密贴运营地铁隧道两侧基坑合理开挖步序研究*

2024-02-24雷文革周子涵王林枫周小涵

施工技术(中英文) 2024年1期

雷文革,周子涵,王林枫,周小涵

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北武汉 430056; 2.重庆大学土木工程学院,重庆 400045)

0 引言

随着地下空间日趋复杂,城市新建隧道、地下商场等与周围环境相互影响的情况越来越多,工程施工面临极大挑战[1-4]。新建基坑紧邻既有运营隧道时,基坑施工必然会对既有地铁隧道产生扰动,影响既有地铁线的正常运营,甚至造成严重的安全事故[5-6]。

对此,国内外已有丰富的相关研究。Sun等[7]、张治国等[8]基于两阶段分析法对基坑开挖引起的邻近地铁隧道变形进行深入研究;张玉成等[9]、高广运等[10]利用数值模拟的方法,分别分析了既有地铁隧道上方和一侧基坑开挖对既有地铁盾构隧道的卸荷隆起变形和不对称变形及其应力关系;Ye等[11]采用数值模拟的方法,对工程实例进行优化及安全性评价,发现基坑开挖对隧道的影响与距离、基坑一次开挖步深、工程地质条件等密切相关;邹伟彪等[12]结合现场监测数据和数值模拟结果,发现基坑开挖对隧道不仅产生纵向沉降,也使隧道结构本身产生一定的横向变形;胡海英等[13]对广州某深基坑邻近地铁隧道工程进行了动态监测和数值模拟分析,表明基坑开挖可能增大隧道围压,与基坑位置、支护体系等有关;刘继强等[14]总结了既有地铁隧道近接基坑群开挖产生的隆沉变形规律。

然而,上述研究多是关于单个基坑或单侧基坑对既有隧道的影响,对于既有地铁运营隧道两侧基坑近接施工问题研究较少,更鲜有基坑密贴既有隧道施工的相关报道。此外,既有线两侧基坑常无法保证同时开挖,目前对其开挖合理步序研究仍比较缺乏。在建广州地铁12号线赤岗站被既有地铁8号线隧道贯穿,既有线两侧车站基坑与隧道密贴,且施工期间隧道不停运。受施工设计、基坑尺寸与地质条件影响,两侧基坑开挖不同步,对基坑及隧道变形影响未知。

因此,本文采用数值计算方法,探究密贴既有运营地铁隧道两侧基坑不同步开挖对基坑及隧道变形的影响,结合现有地铁隧道及基坑工程变形控制标准,提出基坑合理开挖步序。

1 工程概况

1.1 工程背景

广州地铁12号线赤岗站位于海珠区核心区,车站西侧为猎德大桥,东侧为新港中路,北侧为黄埔涌,南侧为既有8号线赤岗站。受场地限制,车站局部站厅层上跨、站台层下穿既有8号线明挖段磨碟沙站—赤岗站区间。车站主体为地下4层(局部5层)岛式站台车站,车站总长169.5m,标准段宽23.7m,车站采取分期分段的施工方式。

既有地铁8号线区间隧道为矩形断面,列车采用6节编组的A型列车,最高设计时速为80km/h,车站基坑开挖期间不停运。既有线西侧1号基坑宽23.71m,长51.68～67.67m,开挖深度26.70～27.79m;既有线东侧2号基坑宽约35.50m,长27.97～45.15m,开挖深度26.79～27.88m。基坑与隧道的相对位置及基坑周边环境如图 1所示。图中阴影覆盖部分为地铁12号线赤岗站范围,其中红色阴影表示本文研究的既有隧道两侧基坑,基坑围护结构与隧道限界距离仅为0.5m;蓝色阴影为新建12号线赤岗站其余部分,本文研究的工程阶段该区域暂未开始施工。基坑及新建地铁车站沿东西方向局部断面如图 2所示,既有地铁8号线隧道贯穿新建地铁车站,基坑开挖完成后,进行主体结构施工。

1.2 基坑支护形式

西侧1号基坑与东侧2号基坑的围护结构均采用(φ1 200+φ1 000)@1 800钻孔咬合桩+内支撑的支护形式,5道内支撑均为钢筋混凝土支撑,其中第1道支撑尺寸为800mm×800mm,其余4道支撑尺寸均为900mm×1 000mm,1号基坑和2号基坑内5道支撑的尺寸及标高一致。基坑支护形式及地层岩性钻孔如图 3所示。

1.3 场区工程地质条件

场区地下水按赋存方式划分为第四系松散层孔隙水和块状基岩裂隙水,地表水和地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性,对混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

2 数值计算模型

2.1 计算模型的建立

运用3D建模软件Rhino ceros 6.0建立三维仿真模型并生成网格,然后将网格导入FLAC3D 6.0有限差分软件对基坑开挖过程进行模拟。为避免模型边界条件对基坑开挖产生额外影响,考虑圣维南原理,模型尺寸由基坑边缘向外扩展3～5倍基坑深度,取基坑深度为27.1m,基坑边缘距模型边缘应不小于81.3m。综合考虑后,取模型总尺寸为长×宽×高=258.0m×201.0m×80.0m。计算模型如图4～6所示。

计算过程中,岩土体、隧道结构、基坑围护结构均采用实体单元,其中淤泥、淤泥质土、粉质黏土和残积粉质黏土等软土的本构模型选用修正剑桥弹塑性模型(Modified-Cam-Clay),其他岩土体的本构模型选用莫尔-库伦弹塑性模型(Mohr-Coulomb)模拟,隧道结构、基坑围护结构的本构模型选用完全线弹性模型。内支撑系统(支撑、立柱和桩)采用FLAC3D提供的梁单元及桩单元。

2.2 材料参数选取

参考《赤岗站主体结构详细勘察阶段岩土工程勘察报告》选取地层主要计算参数,隧道结构及基坑围护结构主要计算参数按钢筋混凝土结构参数选取,内支撑系统参数按实际设计尺寸计算选取。勘察报告中部分地层物理力学参数指标如表1所示,结构计算参数如表2所示。

表1 地层物理力学参数

表2 结构计算参数

2.3 列车动荷载实现

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》表4.1.5,广州地铁8号线所用A型列车每节车厢共4轴,固定轴距2.2～2.5m,最大轴重16t,车钩连接中心点间距22.8m。在模拟中实现既有隧道列车运营动荷载,可将列车荷载简化为静荷载[15-16]。本文采用《地铁设计规范》10.3.4条,将列车动荷载转化为竖向活荷载(包括竖向静活载及列车动力作用),即列车竖向静活载乘以动力系数(1+μ),其中μ按TB 10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》规定的值乘以0.8。由该规范4.3.8可知,本模型隧道顶覆土深度超过3m,不考虑列车动力作用,故μ取0。

2.4 模拟施工步骤及计算工况

为方便数值模拟的实现,将现场施工中每个基坑的施工工艺简化为如表 3所示的施工工序,采用FLAC3D中的“空单元”模拟基坑土体开挖。模拟基坑开挖前,需先依次进行原始地应力平衡和隧道开挖的模拟,计算至平衡后对模型位移清零,然后再模拟基坑施工。每侧基坑在正式开挖(步骤1)前,均先进行围护结构及中格构柱的施工(步骤0)。

为研究既有地铁隧道两侧基坑合理开挖步序,设计数值计算工况如表4所示,表中所述每个施工步如表3所示,表示开挖1层且施作相应支撑。需要说明的是,其中工况1表示既有隧道两侧基坑同时开挖,并同时开挖到底;工况7表示西侧1号基坑开挖到基底并计算至平衡后,东侧2号基坑才开始开挖;工况13表示东侧2号基坑开挖到基底并计算至平衡后,西侧1号基坑才开始开挖。

表3 模拟中单个基坑施工步骤

表4 计算工况

3 基坑与既有线变形特征分析

3.1 基坑围护结构侧移

两基坑南侧与北侧围护结构最大侧移曲线如图7所示。可以看出,不同开挖工况对基坑南北两侧的围护结构侧移几乎没有影响,侧移曲线几乎重合。其中图7a为西侧1号基坑围护结构侧移曲线,南侧与北侧围护结构产生了对称变形,最大侧移量约为23.0mm,最大侧移深度约为13.2m,在第3道支撑附近。图7b为东侧2号基坑围护结构侧移曲线,南侧围护结构侧移较大,最大值约为23.0mm,北侧围护结构由于长度较短,侧移较小,最大值约为14.0mm,最大侧移深度约为14.0m。

1号基坑和2号基坑与既有地铁隧道平行相近的围护结构最大侧移曲线如图8所示。由图8可知,1号基坑侧的围护结构在两边同时开挖(工况1)与2号基坑领先开挖的工况下(工况8～13),最大侧移相差不大,为5.1mm左右;在1号基坑领先2号基坑开挖的工况下(工况2～7),1号基坑侧移量随领先步数变多而逐渐变大,工况7(1号基坑领先6步开挖)出现最大侧移,约为7.0mm,比最小工况增长了约37.3%。在2号基坑领先的情况下(工况8～13),1号基坑围护结构上部侧移量随2号基坑领先步数增多而减少,可以看出1号基坑上部围护结构随开挖步差的增大有向2号基坑偏移的趋势。2号基坑侧围护结构侧移规律与1号基坑类似,最大侧移量出现在工况13(2号基坑领先6步),约为8.5mm,比最小工况的约7.0mm增长了约21.4%。

由于图 8是开挖过程中的最大侧移曲线,此时并不一定处于开挖至基底的时刻。因此还可看出,1号基坑和2号基坑在两侧同时开挖的工况下(工况1),最大侧移曲线均是在靠近基底位置(-26.000m左右)趋于0,下部由于嵌固至中风化岩层,侧移量较小。而1号基坑在工况2～7中的大多数工况下(除工况6,7),曲线在-23.000m左右趋近于0,表明此刻该基坑还未开挖至基底。这说明在1号基坑领先开挖的情况下,其围护结构侧移量会随着2号基坑的开挖而增长减缓直至数值降低,以至于在侧移达到最大后,随着2号基坑的开挖(此时1号基坑继续向基底开挖),1号基坑侧移减小。2号基坑同理,在工况8～13中的大多数工况下,未开挖至基底便达到了最大值,随后随着1号基坑的开挖,2号基坑围护结构向1号基坑偏移,围护结构侧移减小。

3.2 坑外地表沉降

各工况下既有隧道上方地表最大沉降曲线如图9所示,坐标轴所述中心点表示两基坑中轴线与既有隧道纵向中轴线的交点所在的位置。可以看出,既有隧道上方地表存在两个沉降槽,两沉降槽最大沉降点分别位于中心点两侧5m左右,使沉降曲线呈“W”形。由图9a可知,两边同时开挖工况(工况1)下地表沉降最大,约为1.2mm,最大沉降位置靠近1号基坑。随着1号基坑领先步数的增加,总体沉降呈先减小后增大的趋势,且2号基坑附近沉降槽变化量大于1号基坑附近的沉降槽,1号基坑领先4步时(工况5)地表最大沉降量最小,为0.9mm左右。图9a中,每种工况最大沉降位置均在1号基坑附近。由图9b可知,2号基坑领先开挖的工况沉降量均小于工况1,2号基坑领先4步(工况11)沉降最小,约0.65mm。除工况8外,每种工况最大沉降位置均靠近2号基坑,这是因为工况8 2号基坑仅领先1步,曲线和工况1同时开挖仍具有较大的相似性。总体而言,2号基坑领先开挖的工况地表最大沉降量小于1号基坑领先开挖的沉降量。

3.3 既有隧道变形

既有地铁隧道在不同工况下沿隧道纵断面的最大竖向位移曲线如图10所示,坐标轴上中心点表示两基坑中轴线与既有隧道纵向中轴线的交点所在位置。由图10可知,既有隧道在基坑附近的竖向变形表现为沉降,且不同工况下隧道在中心点处沉降量均最大,在距中心点40～50m的位置逐渐由沉降变为轻微隆起,在远端竖向变形趋于0。工况1两端同时开挖的情况下,既有隧道沉降量最大,约0.8mm;随着开挖步差的增大,既有隧道的最大沉降量依次减小,最小约为0.6mm,这是由于隧道侧移趋势增大,降低了竖向位移。隧道最大差异沉降出现在中心点与距离基坑60m处,隧道最大沉降量差值约0.9mm。

图1 基坑平面及周边环境

图2 基坑及新建地铁车站结构断面

图4 整体计算模型

图5 模型中既有隧道及基坑相对位置

图6 既有隧道及基坑模型

图7 基坑南侧、北侧围护结构最大侧移曲线

图8 既有地铁隧道两侧基坑围护结构侧移曲线

图9 各工况下既有隧道上方地表最大沉降曲线

图10 既有隧道竖向位移曲线

既有地铁隧道在不同工况下沿隧道纵断面的最大水平位移曲线如图11所示。由图11可知,在工况1两侧基坑同时开挖的情况下,隧道呈“S”形向两侧基坑偏移的趋势,分别向1号基坑和2号基坑偏移1.3mm和2.8mm左右,可见2号基坑由于宽度较大,对既有隧道侧移影响较大。在1号基坑领先施工的情况下(工况2～7),隧道以向1号基坑偏移为主,并随开挖步差的增大,向1号基坑的偏移量增大,最大为工况7,约3.0mm。在2号基坑领先施工的情况下(工况8～13)同理,并在工况13时侧移最大,约为4.5mm。值得注意的是,在1号基坑领先1步开挖的工况(工况2)下,向1号基坑的偏移量与同步施工时相比增长不大(约1.4mm),但大大减小了向2号基坑的偏移(约0.1mm),隧道结构变形较小;而2号基坑领先开挖的所有工况隧道的侧移量均较大,可能会引发工程事故或影响既有地铁隧道的运行。

图11 既有隧道水平位移曲线

4 基坑开挖步序分析

一般条件下,在进行既有运营隧道两侧基坑近接施工时,常依据经验尽量保证两侧基坑同步开挖。然而在工程中由于前期准备、周边环境、人员安排等因素,有时难以保证两侧基坑同步开挖,而是两侧以一定的步差开挖;且由于两侧基坑形状大小不同等原因,其与既有线之间的相互影响程度也不同,按经验难以确定具体的安全步差,因此,本文依据相关规范给出基坑合理开挖的步序建议,为工程施工提供一定的依据。

4.1 既有隧道变形控制标准

既有广州地铁8号线隧道为运营期地铁隧道,日均客运量60万次以上,在两侧基坑与隧道结构近接施工时,必须保证既有线的正常运营,保障城市基本交通生活的顺利进行。GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》第9.3.5条规定,城市轨道交通既有线隧道结构变形控制值可按规范确定。该规范除规定了既有隧道变形最大累积值,还包括明挖法基坑支护结构及周围岩土体监测控制值,规范规定的最大变形累积值如表5所示,表中Ls表示沿隧道轴向两监测点间距离。本文结合地方经验,在满足规范规定值的基础上,划定隧道变形控制值,并取控制值的70%为预警值。

表5 既有隧道结构、支护结构及地表变形控制指标

4.2 基坑合理开挖步序

根据数值模拟结果,对于基坑围护结构而言,1号基坑和2号基坑不平行于既有隧道的围护结构受开挖步序影响不大,如图12所示。基坑南北侧围护结构侧移量随开挖步序相差不大,1号基坑南北侧、2号基坑南侧围护结构侧移量接近,约23.0mm,略大于水平位移预警值(21.0mm),但小于控制值(30.0mm);2号基坑北侧围护结构侧移量最大约14.0mm,小于预警值。紧邻既有隧道的围护结构侧移曲线如图13所示。由图13可知,受开挖工况影响,两边同步开挖时两侧侧移量均最小,分别约为5.1mm和7.0mm;两边各自领先开挖6步(即各自领先开挖至基底)的工况,对应侧的侧移量最大,分别约为7.0mm和8.5mm,均远小于预警值。

图12 基坑南北侧围护结构最大侧移

图13 紧邻既有隧道围护结构最大侧移

对既有地铁隧道上部地表沉降而言,两边同时开挖时地表沉降最大,约为1.2mm,且最大沉降靠近1号基坑。随着两边领先开挖的步差增大,地表最大沉降量先减小后略有回增,且最大沉降点靠近领先开挖的一侧;总体而言,2号基坑领先开挖的工况地表沉降量小于1号基坑领先的工况,各自领先4步开挖时,地表最大沉降量最小,分别约为0.9mm和0.65mm。上述各工况地表沉降量均远小于预警值(14.0mm)。

对既有隧道结构变形而言,各工况下隧道竖向位移以沉降为主,沉降最大值均位于中心点附近,各工况下隧道沉降最大值曲线如图14所示。两侧同时开挖时沉降量最大,约为0.78mm,随两侧各自开挖步差增大,沉降量略有减小,最小约为0.57mm,均远小于沉降控制值(2.1mm)。最大差异沉降0.9mm,小于差异沉降控制值。既有隧道水平位移随开挖工况影响较大,各工况下水平侧移最大值如图15所示,同时开挖的工况下隧道呈“S”形变形,分别向两侧侧移1.3mm和2.8mm。随着一侧领先开挖步差的增大,侧移向领先侧偏移的量越大。工况7和工况13(两侧基坑分别领先另一侧6步),隧道向两侧基坑侧移最大,分别约为2.9mm(接近控制值)和4.5mm(超过控制值);对于1号基坑领先的工况,领先两步时(工况3)隧道向1号基坑的最大侧移量约2.1mm,接近预警值,工况4～7则均超过预警值,未达到控制值;而2号基坑领先开挖的所有工况隧道侧移量均超过控制值,可能会引发工程事故或影响既有地铁隧道的运行。

图14 既有隧道最大沉降曲线

图15 既有隧道最大侧移曲线

综上所述,基坑开挖合理步序应以既有隧道水平位移为控制指标。两侧同步开挖的工况下,既有隧道侧向变形均在预警值范围内,对施工影响不大;1号基坑领先开挖1步和2步的工况下,最大侧移值均未超过预警值,可以认为安全,其中1号基坑领先1步施工时,与两侧同步施工相比,隧道向1号基坑的侧移量差异不大,同时大大减小了隧道向2号基坑的侧移量,略微减小了隧道沉降量,施工过程对既有隧道影响较小,是较优开挖步序;而2号基坑领先开挖的工况由于既有隧道变形均超过控制值,因此在工程中应尽量避免,否则应采取必要监测措施重点监测,在超过预警值后及时处理。