超大型基坑与地下隧道群相互影响研究

徐剑敏

(深圳地铁建设集团有限公司,广东深圳 518026)

城市的快速发展带来交通拥堵问题,地下交通网络建设成为解决该问题的主要途径,由此伴随产生大量基坑工程,连同高层建筑建设产生的基坑,成为新建地下交通隧道不可避免近接施工的对象,比如盾构隧道侧方或上方开挖基坑[1-2]、隧道下穿或侧穿先建高层建筑[3-4]等。先建工程施工过程打破原有的地应力场,同时后建工程施工对周围土体造成扰动进而影响既有工程,这会不同程度导致既有结构产生附加应力和附加变形,严重时可能导致结构破损[5-6]。因此,为降低基坑与隧道群之间的不利影响,对拟建工程结构安全的研究显得至关重要。

对于地下近接施工工程,仇文革[7]对近接施工力学原理进行了研究,提出了广义的地下工程近接工程分类、分区、近接度等概念。在盾构隧道近接基坑施工方面,尤其工程开工前,数值模拟方法[8-11]和室内试验[12-14]成为重要的研究手段。张宏等[15]研究了地铁隧道盾构掘进过程对上跨基坑稳定性的影响规律,得到基坑底部土体加固可显著减小基坑支护结构变形的结论。曹宝飞等[16]基于室内模型试验分析了盾构隧道施工对邻近基坑围护结构的影响,揭示了盾构穿越施工导致的邻近侧向地下连续墙基坑围护结构弯曲变形规律,便于对地下连续墙围护结构采取有针对性的加固保护措施。黄懿等[10]通过数值模拟研究了风井基坑开挖、支护、盾构穿越风井的全过程施工阶段对临近建筑物的影响,得到了不同施工阶段建筑物变形以及盾构下穿砂卵石地层的临近建筑物变形的规律,获取了地表沉降规律以及应力分布特征。李兵等[17]通过建立三维数值模型计算分析了盾构施工参数对邻近深基坑支护结构的影响,得到了盾构施工过程对结构影响不可忽视的结论。

综上,目前盾构近接基坑施工取得大量研究成果,为本研究提供了思路和方法,但地下隧道群下穿或侧穿超大型基坑的相关研究还不完善,同时考虑建筑附加荷载作用下高铁管片配筋的设计研究鲜有报道。为此,笔者着重从隧道管片受基坑开挖影响、基坑结构受隧道施工影响以及高铁隧道管片配筋等方面进行研究,旨在为今后类似工程提供理论指导。

1 工程概况

1)基坑与群洞的位置概况

本研究依托深圳某预建商业建筑基坑和地下规划交通隧道工程,其平面位置关系如图1所示。地下规划交通复杂群洞包括2条高铁隧道、地铁线2条隧道以及2条通道。基坑范围进入预留高铁通道1与预留高铁通道2规划控制区分别约1 970,1 503 m2。

拟建场地为滨海潮间带,其地层自上而下有人工填土层、海积层、洪积层、残积层以及混合花岗岩组成。基坑与群洞剖面位置关系如图2所示。预留高铁通道1和预留高铁通道2下穿基坑、地铁线,预留通道侧穿基坑,基坑桩底与预留高铁通道1结构顶部最小竖向净距约15.25 m,与预留高铁通道2结构顶部最小竖向净距约24.25 m;基坑与地铁线规划中心线最小水平净距为35.5 m,与预留通道规划中心线最小水平净距为65.1 m。

图2 基坑与群洞剖面图Fig.2 Cross section of foundation pits and group caves

2)设计概况

①基坑设计情况 基坑深约10 m,支护结构采用22.0～26.2 m的“咬合桩+内支撑”形式,咬合桩采用桩径1.8 m、桩心距1.2 m的咬合形式,基础采用“桩基础+筏板基础” 形式,桩长约为21.6 m、直径为0.8 m、桩间距为2 m、筏板厚度为1.5 m,采用端承摩擦桩;内支撑为混凝土支撑,尺寸为1 m×1 m。

②地下规划交通隧道设计情况 a)高铁设计时速为350 km/h,拟采用单洞双线,盾构法施工,隧道外径为14.3 m、管片厚度为0.6 m;b)地铁线和预留通道采用盾构法施工,隧道外径均为6.7 m、管片厚度为0.35 m。

2 数值计算模型

为分析基坑与规划地下交通隧道相互影响以及基坑影响下高铁隧道管片结构的配筋设计,采用有限元软件分别建立三维地层结构模型和荷载结构模型进行计算分析。

2.1 基坑与规划交通隧道三维数值模型

2.1.1 模型概况

结合基坑开挖深度、基坑与高铁/地铁结构的平面位置、隧道埋深及土层情况,并考虑边界效应的影响,计算模型尺寸为405 m×155 m×100 m。结合地层条件,计算模型中从上往下地层依次为碎块石填土1 m,细中砂9 m,淤泥质土4.4 m,粉质黏土3.6 m,砂质黏性土13.8 m,全风化混合花岗岩8.2 m,强风化花岗岩5 m,以下均取为中风化花岗岩。围岩采用基于修正摩尔库伦准则的弹塑性本构模型进行实体单元模拟,墙、板结构均采用2D线弹性材料板单元模拟,桩、支撑采用1D线弹性材料梁单元模拟,三维数值模型如图3所示。

图3 基坑与规划交通隧道三维实体数值模型图

2.1.2 计算参数

根据地勘结果和深圳市经济特区技术规范SJG 01—2010 《地基基础勘察设计规范》[18],结合各岩土层岩性特征、原位测试和室内土工试验结果,得到围岩及支护结构物理力学参数如表1所示。

表1 数值模型计算参数表

2.1.3 计算步骤

三维数值模拟共分2种工况:

1)不考虑基坑结构及开挖,在地层中直接进行隧道开挖;

2)先进行基坑开挖,基础施工及上部荷载施加后,在网格中位移清零后进行隧道开挖。

通过2种工况的对比,可以分析基坑对新建隧道支护内力的影响。应用工况2)还可分析下穿/侧穿隧道对基坑基础的影响。

基坑在本研究中为一次性开挖,因为在工况2)中基坑是作为既有结构来考虑的,因此基坑的开挖方式对后续隧道施工影响不大。为提高计算效率,基坑一次性开挖至基底,待回弹稳定(收敛)后进行隧道施工分析。

2.2 高铁隧道管片配筋荷载-结构模型

根据基坑与规划交通隧道剖面关系,由于桩基础底部与预留高铁通道1顶部最小竖向净距最小,故选取预留高铁通道1管片配筋为研究对象进行分析,围岩等级为Ⅴ级。由TB 10003—2016 《铁路隧道设计规范》[19],当隧道覆盖层厚度H满足式(1)要求时应按浅埋隧道设计:

H<2.5ha,

(1)

式中,垂直荷载计算高度ha按深埋隧道荷载计算方法的规定计算,可计算得出隧道外径为14.3 m情况下Ⅴ级围岩深埋隧道垂直荷载计算高度ha为13.9 m,小于15.25 m,同时小于经验1倍洞径。对应的深埋、浅埋隧道覆土临界厚度H为34.75 m,由于该计算断面隧道埋深约45.7 m,故可判定该段隧道为深埋隧道。

计算考虑施工地面超载20 kPa,计算承载能力极限状态和正常使用极限状态2种荷载组合工况,使用阶段水土合算,结构重要性系数为1.1。计算工况为2种:1)不考虑基坑开挖,按常规覆土隧道计算配筋;2)基坑已施工,且建筑项目已完工,建筑附加荷载通过摩擦桩传至地层,并作用在隧道结构上。按最不利情况考虑,建筑附加荷载向地层传递过程中,在桩身范围内未向桩外土体扩散,而是全部在桩底处开始扩散,桩底荷载以30°向下传递,经过计算该部分荷载传至隧道顶部竖向压力约为135 kPa。计算模型如图4所示。

3 结果分析

3.1 基坑开挖条件下隧道管片内力分析

为分析地下规划交通隧道管片内力变化,对比了基坑未开挖和基坑开挖(模拟顺序为先基坑后隧道)2种条件下管片内力,全部隧道管片内力计算结果汇总如表2所示,预留高铁通道1距离基坑最近,其管片内力云图如图5所示。高铁通道各位置变化趋势也不尽相同,根据轴力与弯矩云图也可以发现,轴力与弯矩最大值位置并不在同一处。为了得到管片内力在基坑未开挖和基坑开挖下的变化幅度,取相应的轴力、弯矩最大值进行定性分析,确保在基坑开挖后隧道施工管片内力不因过大而影响管片的受力性能。从表2中可以看出:地下规划交通隧道管片内力分布在基坑开挖情况下变化不大,管片内力变化幅度最大为10.85%,说明基坑现有“桩基础+筏板基础”设计方案对后期地下规划交通隧道管片内力影响较小。

表2 地下规划交通隧道管片内力汇总

图5 基坑开挖前后预留高铁通道1结构内力云图Fig.5 Internal force cloud maps of the reserved high-speed rail channel 1 structure before and after excavation of the foundation pit

3.2 隧道施工对基坑结构位移的影响

评价隧道施工对地下室结构影响的主要指标为地下室结构(包括地下室筏板基础、桩基础)的水平位移及竖向位移,其最能反映高铁及地铁施工对拟建地块的影响程度。桩基础和筏板基础位移云图如图6、图7所示,可以看出:1)在地下规划交通隧道开挖卸荷作用下,基坑结构的主要表现为沉降变形,水平变形较小,由此可知下穿隧道开挖引起的地层扰动及损失是造成既有基坑结构变形的主要原因,而侧穿隧道对基坑结构的影响较小;2)桩基础最大水平位移为1.36 mm,竖向沉降为2.44 mm;筏板基础最大水平位移为0.41 mm,竖向沉降为2.40 mm。满足GB 50911—2013 《城市轨道交通工程监测技术规范》[20]中建(构)筑物沉降控制值10 ～30 mm的规定要求。

图6 桩基础位移云图

图7 筏板基础位移云图

3.3 考虑基坑影响下高铁隧道管片配筋

针对原始地面和建筑项目已完工2种工况,对比计算预留高铁通道隧道管片配筋情况,为后期预留高铁通道下穿基坑时隧道管片配筋提供参考。根据计算得到内力结果如表3所示,表中内力对应于每延米管片,由表中可以看出:2种工况条件下管片最大弯矩出现在拱腰和拱顶处、最大轴力出现在拱腰处;荷载基本组合管片内力比准永久组合大,相比于建筑项目未施工的工况,在建筑附加荷载的作用下,不同部位的最大弯矩和最大轴力均有所增大;其中建筑项目未施工情况下最大弯矩为552.73 kN·m,对应的轴力为5 992.48 kN,位于管片拱顶内侧;建筑项目施工完工后最大弯矩为900.69 kN·m,增幅达到62.95%,对应的轴力为7 132.22 kN,同样位于管片拱顶内侧,配筋设计应重点关注此部位。

表3 管片结构内力计算结果

参考以往相似直径的盾构隧道,本隧道管片环宽取2 m,并对该隧道管片进行配筋计算。本隧道管片内力计算模型采用的是均质圆环模型,考虑弯矩传递系数ξ(ξ=0.2)对管片配筋的影响,根据GB 50010-2019《混凝土结构设计规范》[21],最终管片内外侧所需配筋量如表4所示。从表中可以看出:在考虑ξ条件下,无附加荷载的管片配筋面积小于建筑附加荷载作用下的管片配筋,因此后期管片设计过程应当加强管片配筋;考虑ξ建筑项目已完工附加荷载作用下管片内侧配筋面积为2 762 mm2、外侧配筋面积为4 771 mm2,相比未考虑ξ,增加幅度分别为20.61%和108.34%。

4 结 语

通过对依托工程结构相对位置关系的分析与数值计算,得到了有无建筑条件下盾构管片施工的内力变化及新建隧道对建筑的影响,并给出了管片配筋方法,结论如下。

1)基坑现有“桩基础+筏板基础”的结构设计对后期交通隧道近接建筑基坑的影响较小,有无既有结构新建交通隧道管片内力变化幅度最大为10.85%。

2)交通隧道下穿基础结构的影响大于侧穿隧道,本项目基础以竖向沉降为主,最大沉降量为2.44 mm,在类似工程中应注意对既有结构的监测与保护,避免出现不必要的结构破坏。

3)考虑弯矩传递系数ξ时,建筑项目已完工状态下隧道管片配筋需要加强,内外侧配筋分别加强20.61%与108.34%,研究所采用的考虑上部荷载情况管片配筋计算方法可为类似工程提供参考。

本文主要分析了隧道下穿和侧穿既有大型基坑的影响,并优化了基坑影响下隧道管片配筋。现如今城市地下空间发展如火如荼,新建地下工程与既有地下工程的近接程度与规模将进一步增加工程难度,对既有地下工程的保护将是未来进一步研究的主要内容。