基坑开挖深度对邻近地铁隧道变形影响

2020-01-17胡金胜

商品与质量 2019年42期

胡金胜

天津三建建筑工程有限公司天津 300000

1 概述

随着城市轨道交通的快速发展，基坑邻近已运营地铁隧道的工程案例越来越多。基坑卸荷及施工扰动影响会破坏土层原有的应力状态，导致变形增长，继而传递至邻近地铁隧道结构。地铁隧道衬砌多为采用高强螺栓连接的预制混凝土管片，对变形又较为敏感。过大的变形会导致管片连接的张开、错台、轨道翘曲变形，影响地铁列车的运行，严重甚至会因管片间变形张开量过大造成漏水漏沙隧道发生大变形和损坏，危害地铁的运营安全[1]。

2 基坑开挖深度对邻近地铁隧道变形影响

2.1 基坑及地铁隧道区间概况

某工程处于北京市通州区运河核心区，总用地面积28847m2，其中建设用地面积17815m2，拟建3栋写字楼、1栋单身公寓，写字楼地上23层，公寓地上24层，地下室均为3层。基坑大致呈矩形，长103．23m，宽42m。拟建场地地形较平坦，开挖深度16．76-17．76m，靠近地铁隧道侧的开挖深度较小，约16．76m。邻近已运营的地铁6号线二期工程通运门站—北运河站区间。隧道左线距离基坑较近，右线为远侧，左右线隧道水平相距13m。基坑侧壁距离用地红线4．0m，距离地铁隧道管片19．5-21．0m。基坑与地铁相对位置如图1所示。

图1 基坑与地铁相对位置

2.2 邻近地铁侧支护概况

此基坑支护为临时支护结构，设计使用年限为1年，基坑侧壁安全等级为一级，邻近地铁隧道的基坑侧壁支护深度16．76m，采用“桩锚支护体系”。护坡桩长23．50m，桩径800mm，桩间距1400mm，桩身混凝土为C25，桩身混凝土保护层厚50mm。桩间布置4道预应力锚杆，既有地铁区间隧道采用盾构法施工，隧道底部埋深为13．8-15．3m，隧道的掘进设备采用直径6280mm的土压平衡盾构机，采用厚300mm的C50预制混凝土管片衬砌，地铁侧基坑桩锚支护结构如图2所示。

2.3 土层力学参数

根据现场原位试验与室内土工试验成果的综合分析。

3 数值模拟分析

3.1 计算模型基本假定

①假定计算模型初始应力只考虑土体自重，固结早已完成。②假定止水帷幕隔水效果良好，且地下水不作为此次研究问题的重点，故不考虑地下水的影响。③假定本基坑支护结构、6号线地铁隧道结构及土体之间变形协调。④假定土体均质，为理想型弹塑性体，各土层水平分布，桩锚支护结构按照弹性材料考虑[2]。

图2 地铁侧基坑支护

3.2 计算模型简化

通过利用FLAC3D软件模拟该基坑开挖对已运营6号线隧道的作用。考虑到本基坑工程量巨大，若建立完整的模型计算耗时又费力，并且研究重点是2-2剖面的桩锚支护结构侧。最终确定模型尺寸为长70m，高35m，宽9m。隧道衬砌可采用实体单元模拟，取混凝土密度，弹性模量按照钢筋混凝土进行相应提高。实体单元为开挖土体及周围土体；结构单元为冠梁、围梁、护坡桩、锚杆。模型共23180个节点，19737个单元。

3.3 模型材料参数

根据基坑工程实际情况及对北京地区土体的分析经验，将数值模拟土体本构模型定为Mohr-Coulomb模型，基坑支护锚杆和护坡桩设计参数，其中锚杆直径均取150mm。

3.4 施工工序模拟

①工况1在地面施作护坡桩及浇筑冠梁等。②工况2从地面向下开挖深度为2．8m，即为布置第1排预应力锚杆下0．5m处。③工况3从此时的坑底继续开挖3．3m深至布置第2排预应力锚杆下0．5m处。④工况4从此时的坑底继续开挖4．0m深至布置第3排预应力锚杆下0．5m处。⑤工况5从此时的坑底继续开挖3．5m深至布置第4排预应力锚杆下0．5m处。⑥工况6从此时的坑底继续开挖3．2m深至基坑底，同时浇筑基坑底板。

4 基坑工程安全评价方法

安全评价亦称“风险评价”，采用系统科学的评价方法对潜在的危险进行预测和评价，为制定防灾减灾措施和工程管理提供指导作用。随着大规模的地铁车站建设，国民经济不断增长，也随之带来了成倍增长的工程风险。基坑工程的安全评价即从基坑工程的施工难度、周边地质情况等方面进行综合分析得出基坑安全等级的一种方法。

基坑安全评价方法有很多，例如可拓学理论、多层次模糊综合评判法、事故树分析理论等，近年来专家学者们对基坑工程的安全评价进行了大量研究，并结合工程案例进行研究，验证了基坑安全评价方法的可靠度。可拓学理论可以从不同角度来分析，利用多个衡量因素来客观评价事物的整体状况。可拓学评价理论分别从可行性及优化性来评估对象，并充分挖掘数据本身的规律。本文将可拓学理论引入到基坑安全评价中来，综合考虑桩体水平位移、地表沉降、基底隆起、支撑轴力和桩身弯矩五个因素后，采用组合赋权法得到基坑安全评价的指标权重，对基坑安全进行综合评价，并结合有限元计算结果及监测数据进行对比，验证了可拓评价方法在基坑安全评价上应用的准确性，给类似基坑工程的安全评价提供了宝贵的经验[3]。