深基坑开挖施工对邻近地铁结构受力性状的影响

2018-07-02黄亚德李更召范鹏程

水利与建筑工程学报 2018年3期

陈涛，黄亚德，李更召，翟超，范鹏程

(天津市勘察院，天津 300191)

目前，我国很多城市已建成地铁线路并投入使用，随着地铁运营里程的不断增加，新建工程与既有地铁结构相邻近的情况时常出现[1-3]，作为现代城市重要的交通工具，地铁结构的安全性倍受关注。基坑开挖、堆载等因素可能导致邻近地铁结构产生变形，从一定程度上影响地铁线路的安全运营[4-9]。

现有已运营地铁结构多采用预制混凝土管片和高强度螺栓连接的盾构隧道，对变形要求非常严格。过大的变形可能会导致隧道管片结构裂缝、渗漏水、道床脱空、错台等病害[10-12]，进而可能产生管片的异常变形而造成损坏，改变其受力状况。

针对基坑开挖施工对运营地铁线路安全性的影响，国内外诸多学者进行了相关研究。王立峰等[13]考虑基坑分块开挖的时间效应的影响，通过建立基坑和隧道位移拟合公式，对邻近地铁隧道的水平、竖向位移进行分析。孙超等[14]利用MIDAS/GTS NX有限元软件对基坑开挖后地铁隧道的变形进行数值模拟，并分析隧道管片的受力状态，对隧道的稳定性和安全性进行研究。郑刚等[15]利用深基坑监测实测资料，对邻近地铁隧道结构的变形规律进行研究，总结建立了坑外隧道变形影响区。徐长节等[16]采用ABAQUS数值模拟法和规范角点法对新建基坑下卧隧道的变形及应力进行对比分析，以评价对隧道结构的影响。

本文以天津某邻近新建深基坑工程的既有地铁结构为背景，结合现场检测数据，利用ABAQUS有限元数值模拟分析法，对隧道设计状态与当前状态的受力情况进行模拟，通过反演分析隧道结构、螺栓及钢筋的受力分布状况，分析邻近施工对地铁结构健康状态影响程度，能够对后期施工提出合理建议。

1 工程概况

项目位于天津市区，处于南侧既有地铁线路的保护区范围内，基坑面积约88 000 m2，周长约1 280 m，为了控制基坑围护结构变形及保护既有地铁结构，基坑采用分区开挖的施工方式，分一、二、三期进行开挖施工，其中，二、三期距离地铁结构较近，其地下室距离地铁结构最近距离分别约为17.8 m、9.0 m，地下为整体两层地下室(局部四层地下室)，开挖深度约15.95 m，基坑周边环境复杂，东、南、西三侧邻近市政道路，北侧紧邻既有地铁线路，基坑与地铁结构平面、剖面位置关系见图1、图2。

图1 基坑与地铁结构平面位置关系图

图2基坑与地铁结构剖面位置关系图

基坑北侧距离地铁结构较近的地段采用地下连续墙进行支护，其余三侧采用钻孔灌注桩结合止水帷幕的围护形式。由于本工程属超大面积深基坑，止水帷幕需隔断深部承压水，因此围护结构外侧整体采用水泥土地下连续墙作为止水帷幕。一期地下室采用两道水平钢筋混凝土支撑体系，二期和三期地下室距离地铁站及线路相对较近，均采用三道水平钢筋混凝土支撑体系。由于三期距离地铁结构较近，必要时考虑注浆纠偏。目前，一、二期工程已施工完毕，三期工程第一步土方开挖施工完毕，此时，邻近基坑的地铁结构出现渗漏水、裂缝、错台等病害，考虑到对地铁结构安全性的影响，此时现场停止施工，结合现场检测数据对地铁结构安全状况进行评估，以指导后续施工。

2 管片变形检测

断面轮廓下行线、上行线各选取10组断面进行检测，轮廓水平最大距离和检测实际值对比情况见表1。

由表1可以看出，下行线管片835号到885号范围内隧道断面最大水平距离相对较大，相对设计值外扩量均超过2 cm，最大值出现于管片885号位置，超出设计值2.296 cm。上行线管片835号到875号范围内隧道断面最大水平距离相对较大，相对设计值外扩量均超过1 cm，最大值出现于管片865号位置，超出设计值1.958 cm。下行线、上行线轮廓水平最大距离和检测实际值对比情况分别见图3、图4。

3 区间隧道结构、螺栓、钢筋受力有限元数值模拟分析

采用ABAQUS有限元数值方法，结合现场实测数据，模拟隧道设计状态与当前状态下的受力情况，对隧道结构、螺栓、钢筋受力状态进行分析。

表1 隧道断面轮廓水平最大距离与实际值对比表

图3 下行线隧道断面轮廓最大水平距离与设计值对比图

图4上行线隧道断面轮廓最大水平距离与设计值对比图

3.1 计算模型

(1) 模型建立。采用荷载-结构法建立三维有限元模型见图5。隧道管片考虑5环，环宽1.2 m，约束模型前后两端纵向位移。隧道结构采用六面体实体单元模拟，螺栓与钢筋采用梁单元模拟。管片之间采用摩擦接触，通过螺栓连接，并采用地层弹簧模拟地层抗力。

隧道管片采用ABAQUS提供的混凝土损伤模型，隧道管片、螺栓及钢筋参数见表2。管片间螺栓为M30、5.8级高强螺栓，钢筋型号为HRB335，考虑塑性阶段，施加在隧道结构的荷载见图6。

图5 隧道模型

图6施加荷载

(2) 计算工况。① 工况1：当前状态(水平外扩2.296 cm)下隧道结构、钢筋、螺栓受力分析。根据现场检测，相对于设计值，隧道外扩最大值出现在885号管片，超出设计值2.296 cm。通过调节地层弹簧参数，进行参数反演，使得隧道水平外扩量为2.296 cm，分析此时隧道结构受力、钢筋、螺栓受力情况。 ② 工况2：根据现场检测情况，由于隧道左右侧壁水平位移不同，导致隧道有外扩现象，外扩量最大为0.404 cm。因此在工况1的基础上，通过释放隧道两侧荷载以模拟隧道水平位移，计算外扩量为0.404 cm时隧道结构受力、钢筋、螺栓受力情况。

(3) 参数反演。图7(a)是通过调整地层弹簧参数得到的工况1情况下的隧道水平方向位移，两侧位移分别是+1.22 cm和-1.09 cm，水平向收敛为2.31 cm。图7(b)中两侧位移分别是+1.54 cm和-1.21 cm，水平向收敛2.75 cm。

图7水平位移计算值

表3给出了数值模拟分析与现场检测对比，可见数值模拟与现场实测吻合较好。通过反演得到的地层弹簧参数为法向弹簧刚度1.2×105N/m，切向弹簧刚度1.5×105N/m。

3.2 结果分析

(1) 隧道结构受力分析。图8为隧道拱顶内侧最大主应力分布。由图8可见，由于隧道发生竖向收敛变形，拱顶内侧混凝土受拉应力，工况1拱顶内侧最大拉应力为2.43 MPa，小于C50混凝土抗拉强度极限值3.1 MPa，混凝土不会发生受拉破坏；工况2拱顶内侧最大拉应力2.98 MPa，同样小于混凝土抗拉强度极限值，混凝土不会发生受拉破坏。

表3 数值模拟分析与现场检测对比表

图8拱顶内侧最大主应力

图9为隧道拱腰外侧最大主应力分布。由图9可见，工况1拱腰外侧混凝土最大拉应力为2.42 MPa，工况2拱腰外侧混凝土最大拉应力为2.45 MPa，两种工况下混凝土最大拉应力均小于极限抗拉强度，混凝土不会受拉破坏。

(2) 螺栓受力分析。图10和图11分别为环向螺栓和纵向螺栓轴向应力分布图。管片间环向螺栓为M30、5.8级高强螺栓，屈服应力400 MPa。由图10可见，工况1环向螺栓最大拉应力为216.8 MPa，工况2环向螺栓最大拉应力为238.4 MPa，均小于螺栓的屈服强度，未发生屈服。由于工况1水平方向外扩量为监测区域内外扩量最大的情况，说明监测区域内环向螺栓均未进入屈服状态。