际工程中某些工况条件,可以通过修改参数来考虑不同因素对隧道变形和受力的影响程度等.但由于计算分析中某些参数具有地区性、经验性,有必要结合地区经验、工程经验,通过实测进一步合理确定.实际工程中施工条件通常较为复杂,而计算模型通常经过了假设和简化处理,难以完全模拟实际工况,尤其是对于复杂工程.因此,计算结果的准确性受到影响,有限元模拟一般只能定性研究,难以定量分析.

2.3 监测分析

文献[33]对不同施工阶段地铁隧道变形进行了实测及资料分析,结果表明:在地铁隧道沿线附近进行基础灌注桩和基坑围护地下连续墙施工将使隧道产生沉降;在地铁隧道旁侧开挖深基坑,将引起隧道向基坑方向产生明显侧移,并使隧道横截面呈侧向拉伸、竖向压缩的变形特征;在地铁隧道上部开挖基坑,将使隧道产生明显上移,并使隧道横截面呈侧向压缩、竖向拉伸的变形特征.文献[34]对相应实际基坑工程的邻近地铁结构监测资料进行了分析研究,结果表明:基坑支护应确保足够的刚度以控制变形,条件允许时应优先选择内撑式,当场地受限时可考虑采用双排桩支护体系结合“中心岛”法施工,并严格进行施工控制;隧道与基坑距离的变化对隧道水平位移的影响比对隧道沉降的影响要大,正交支撑体系和钢筋混凝土板带更能限制土体的位移和变形.

地铁结构的人工监测由于受到地铁运行时间限制,较难做到与基坑施工同步实时监测.地铁结构的自动化监测可全天候实时动态监测,可靠性较高,但对仪器设备等要求较严.目前现场实测主要内容是监控地铁结构变形,但对地铁结构内力、管片张开及隧道附近土压力和超孔隙水压力等的监测结果报道较少,应该扩大监测的范围与内容,对地铁隧道的变形、受力及临近土体的土压力和超孔隙水压力等进行全面监测;同时还应改进监测方法、手段及仪器设备,提高监测的准确性与有效性.

3 未来研究方向

1)基坑开挖卸载引起的周边地层及地铁结构的变形和内力,不仅与基坑土方开挖方量、与地铁结构的相对位置有关,还受到基坑围护体遮拦效应及地铁结构自身刚度的影响,因此有必要深入研究土方卸载、基坑围护体及地铁结构刚度三者的耦合作用.

2)积累更多的地区经验、工程经验,选择恰当的计算与分析模型和参数,使得理论计算的假定和有限元模型的建立更趋合理,计算分析结果更准确.

3)在对大量实测资料统计分析的基础上,结合理论计算和有限元分析,进一步深入探讨基坑工程对邻近地铁结构的影响机理和影响因素.

4)改进监测工作方法,提高监测仪器精度,保证监测结果的可靠性与精确性,同时实测过程中应扩大和增加监测范围与内容,进一步为理论研究和数值分析提供坚实的基础.

4 结 论

本研究首先分析并总结基坑工程对地铁结构的影响机理及因素,前期研究者主要利用理论计算、数值模拟和监测分析等手段,从基坑规模、基坑围护体系、地基加固型式、土方开挖方式及基坑与既有地铁隧道的相对位置等不同的角度,分析了基坑工程施工对邻近既有地铁结构的影响问题.基于现有研究成果,未来研究可在以下几个方向进一步深化:研究土方卸载、基坑围护体及地铁结构刚度三者的耦合作用;选择恰当的计算与分析模型和参数等;深入探讨基坑工程对邻近地铁结构的影响机理和因素;改进监测工作方法及提高监测仪器精度,并应扩大监测范围及增加监测内容等.

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[34] 冯龙飞,杨小平,刘庭金.紧邻地铁侧方深基坑支护设计及变形控制[J].地下空间与工程学报,2015,11(6):1581-1587.FENG L F,YANG X P,LIU T J.Supporting design and deformation control of deep excavation adjacent to the metro side[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2015,11(6):1581-1587.(in Chi nese)

Research progress of foundation pit project im pact on neighboring subway structure

CHEN Su1,SUN Binbin1,GU Fengxiang2,LIYibin2,TANG Qiang1

(1.School of Rail Transportation,Soochow University,Suzhou,Jiangsu 215137,China;2.4thGeological Brigade of Jiangsu Geology&Mineral Exploration Bureau,Suzhou,Jiangsu 215129,China)

The foundation pit project can cause additive deformation and internal force towards surrounding existing subway structure and bring troubles to metro operation and securities.According to the literature review,current studies mainly focus on foundation pit supporting system,horizontal and vertical size,reinforcement type to foundation,excavation method and relative position between foundation pit and existing subway tunnel.Based on previous achievements,further research direction and contents were provided with coupled effect of deep excavation foundation pit retaining structural stiffness,calculation model and parameter selection.The influence factor,themechanism and the enhancing accuracy ofmonitor instrumentwere discussed,and themonitor range and content expanding should be conducted.

neighboring subway structure;foundation pit project;influencing factors;deformation;internal force

10.3969/j.issn.1671-7775.2018.01.018

2016-09-28

江苏省地质矿产勘察局科技项目(2014-KY-7)

陈 盨(1962—),男,江苏苏州人,教授(xiaowozi@hotmail.com),主要从事岩土及环境岩土工程的研究.

唐 强(1985—),男,江苏南京人,副教授(通信作者,tangqiang@suda.edu.cn),主要从事岩土及环境岩土工程的研究.

TS73

A

1671-7775(2018)01-0108-07

陈 盨,孙斌彬,顾凤祥,等.基坑工程施工对邻近地铁结构影响研究现状与展望[J].江苏大学学报(自然科学版),2018,39(1):108-114.

(责任编辑 赵 鸥)

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