基坑施工对临近隧道的影响分析

王尚荣

(中铁十八局集团第四工程有限公司,天津 300280)

近年来,地铁交通带来的经济影响力十分显著,地铁沿线的建设项目日益增多,由于城市土地资源稀缺,尤其在商业发达区域,地块开发项目愈发追求高效率的土地利用,呈现出“高、深、大、近”的特点。为控制基坑施工对相邻地铁结构的影响,需针对性采取地铁保护专项措施[1-6],使地铁结构变形处于控制范围。

1 工程概况

天津市数字文化创意中心基坑规划建设用地面积为5 998.0 m2,拟建物主要为1栋12F办公楼,整体设三层地下室。基坑挖深13.80 m,坑底位于卵石层中,采用∅1 500 mm@2 500 mm钻孔桩+2道钢筋混凝土支撑方式进行支护,桩间挂网喷浆止水。基坑北侧临近盾构区间,隧道直径6.0 m,盾构管片厚300 mm,盾构隧道顶埋深约14.2 m,隧道位于卵石层中,基坑支护桩与盾构隧道外边线最小水平距离约10.0 m。基坑与隧道位置关系如图1所示。

图1 基坑工程与地铁结构相对位置(平面)(单位:cm)

根据地质勘察资料,地层自上而下依次为1-1杂填土、1-2素填土、2粉质粘土、3粘质粉土、5卵石、5-1松散卵石、5-2稍密卵石、5-3中密卵石、5-4密实卵石。其中基坑底、区间隧道底埋深分别约为13.8 m、14.2 m;基坑底、区间隧道分别位于5-3中密卵石、5-4密实卵石,各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 土层参数

2 地铁隧道现状

上行线(远离基坑侧)基坑影响范围内根据扫描数据计算输出的成果统计,管片平均错台量≥15 mm的有3环;单环水平收敛值相对于标准圆直径均小于40 mm;单环接触网导高相对于标准值差值≥40 mm有14环。

下行线(靠近基坑侧)基坑影响范围内根据扫描数据计算输出的成果统计,管片平均错台量≥15 mm的有5环;单环水平收敛值相对于标准圆直径均小于40 mm;单环接触网导高相对于标准值差值均小于40 mm。

地铁隧道上行线基坑影响范围前后100 m竖向变形最大为2.25 mm;地铁隧道下行线基坑影响范围前后100 m竖向变形最大为1.08 mm,小于规范允许的20 mm,如图2所示。

图2 下行线区间隧道沉降变形

整体来说,区间隧道状态较好,基坑影响范围内区间隧道基本无明显裂缝、道床翻浆冒泥以及不均匀沉降等病害,仅仅少量管片有渗水及破损,如图3所示。

图3 区间隧道既有病害

3 有限元模拟分析

3.1 计算模型

本文利用MIDAS-GTS软件建立数值模型,模型尺寸为180 m×140 m×45 m,周边环境超载取20 kPa,如图4所示。模型简化假定:

图4 分析模型

(1)认为各土层均呈均质水平层状分布且同一土层为各向同性,将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料。

(2)桩、支撑等基坑支护采用线弹性模型。

(3)模型的前后左右边界分别施加水平位移约束,底部施加竖向位移约束,顶面不施加约束。

模型中盾构管片采用壳单元,使用弹性本构模型;土体采用实体单元,使用摩尔-库伦本构模型;隧道结构采用板单元模拟,使用弹性本构模型。模型采用固定位移边界,上边界取至地面自由面,4个侧面地层边界限制水平位移,下部边界限制竖向位移,土体参数如表1所示,结构材料参数如表2所示。

表2 材料参数

本计算模型考虑了降水的影响,用节点水头分别定义了初始水头和降水水头,采用应力场-渗流场的单向耦合进行施工阶段的分析,对不同施工工况进行模拟分析。数值模拟结果如图5所示。

图5 基坑降水工况水头云图

3.2 模拟结果分析

3.2.1 降水对隧道变形影响

图6、图7为基坑降水对邻近区间隧道变形影响云图。由图6、图7可知,基坑降水工况下引起隧道衬砌水平和竖向最大位移分别为0.881 mm、1.699 mm,变形均满足控制限值。从隧道变形量值上来看,隧道水平位移明显小于竖向位移,隧道竖向位移基本是水平位移的2倍。

图6 基坑降水对隧道水平位移影响云图图7 基坑降水对隧道竖向位移影响云图

3.2.2 开挖对隧道变形影响

图8为基坑开挖对邻近区间隧道变形影响曲线,变形值为基坑正投影位置隧道对应最大值。由图8可知,随着基坑开挖深度的加大,邻近区间隧道变形不断增加,其中第一道支撑与第二道支撑竖向间距6.7 m,第二道支撑与基底竖向间距7.1 m。当基坑开挖深度较浅时,相邻隧道变形相对较小,开挖至第二道支撑深度时,隧道水平、竖向变化不大;当基坑从第二道支撑开挖到基底时,相邻隧道变形迅速增加,水平、竖向变形分别增加至0.807 mm和0.499 mm,在基坑下部开挖(7.1 m)与基坑上部开挖(6.7 m)深度基本相同的情况下,下部开挖引起的相邻隧道变形明显大于上部开挖。从隧道变形量值上来看,开挖至基底引起隧道衬砌水平和竖向最大位移分别为0.807 mm、0.499 mm,隧道水平位移明显大于竖向位移,隧道水平位移基本是竖向位移的1.6倍。

图8 基坑开挖对隧道变形影响曲线

3.2.3 降水、开挖对隧道变形复合影响

图9～图10为基坑降水、开挖对邻近区间隧道变形影响曲线。由图9～图10可知,基坑降水、开挖工况叠加影响下引起隧道衬砌水平和竖向最大位移分别为1.688 mm、2.198 mm,变形均满足控制限值。从隧道变形量值上来看,隧道水平位移小于竖向位移,隧道水平位移基本是竖向位移的0.77倍。

图9 基坑开挖隧道水平位移云图图10 基坑开挖隧道竖向位移云图

表3为不同工况下邻近区间隧道变形值。由表3可知,降水和开挖工况对相邻区间隧道水平变形影响基本相当;而降水工况比开挖工况对相邻区间隧道竖向变形影响大的多,基本是其3.4倍。

表3 不同工况下区间隧道变形值 mm

4 区间隧道受力验算

4.1 数值模拟分析法

通过MIDAS-GTS软件建立二维有限元模型,如图11所示,得到盾构管片在地块基坑施工过程中管片内力的变化关系。

图12、图13分别为区间隧道初始和基坑开挖后压力变化云图。从图可知,因地块基坑开挖引起隧道土压力由初始状态的187.274 kPa增大至220.558 kPa,管片附加荷载为33.284 kPa。

图12 初始状态下区间隧道受力

图13 基坑开挖后区间隧道受力

4.2 管片内力计算

区间管片结构受力如图14所示。

图14 隧道受力

对区间隧道进行配筋计算,如表4所示。

表4 隧道配筋与管片配筋

根据配筋面积结果,对区间隧道进行管片配筋,并与既有管片配筋面积对比,均满足要求。

5 变形监测

根据基坑与地铁隧道位置关系、地质条件以及现有变形情况,按《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)综合确定基坑影响等级为特级。项目实施期间,采用自动化监测手段进行数据采集,对区间隧道垂直位移、隧道水平位移、隧道相对收敛值进行实时监测,监测控制标准见表5。

表5 监测项目及标准

监测点布置位置应在监测对象变形和内力的关键特征点上,竖向、水平位移均布置在地下结构拱顶,按10 m一个断面。并对监测过程做如下要求:

(1)城市轨道交通结构的监测频率,应能系统反映监测对象所测项目的重要变化过程及其变化时刻。外部作业施工期间1次/d;监测数据趋于稳定后2次/月,直至监测数据稳定。

(2)当监测数据接近城市轨道交通结构安全控制指标值的预警值时,应提高监测频率;当发现城市轨道交通结构有异常情况或外部作业有危险事故征兆时,应采用不间断实时监测。

(3)城市轨道交通结构的监测周期,应从测定监测项目初始值开始,至外部作业完成且监测数据趋于稳定后结束。

(4)监测项目的初始值应在外部作业实施前测定,应取至少连续测量3次的稳定值的平均数作为初始值。

根据监测结果表6可知,施工期间区间结构水平位移最大值为1.73 mm,累计垂直位移最大值2.20 mm,为基坑正投影中间位置,监测结果与MADIS数值模拟结果较为接近,也证明数值模拟能较好的反映施工过程对地铁区间的影响。

表6 区间隧道累计变形值 mm

6 结论

(1)基坑降水工况下,隧道水平位移明显小于竖向位移,隧道竖向位移基本是水平位移的2倍。

(2)随着基坑开挖深度的加大,对邻近区间隧道变形影响不断增加,在基坑下部开挖与基坑上部开挖深度基本相同的情况下,下部开挖引起的相邻隧道变形明显大于上部开挖。

(3)从隧道变形量值来看,开挖至基底引起隧道衬砌水平和竖向最大位移分别为0.807 mm、0.499 mm,隧道水平位移明显大于竖向位移,隧道水平位移基本是竖向位移的1.6倍。