侧方基坑开挖对盾构隧道的影响研究

聂 浩 张 康 鹿 江 卜庆源 周雨阳 杲 昊

(1. 中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,山东济南 250001;2. 济南轨道交通集团有限公司,山东济南 250001)

随着城市轨道交通的快速发展,地下隧道与基坑工程的相对距离也越来越近。 为保证城市轨道交通建设与运营的安全,进行基坑开挖对既有盾构隧道的影响研究显得十分重要[12]。

目前,国内学者利用数值计算的方法对既有轨道交通上方基坑开挖进行了大量研究。 蔡建鹏[3]分析了基坑开挖卸荷再加载对下卧隧道的影响,并据此提出结构优化方案。 曹前[4]计算了基坑开挖后下卧隧道的变形及内力,提出可采用分仓开挖方式降低其影响。 高强[5]认为:采用分槽、分段、分层、对称开挖方式,可有效控制坑底土体隆起及下卧隧道的变形。 李辉[6]认为:可通过隧道纵向变形曲率、螺栓的张开量及内力关系区分基坑开挖的影响区。 徐中华[79]等对基坑开挖岩土体本构模型及岩土体参数进行了适用性分析。 李志高[1011]等通过实测数据进行了基坑开挖对盾构隧道影响的分析,并针对基坑特点提出相应的工程措施。 张俊峰[12]利用数值计算与现场监测等方法,对上海软土地区上卧基坑开挖进行综合比较分析,得到基坑开挖后的变形特征。 以往研究中,基坑多处于隧道正上方,对于基坑位于盾构隧道侧方的研究相对较少。

以济南市某临近地铁隧道基坑开挖为背景,研究基坑放坡开挖对侧方盾构隧道的影响。

1 工程概况

1.1 工程环境

拟开挖基坑顶部与邻近区间隧道之间水平投影距离为10.6 m,基坑底部距隧道顶部的竖向投影距离为5.4 m,基坑开挖最深处距场坪地表约为8.30 m。 综合技术与经济条件,拟采用土钉放坡开挖的支护形式(按1 ∶0.3 放坡),共设置5 排土钉,土钉长度分别为9.0 m、9.0 m、12 m、12 m、7.5 m,竖向与横向间距均为1.5 m,入射角为15°,采用直径为110 mm 的土钉钻孔。 基坑长约80 m,基坑长轴方向与区间隧道轴向近似平行,基坑与左右线隧道的平剖面相对位置关系如图1 ～图2。

图1 基坑与隧道平面相对位置关系(单位:m)

1.2 工程地质概况

工程影响范围内的岩土体主要为素填土、粉质黏土、残积土、全风化及强风化闪长岩等,岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

场地地下水属孔隙潜水,地下水位埋深较浅,丰水期水位接近地表。 地下水对地下结构的混凝土及钢筋具有微弱腐蚀性。

1.3 基坑支护方案

图2 剖面相对位置关系(单位:mm,高程:m)

该基坑的开挖深度相对较浅且距轨道交通区间隧道相对较远,依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中外部作业工程影响分区划分原则,可判定该工程处于一般影响区。 此时,盾构隧道已通过基坑位置,尚未进行铺轨作业,区间隧道变形控制指标相对宽松。 综合开挖技术条件与工程成本,拟采用土钉开挖支护形式。

根据地勘资料,施工期内地下水位埋深为2.10 ～3.70 m 之间,地下水较丰富。 为避免基坑施工降水对盾构隧道产生不良影响,采用了止水帷幕截水、回灌井补水等措施,以保证区间隧道周围区域大体处于原地下水环境。

2 数值分析

2.1 模型建立

依据隧道与基坑的空间位置关系,利用FLAC3D建立三维有限元计算模型。

综合考虑模型计算效率与影响,取模型X 向范围为85.8 m;区间隧道距模型底部长度取3 倍左右洞径长度,则模型Z 向长度为33 m;模型尺寸为:X×Y×Z(长×宽×高)= 85.5 m×150 m×33 m,共有151 220个单元,159 396个节点。 计算模型如图3 所示。

采用Mohr-Coulomb 结构模型的实体单元模拟,锚杆采用内置cable 结构单元模拟,坡面喷混采用shell结构单元模拟[13],支护结构与盾构管片的相对位置如图4 所示。

图3 基坑计算模型

模型上边界采用自由边界,模型前、后、左、右采用垂直于模型表面的水平位移约束,模型底部采用竖向位移约束[14]。

2.2 模拟过程

(1)盾构隧道开挖

依据盾构机施工特点对盾构隧道进行开挖模拟。先利用null 模型模拟距基坑较近一侧的隧道,然后再进行另一侧隧道的开挖模拟。

(2)基坑开挖支护

按照实际开挖工况,利用null 模型模拟基坑的分层开挖,基坑开挖与支护之间的时间间隔利用计算步控制,直至开挖至坑底。

(3)基坑内施工

当基坑开挖至底部时,在坑底施加逐步增大的建筑物等效面荷载,模拟基坑内建构筑物施工过程对盾构隧道的影响。

计算步如表2 所示。

表2 基坑施工模拟主要计算步

2.3 数值计算分析

(1) 盾构隧道开挖

盾构隧道与基坑开挖前的原岩应力场如图5 所示,在不考虑构造应力场的前提下,原岩应力场呈层状分布,这与计算基本假设中岩土体层状分布相一致。

图5 原岩应力场

在原岩应力的基础上进行隧道开挖计算,左、右线盾构隧道开挖结束后模型计算结果如图6 ～图9所示。

图6 盾构施工产生的竖向位移

图7 盾构施工产生的管片竖向位移

图8 盾构施工产生的竖向应力

图9 盾构施工产生的管片竖向应力

(2)基坑开挖位移分析

在盾构隧道开挖结束的基础上进行基坑开挖模拟,基坑开挖至坑底时模型位移如图10 ～图12 所示。

由图10 ～图12 可得,随着施工步的逐步增加,靠近隧道侧基坑边坡的水平位移不断增大,当开挖至坑底时,水平位移达到最大(2.41 cm)且发生在靠近隧道侧边坡居中位置处;随开挖深度的增加,基坑周边土体沉降不断增大,开挖至基坑底部时位移达到最大值(4.23 mm)。

图11 开挖第十步地层X 向变形

图12 开挖引起的基坑周边岩土体节点位移

基坑开挖至坑底时管片位移如图13 ～图14所示。

图13 基坑开挖引起的盾构管片竖向位移

图14 基坑开挖引起的盾构管片X 向位移

基坑开挖后,岩土体应力产生变化。 由于边坡侧向刚度较小,边坡产生了较大的水平位移,靠近基坑侧管片也产生一定的水平位移(最大达5.24 mm)。 由于基坑位于盾构隧道的侧上方,盾构隧道周围节点的位移以水平向为主,故基坑开挖后盾构隧道竖向变形较小,最大隆起位移仅为1.11 mm。 因基坑距离盾构隧道最近位置为拱肩处,故基坑开挖后隧道拱肩变形较大。

为验证基坑开挖的影响,对基坑开挖过程中盾构管片拱腰水平位移、拱顶竖向位移进行了监测,监测点沿隧道轴向每隔2 m 设置一个。 由图13、图14 可知,模型中心位置处水平位移较大,故在模型中间位置处沿隧道管片环向布设监测点-8 至8,监测位置及监测结果如图15 ～图17 所示。

图15 管片位移测点位置

图16 拱腰监测点水平位移变化曲线

图17 拱顶监测点竖向位移变化曲线

基坑开挖后,(沿管片轴向)拱腰处水平位移拟合曲线如图16 所示,由曲率半径公式

计算得水平向管片最小曲率半径为482 690 m,满足相应规范要求[15]。

基坑开挖后,(沿管片轴向)拱顶竖向位移拟合曲线如图17 所示,依据式(1),得管片在铅垂方向上的最小曲率半径为5 274 968 m,满足相应规范要求。

基坑内结构施工前,管片节点位移最大(见图18)。

图18 环向监测点位移

由图18 可知,最大水平位移监测点位于拱肩位置处,拱肩位置处监测点随开挖步的变化规律如图19 ～图20 所示。

图19 水平位移变化曲线

其中计算步1 到10 为基坑开挖过程,计算步11 为地面以下建筑物完成过程,计算步12 为整栋建筑物完成过程。

图20 竖向位移变化曲线

由图19、图20 可知,各监测点的水平变化规律相同,但竖向变化规律存在一定的差异,即拱顶节点竖向变化不大,距离拱顶越远,竖向位移变化越明显。

综上可得:

①基坑中部拱腰位置水平位移量最大(达4.78 mm),并以此为中心呈对称分布(逐渐减小),当距离中心70 m 后曲线趋于平缓。

②在隧道中心处拱顶上浮0.09 mm,远离中心则拱顶上浮逐渐减小,当距离基坑中部位置约30 m 时,拱顶上浮量为零。 随距离的增大,拱顶恢复沉降,直至增加至0.6 mm,并趋于稳定。

③拱肩位置(即隧道靠近基坑侧中上部位置处)管片水平位移最大(达5.18 mm),以此监测点为中心,两侧水平位移逐渐减小,接近拱底位置时变形趋于稳定。

(3)基坑开挖后管片应力分析

基坑开挖打破了隧道开挖后形成的二次应力平衡,进而导致盾构管片应力调整,以下对三次应力平衡下盾构管片应力进行分析。

图21 管片竖向应力

图22 管片X 向应力

由图21、图22 可得:

①数值计算过程是以自重应力为主,故隧道结构承受以竖向应力为主的外部荷载,基坑开挖引起应力调整,沿隧道与基坑直线方向存在卸荷作用,但由于距离较远,影响相对较小,隧道结构最大竖向压应力仍发生在拱肩位置处,最大值为3.58 MPa,未超过盾构管片材料的抗压强度。

②计算过程中隧道结构主要承受竖向应力,X 向应力相对较小,其主要存在于拱顶、拱底位置,最大X向应力为1.69 MPa,未超过盾构管片材料的抗压强度。

3 现场监测分析

3.1 监测内容及测点布设

为保证基坑开挖过程中盾构隧道的安全性,在基坑开挖影响区域内对盾构上地表、隧道断面拱顶、隧道净空收敛进行动态观测。 依据工程特点,每间隔20 m 设置一处观测断面,每个观测断面均包含地面沉降观测、拱顶沉降观测、拱腰净空收敛观测以及隧道管片底部隆起观测,具体观测断面测点布设如图23 所示。

图23 观测点布设示意

3.2 监测分析

由图23 可知,基坑开挖对隧道右线影响相对较小,故重点分析隧道左线观测点的变化规律,如图24 所示。

由图24 可知,基坑中部位置处管片拱腰收敛量最大(为4.59 mm),较数值计算结果(4.78 mm) 小0.19 mm,而且管片拱腰位置处随基坑开挖过程的变形规律与数值计算结果一致:即随基坑开挖深度的增加,拱腰位置处管片水平位移逐渐增大,当施作基坑内部结构后,管片位移具有减小的趋势。

图24 拱腰水平累计收敛观测值随时间变化曲线

依据观测数据统计可得,靠近基坑侧隧道拱顶累计沉降量最大(为3.7 mm),观测范围内盾构隧道拱顶平均沉降量为0.045 mm,竖向位移平均日变化量为0.142 mm/d。 基坑开挖对盾构管片影响相对较小。

4 结论

(1)基坑开挖会引起盾构管片的位移,盾构管片水平位移最大为5.24 mm,管片最大竖向位移为1.17 mm, 靠近基坑一侧模型中部拱肩位置管片变形最大,两侧逐渐减小并趋于稳定。

(2)基坑开挖引起周边地层产生沉降,最达沉降量为4.23 mm,发生在靠近盾构管片一侧的基坑处。

(3)基坑开挖引起的应力卸荷作用对盾构管片影响相对较小,竖向应力最大部位仍为拱肩位置,其最大值为3.58 MPa,未超过管片结构材料的强度。