基坑开挖对既有隧道结构影响分析

2020-12-08高睿卢新建王为民阙金涛

福建建筑 2020年11期

高睿卢新建王为民阙金涛

(福建省建筑科学研究院有限责任公司福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州 350025)

0 引言

随着城市建设的快速发展，有效利用土地和地下空间日益得到重视，地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市立体化再开发，是城市中心区改造的有效途径，充分利用城市地下空间成为当前城市立体化开发的重要组成部分。

然而，由于城市建筑物和生命线工程等各类地下管线的密集化，往往出现基坑工程上覆于已建地铁隧道之上，对基坑开挖的要求越来越严格，不仅要确保基坑开挖的安全性和经济性，而且还要确保地铁隧道的安全。因此，严格控制隧道结构的位移，成了基坑安全的首要任务。

关于基坑开挖对既有隧道结构的影响，诸多学者进行较为深入的研究[1-6]，如何进行地铁隧道结构保护也就成为学术界和工程界关注的焦点。

基于此，本文结合某具体工程实例，分析其基坑下卧隧道结构的保护方案，并提出基坑及地下结构相协调的合理施工方案，以确保地铁隧道结构的安全。

1 工程概况

1.1 地下结构与隧道结构概况

拟建工程普遍设4层地下室，基坑开挖深度约为18.0m～19.0m，其中地铁下穿区域设2层地下室，基坑开挖深度约为8.0m～9.0m，具体平面布置及剖面图如图1～图2所示。地铁隧道距两侧支护桩2.7m～3.5m，地下结构在地铁下穿区域两侧及中部集中布置支护桩，并在负二层楼板处设置2m厚盖板，以确保隧道结构安全。

图1 地下结构平面布置图

图2 地下结构与地铁隧道剖面图

综合考虑隧道结构安全、工期及造价等因素，该工程拟在地铁隧道施工前，在地铁轨道线路上提前进行隧道结构区域支护桩和地下结构施工，而后进行盾构隧道施工，待隧道结构施工完成后，最终进行周边区域地下结构施工。

1.2 工程地质条件

该工程场地内土层为：①素填土、②粉质粘土、③残积砂质粘性土、④全风化花岗岩、⑤土状强风化花岗岩。各岩土层主要性状如下：

①素填土：灰黄色，稍湿，松散，主要由粘性土回填而成，其中硬质含量5%左右，回填时间5～6年，未经专门压实处理，密实度不均，未完成自重固结，厚度0.50m～10.20m。

②粉质粘土：红褐色、黄褐色，湿，可塑～坚硬，以粉粒、粘粒为主含少量石英中粗砂，其中粗砂含量10%～30%左右，摇振反应无，光泽反应无，干强度中等，韧性高。厚度0.90～6.90m。

③残积砂质黏性土：黄色、黄白色，湿，可塑～坚硬，母岩为花岗岩，具原岩残余结构，矿物成分主要为石英、长石，长石已基本风化成粘土矿物,石英砾砂含量占0.0%～22.8%，个别地段为残积粘性土、残积砾质粘性土。摇振反应无 ,干强度中等，韧性中等，浸水易崩解、软化，层厚5.3m～29.8m。

④全风化花岗岩：黄白色、灰白色，成份主要为石英、长石，长石大部分风化成粘土矿物，标贯试验修正后击数30≤N<50击，风化剧烈，属极软岩，散体构造，极破碎，岩体基本质量等级为V级，该层浸水易崩解、软化，层厚5.6m～22.2m。

⑤土状强风化花岗岩：灰白色，成份主要为石英、长石，长石大部分风化成粘土矿物，标贯试验修正后击数N≥50击，岩芯手捏即散，呈土状，风化剧烈，属极软岩，散体构造，极破碎，岩体基本质量等级V类，该层浸水易崩解、软化。局部分布中风化花岗岩孤石，层厚18.56m～57.15m。

1.3 水文地质条件

影响基坑开挖范围内的地下水，主要为赋存于③残积砂质粘性土及以下基岩各风化带中的孔隙水。场地地下水稳定水位埋深2.60m～7.60m，水位标高11.17m～14.55m，地下水抗浮水位及防水水位按设计室外地坪标高下1.00m考虑，水位变化幅度约为0.5m。

1.4 物理力学参数

场地各岩土层物理力学指标如表1所示。

表1 岩土体物理力学指标

2 分析模型及工况

2.1 土体本构模型参数

该工程采用平面应变模型进行分析，土体本构模型采用硬化土(Harding Soil Model)模型，土体单元采用15节点三角形单元模拟。支护桩、地下结构及围护桩均采用5节点梁单元模拟，梁单元刚度按桩基及墩柱的抗弯刚度和轴向刚度进行等效，计算模型如图3所示。

图3 计算模型

2.2 分析方案

根据现有地下结构设计方案，该工程分3阶段进行施工：

(1)第一阶段：隧道结构两侧、中部支护桩及地下结构底板的施工，在第一阶段施工期间，基坑采用分级放坡支护。

(2)第二阶段：盾构隧道施工，先行施工的支护桩及地下室底板确保了盾构施工时的覆土要求。

(3)第三阶段：周边区域(除第一阶段施工区域外)地下结构施工。

其中，第一阶段分别采用3种方案施工，即：

(1)方案一：仅施工地铁隧道结构两侧及中间支护桩，其余支护桩均不施工，放坡坡脚线紧邻内排桩。

(2)方案二：仅施工地铁隧道结构两侧及中间支护桩，其余支护桩均不施工，放坡坡脚线卸载至距离支护桩12m位置。

(3)方案三：施工地铁隧道结构两侧及中间支护桩，邻近第二排支护桩亦同时施工，其他区域支护桩均不施工，放坡坡脚线卸载至第二排支护桩4m的位置处。

2.3 分析工况

(1)建立土层，形成初始地应力；

(2)施工隧道区域支护桩；

(3)隧道区域降水，并进行土方开挖；

(4)施工地下结构；

(5)施工地铁隧道结构，并对位移清零；

(6)地下水位恢复；

(7)围护桩施工，基坑二次降水及土方开挖；

(8)主体地下结构施工；

(9)地下水位二次恢复。

3 有限元结果分析

考虑到该工程重点针对基坑开挖对已建地铁隧道的影响分析，故本文分析均主要针对隧道建成后基坑开挖及地下结构施工所引发的地铁隧道结构变形性状。

3.1 方案一：仅施工隧道区域支护桩，坡底线紧邻外排支护桩

仅施工内排桩部分，系指如图4中仅施工虚线框范围内的地下结构，而对于虚线框范围外的地下结构底板及桩基暂不施工，同时，先行开挖部分的放坡坡脚线紧邻内排支护桩。具体工况分析结果如下：

图4 分析工况说明

(1)隧道建成后

在盾构隧道施工完成后，模型位移场如图5所示。

图5 模型位移场

在隧道施工完成后，隧道结构内力如图6和图7所示。

图6 隧道结构轴力图

图7 隧道结构弯矩图

如图6～图7所示，隧道结构的最大轴力为189.40kN/m，最大弯矩为12.73kN·m/m。同时，在隧道施工完成后，地下结构(包括盖板和桩基)的位移及内力如图8～图9所示。

图8 地下结构位移图图9 地下结构弯矩图

由于地铁隧道施工，使支护桩在隧道中心标高附近发生了内挤变形，最大位移为9.05mm，由此引发的地下结构连板的最大弯矩为4470kN·m，即隧道施工导致隧道两侧支护桩产生较大的附加内力。

(2)土方开挖后

在基坑土方开挖完成后，模型位移场如图10所示。

在基坑开挖完成后，隧道结构位移及内力如图11～图13所示。

图11 隧道结构位移图

图12 隧道结构轴力图

图13 隧道结构弯矩图

在基坑开挖完成后，由于坑内土体的卸荷作用，坑底土体发生了隆起变形，并直接导致地铁隧道结构发生了一定的隆起变形，其中隧道结构最大位移为10.98mm，最大轴力为435.24kN/m，最大弯矩为234.72kN·m/m。由此可见，在基坑开挖过程中，由于坑底隆起将引发隧道结构产生一定的位移，并导致隧道结构产生一定的附加内力。

(3)地下结构完成后

在地下结构完成后，模型的位移场如图14所示。

图14 模型位移场

由于地下结构施工所引发的隧道结构位移及内力如图15～图17所示。

图15 隧道结构位移图

图16 隧道结构轴力图

图17 隧道结构弯矩图

待地下结构完成后，隧道结构最大位移减小为9.72mm，最大轴力为451.27kN/m，最大弯矩为241.81kN·m/m。由此可见，在地下结构施工过程中，由于地下结构自重影响，隧道结构位移略微减小，但对隧道结构轴力和弯矩值的影响不大，即地下结构施工对隧道结构影响较小。

(4)地下水恢复后

在地下水恢复后，模型位移场如图18所示。

图18 模型位移场

在地下水恢复后，隧道结构的位移及内力如图19～图21所示。

图19 隧道结构位移图

图20 隧道结构轴力图

图21 隧道结构弯矩图

待地下水位恢复后，由于地下水的浮力作用，隧道结构发生了较为显著的上浮变形，隧道结构的最大位移为19.87mm。同时，由于水压力作用，最大轴力增大至753.51kN/m，隧道结构的最大弯矩为215.17kN·m/m。由此可见，在地下水恢复后，隧道结构发生了较为显著的上浮现象，且由于水压力作用，隧道结构的轴力明显增加，但对隧道结构的弯矩影响则相对较小。

综上表明，在基坑开挖、地下结构施工过程中，引发的隧道结构位移相对较小，对隧道结构的内力影响亦相对较小，但当地下结构完成且地下水恢复后，隧道结构将产生较大的上浮，对隧道结构的影响相对较大，且地下水位的回升亦使得隧道结构轴力显著增大。

3.2 方案二：仅施工隧道区域支护桩，坡底线距外排支护桩12m

该方案同方案一，仅先行开挖部分的放坡坡脚线距离内排桩12m。具体工况分析结果如下：

(1)隧道建成后

在隧道施工完成后，隧道结构的最大轴力为210.15kN/m，最大弯矩为35.37kN·m/m。此时，地下结构支护桩最大位移4.71mm，由此产生的地下结构连板最大弯矩2090kN·m。由此可见，当放坡开挖范围较大、坡脚线距内排桩距离较大时，地下结构产生的位移均略小于方案一的分析结果。

(2)土方开挖后

基坑开挖引发的隧道结构最大位移7.80mm，此时隧道结构最大轴力439.07kN/m，隧道结构最大弯矩226.92kN·m/m。由此可见，基坑开挖亦引发隧道结构产生一定的位移，并由此导致隧道结构产生一定的附加内力，但对比方案一，隧道结构位移相对较小，其主要原因在于前期土方开挖范围越广，坑底隆起变形作用则越弱，邻近土方开挖影响则越小。

(3)地下结构完成后

待地下结构完成后，隧道结构最大位移6.57mm，最大轴力452.84kN/m，最大弯矩为234.37kN·m/m。同方案一结果类似，在地下结构施工过程中，由于上部结构自重影响，隧道结构将产生向下位移，一定程度上缓解了隧道结构隆起变形。

(4)地下水恢复后

待地下水位恢复后，隧道结构最大位移16.47mm，最大轴力752.59kN/m，最大弯矩204.86kN·m/m。由此可见，地下水恢复后，隧道结构亦发生了较为显著的上浮现象，且由于水压力作用，隧道结构轴力明显增加，但对隧道结构弯矩则相对较小。

因此，在基坑开挖、地下结构施工过程中，引发的隧道结构位移相对较小，对隧道结构内力影响亦相对较小，但相比方案一分析结果，方案二基坑开挖引起的变形相对更小，更有利于隧道结构保护。当地下结构完成且地下水恢复后，隧道结构将产生较大的上浮，对隧道结构影响相对较大，且地下水位回升亦使得隧道结构轴力显著增大。