基坑施工大面积卸荷对既有地铁区间隧道的影响分析

2024-05-15韩嘉玮

黑龙江交通科技 2024年4期

韩嘉玮

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710075)

0 引言

近年来管廊业务飞速发展,但是随着管廊建设的发展,出现了各种各样的问题,特别是临近和穿越市政建(构)筑物的问题越来越多。尤其是伴随上跨地铁区间隧道的案例增多,已经开通运营的地铁对于变形极其敏感。在基坑施工期间,如何确保下部地铁区间的安全运营已经成为城市发展建设中急需解决的难题。地铁区间变形一旦过大,轻则影响地铁运营,重则会危害人生安全。基于此,国内外很多学者[1-13]进行了大量的研究,给出了一般情况下地铁隧道结构的竖向位移和水平位移限值。戴轩等[1]利用有限元模型分析了管廊开挖对上覆在建深基坑的影响;毕成双[2]通过理论计算及数值模拟分析管廊顶进施工期间对既有地铁隧道的影响,施工采用“卸一还一、土体加固”显著降低了盾构隧道的变形;叶新丰等[3]发现坑底注浆加固可明显减少管廊基坑施工对地铁的变形影响;蒋新平等[4]提出采用三种方式来控制地铁隧道的变形;田帅[5]利用有限元软件计算分析,并在施工中采用坑底加固和抽条加固的方式保证隧道的正常运营。王莉等[6]通过计算表明,采用注浆以及放置钢锭相结合的方式可有效控制施工期间对于地铁扰动的影响;邓大鹏等[7]针对综合管廊上穿区间隧道推荐了工程类比、数值模拟、现场调查、经验分析等方法;刘治宝[8]指出采用坑底加固及分仓、分块的施工方式可以有效减少区间隧道的变形。

近年来,对于地铁区间隧道上方进行基坑施工的研究越来越多,但是在城市周边环境复杂情况下的研究还是较少。以西安太华路—北二环立交地下综合管廊工程上跨地铁4号线为背景,采取了坑底换填处理措施来控制地铁隧道变形,并通过数值模拟以及现场监测相结合的方式,得到了在管廊施工过程中地铁隧道的变形,以此来评估数值模拟方法的可靠性。

1 工程概况

1.1 工程背景

西安太华路—北二环立交地下综合管廊工程拟建范围内共有三处临近或者下穿地铁区间隧道,根据物探图纸及现场调研可知,沿着北二环和太华北路分别有较多管线。选取B段管廊进行分析计算,全长约508 m。综合管廊断面尺寸为(4.2+4.0)m×3.0 m双舱管廊,采用钢筋混凝土结构,最大埋深为6.4 m。盾构隧道为外径6 m、衬砌厚度300 mm的圆环,地铁四号线某区间沿太华北路南北向布置,其与B段管廊正交,部分段落位于B段管廊(K9+254.6～K9+310.00)下方,竖向净距约为7.5 m。

管廊采用明挖顺作法施工,由于该项目距离地铁区间较近,基坑在开挖的过程中可能会对其产生影响,为了避免地铁区间产生较大的变形,本项目采取如下相关的措施:(1)采用φ0.8 m@1.2 m钻孔灌注桩+内支撑的支护形式。(2)地铁区间重点保护范围内,在基坑坑底进行1 m厚垫层换填,竖向相对位置关系如图1所示。

图1 管廊基坑与地铁隧道断面图(单位:mm)

1.2 地层及参数

根据场地工程地质详勘报告,区间场地地形略有起伏,地面高程介于393.38～396.89 m。本区间地貌单元属渭河二级阶地。施工区域范围内地层的特点主要为:地表之间散布有厚度不一的全新统人工填土;其下主要为上新统风积新湿陷性黄土和残积的古土壤等;再下主要为上新统冲积粉质黏土、中细粒土壤等。场地内地下潜水稳定水位埋深18.80～20.50 m,相应高程为374.39～376.50 m。地下水位年变化幅值为2 m左右。地下水位位于坑底下,施工期间无需降水。根据地勘内插可得,此处抗浮水位为388.4 m,位于管廊以下。因此,对区间地铁而言,运营阶段较施工阶段更为安全,抗浮满足要求。主要参数如表1所示。

表1 岩土参数汇总表

1.3 工程风险点分析

由于本工程基坑邻近地铁四号线某区间,通过对周边环境的梳理,开挖过程中可能存在以下风险。

(1)地勘资料显示场地范围内存在有湿陷性土层,因此围护钻孔灌注桩成孔过程中可能会发生塌孔现象,会导致附近地铁区间隧道的变形。

(2)基坑开挖过程中,会导致两侧土体向基坑内变形及坑底隆起,可能引起地铁区间隧道的隆起变形。

(3)因地铁隧道的侧面变形或地基单侧开挖而产生偏压效应,从而引起结构内力作用重分布,进而导致构件的变形、断裂甚至渗漏水。

(4)地铁区间隧道上方由于基坑施工卸载的原因,有可能会引起地铁区间的纵向曲率半径及相对变曲超过要求,从而影响地铁的正常使用。

(5)地铁区间隧道的变形会导致区间轨道的变形,如果变形过大,一旦超过规范要求,将对地铁的正常运行产生很严重的危害。

1.4 变形控制指标

地铁区间隧道对变形有着极其严格的要求,因此《城市轨道交通结构安全保护技术规范》给出了控制指标,如表2所示。

表2 城市轨道交通结构安全控制指标值

根据地铁公司管理部门的要求,并且结合西安的案例经验以及《城市轨道交通结构安全保护技术规范》,给出了区间隧道的变形控制指标以及保护标准如下。

(1)地铁区间的绝对沉降≤20 mm,水平方向的位移≤20 mm,径向变形≤20 mm。

(2)施工引起的区间隧道纵向变形的曲率半径R需>15 000 m,最大差异变形引起的相对变曲≤1/2 500。

(3)隧道轨道处的差异变形≤4 mm。

(4)盾构管片接缝张开量<2 mm。

(5)管片结构裂缝宽度<0.2 mm,且不能有由内到外的贯通裂缝及混凝土脱落现象。

(6)基坑施工过程中引起的地铁区间外侧超载≤20 kPa。

2 基坑开挖上跨地铁区间三维有限元模型

为了能直观地研究基坑开挖对下方地铁区间隧道的影响,采用有限元软件midas GTS NX进行分析。模型选取基坑开挖边界2～3倍开挖深度,按照该原则建立模型,模型网格如图2所示。因此,模型尺寸为97 m×38 m×47 m(长×宽×深),共划分单元143 706个、节点26 255个。基坑与地铁区间位置关系如图3所示。

图2 模型网格图

数值模拟严格按照现场实际施工顺序进行模拟,基坑施工模拟顺序为:初始地应力计算→位移清零、地铁区间开挖以及施加结构计算→位移清零,施做围护桩、冠梁、第一道支撑,开挖至坑底。

本次数值模拟的工况顺序为。

工况1:初始应力场平衡。

工况2:地铁区间施工,初始应力场平衡。

工况3:基坑开挖施工。

图3 基坑与地铁区间位置关系图

3 结果分析

3.1 数值模拟结果

基坑开挖过程中,根据管廊基坑的实际施工工况,选取最不利工况,即基坑开挖至坑底,管廊结构还未施做完毕,此时对于地铁区间卸载最大,盾构区间管片变形最大,基于此,只给出了开挖到坑底的隆起值,如图4、图5所示。

图4 地铁区间水平位移图

图5 地铁区间竖向位移图

通过数值模拟可知,受到基坑的开挖影响,地铁区间隧道管片产生了竖向的隆起变形,且变形最大的位置发生在中部,最大值为8.7 mm,水平向基本没有产生位移,表明在卸载作用下,区间隧道主要以竖向变形为主。

3.2 现场监测

鉴于管廊基坑距离地铁4号线区间非常近,是本工程施工的最大风险源。因此,基坑施工过程中应加强对基坑支护结构的监控测量,并对地铁结构进行实时监控,确保基坑自身及地铁结构的安全。在基坑开挖之前,需对现状地铁布置监测点,对其做到动态监测,一旦在基坑施工过程中发现数值突变或者超过警戒值,则应马上暂停施工,做好相应处理措施。

为了实时监测基坑施工过程中地铁区间隧道的变形数据,需要在隧道不同部位设置沉降观测点,一旦发现变形过大,则应立即停止施工,采取相应措施来确保地铁运营安全。从开工至掘进到该里程完成时对沉降点位累计沉降值统计如下:370D1点位最大累计沉降15.19 mm(隧道左侧10 m),373D2点位最大累计沉降12.74 mm(隧道左侧5 m),373D3点位最大累计沉降14.37 mm(隧道中间),385D1点位最大累计沉降13.21 mm(隧道左侧10 m),415D5点位最大累计沉降13.29 mm(隧道右侧10 m),小于20 mm控制指标。

地铁区间的纵向变形的曲率半径为15 820 m>15 000 m,满足要求;轨道的相对变曲为1/6 667<1/2 500,满足预评估提出的控制指标。

根据现场监测数据,隧道轨道处的差异变形为1.5 mm<4 mm,满足要求。

3.3 小结

基坑位于区间隧道的正上方,由于卸荷效应,在基坑施工后,地铁区间结构朝着基坑方向变形,但是基本没有水平位移,竖向位移最大值为8.7 mm,既有变形最大值为-15.19 mm,叠加计算值后为-6.49 mm,小于预评估提出的控制指标20 mm,满足相关要求。

4 地铁保护措施及应急预案

由于本基坑开挖规模大,对地铁结构影响范围广,应严格按照要求分块分层开挖及施工,严禁一次开挖边界过大,每层开挖深度≤2 m,每段施工长度≤18 m。管廊交叉段节点处,应遵循先深后浅的原则开挖施工。

基坑开挖过程中应建立经地铁公司同意的应急预案,备足应急材料;施工过程中若出现监测值超限情况,应立即停止施工,及时通知业主单位、设计单位、监理单位和地铁公司,经过讨论确定有效措施后方可继续施工和运营。在工程施工开始前两周测定初始值,将初始值成果上报业主及地铁公司,然后进行正常的监测,监测持续至工程完成,各监测点变形稳定后结束。