基坑施工对下卧地铁盾构隧道管片变形影响分析

况 玮,孙子豪

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 350000;2.武汉轻工大学 土建学院,湖北 武汉 430023)

引言

随着我国城市化进程的加快,各大中城市纷纷开发地下空间,而且发展速度很快[1-4]。以地铁工程为例,北京、上海、广州等多个城市已拥有多条地铁,还有多条线路仍正在建设及规划建设。与此同时,地铁建设热潮已延伸至诸如温州等众多二三线城市。由于地铁沿线的土地在地铁开通后会成为黄金地段,后期工程建设将不可避免地上跨或临近地铁隧道,这会给地铁的安全运营带来严重的挑战。当基坑上跨地铁线路时,由于基坑开挖的卸荷及对土体的扰动,会改变地铁隧道原有的应力应变场,甚至可能造成地铁隧道管片及注浆体开裂、渗水等严重的安全事故[5]。因此,分析基坑开挖对下卧盾构地铁隧道影响,是工程建设中亟待解决的问题之一。

1 工程概况

本基坑开挖项目位于浙江省温州市,该区域属于冲海积平原区。冲海积平原区土体厚度大,普遍是发育淤泥质粘土和淤泥,厚度在60m左右,具有渗透系数低、天然含水量高、固结时间长、排水缓慢、高压缩性、易触变性、强度低等特点,工程性质差,在其中进行盾构隧道和基坑开挖施工,工程风险大;同时软土具有固结时间长和流变性显著等特点,在盾构隧道上方进行建筑施工活动作用下,运营隧道会产生长期沉降和不均匀沉降问题,甚至引发安全事故。

2 数值分析

本基坑工程下卧存在一条已经运营的城市地铁,该地铁隧道施工采用盾构方式,已知该隧道外径为8m,下穿基坑正中央,基坑为方形基坑,采用盆式开挖,基坑开挖及隧道位置示意图如图1所示。第一阶基坑尺寸为140×140×5m,第二阶基坑尺寸为100×100×5m,模型的总尺寸为200×200×40m,第二阶基坑底部距离隧道顶部距离为10m。隧道管片尺寸为管片厚度3,000mm,内径φ5,400mm,环宽为1,500mm,示意图如图2所示。

图1 基坑开挖及隧道位置示意图

图2 盾构隧道管片示意图

2.1 网格划分

土体采用线性六面体单元,隧道管片采用壳单元,网格划分如图3所示,单元数共有1,726,384个。

图3 模型网格划分图

2.2 基本理论

Kerr地基模型如图4所示,根据Kerr地基模型理论知,隧道变形ω(x)满足:

图4 Kerr地基模型

ω(x)=ω1(x)+ω2(x)

(1)

式中:ω1(x)为上层弹簧的变形量。利用两层弹簧的受力特性得到:

p1(x)=cω1(x)=c[ω(x)-ω2(x)]

(2)

p2(x)=kω2(x)

(3)

式中:p1(x)为隧道下方弹簧反力、p2(x)为剪切层下方弹簧反力。

对于剪切层受力特性有:

(4)

将式(2)-(4)合并可得:

(5)

根据材料力学知识,ω(x)满足曲率方程:

(6)

式中:M为隧道受到的弯矩、E为隧道结构弹性模量、I为隧道横截面惯性矩。

模型剪切层满足:

(7)

式中:Ms为剪切层弯矩。

结合(5)-(7),可得:

(8)

式(8)为6阶平衡微分方程,是将隧道简化成Euler-Bernoulli梁搁置在Kerr地基模型上的控制方程。

2.3 计算参数

模拟过程中土体的物理力学参数如表1所示。隧道管片的力学参数,如表2所示。

表1 土体的物理力学参数

表2 隧道管片力学参数

3 结果及分析

3.1 模型验证

本项目模拟涉及到隧道的管片数为133个,因此,沿隧道长度方向布设133个自动监测断面,每个断面使用静态水平仪监测基坑施工对管片隆起的影响。地铁盾构隧道监测布置图如图5所示。为了验证所建三维模型的有效性,选定管片67在不同施工阶段的现场监测值与数值模拟值进行对比,其结果如图6所示。从图6可以看出盾构隧道管片顶部隆起的监测值与数值模拟结果基本一致,这说明本文所建的三维模型是有效的。

图5 隧道顶板监测断面布置图

3.2 计算结果与分析

根据基坑开挖工艺,基坑分为四次开挖。第一次开挖面积140×140m,开挖深度为3m;第二次开挖面积140×140m,开挖深度为2;第三次开挖面积为100×100m,开挖深度为3m;第四次开挖面积为100×100m,开挖深度为2m。开挖后管片顶板隆起位移与管片环数变化关系如图7所示。从图7可以看出隧道管片顶板隆起位移呈现中间高,两边低且对称分布,这符合正态分布规律。从图7还可以发现。盾构地铁隧道管片隆起大致可以分为二个阶段:

图7 施工过程中管片隆起量随管片环号变化曲线图

阶段Ⅰ:该阶段为基坑第一次和第二次开挖阶段对应着第一层开挖,历时4个月。在这个时段内隧道隆起虽略有波动,但比较稳定。这说明开挖5m的卸荷区域没有发展到管片顶板的范围内,管片受到扰动影响很小。

阶段Ⅱ:为第三次和第四次开挖对应着第二层开挖,该阶段历时3个月。该阶段随着基坑开挖深度的变大,隧道管片顶部隆起逐渐变大,隧道管片隆起迅速发展,可见这个阶段是盾构隧道顶板隆起的主要来源。

模拟管片共133个,最大隆起位移均发生在管片67处。随着基坑开挖深度的增大,地铁盾构隧道管片隆起位移从1.6mm逐渐增大到9.2mm,从管片顶板隆起位移值可以看出,隧道总体而言是稳定的。隧道管片在距离中心点±70m外,顶板隆起变形几乎为0,这说明距离中心点±70m外的管片不受影响。

此外,从曲线形状还可以看出第一层开挖管片隆起应变速率变化较缓,这说明地层开挖时隧道受到的扰动较小。第二层开挖时,管片隆起应变速率变化较陡,这说明第二层开挖时隧道已经受到很大的扰动了。由于隧道穿越地基模量较小的软土地区,且变形速率呈非线性关系,因此,要通过注浆等措施适当增加地铁隧道的安全性。

4 结论

通过基坑开挖对软土盾构隧道管片隆起变形规律进行研究,得出以下结论:

4.1 基坑开挖导致下卧地铁盾构隧道管片竖向变形呈正态分布,其最大隆起位移发生在基坑中部,距离基坑中心越远的管片变形越小。

4.2 在其他条件相同的情况下,盾构隧道管片隆起位移随着开挖深度增加,变形速率呈非线性关系,且这种趋势是非收敛的,因此,在软土地层中进行基坑开挖要对地层进行适当加固。