明挖基坑開挖步長對下方已建地鐵隧道影響分析

韓雪峰， 周澤林， 劉繼強， 陳壽根

(1. 中鐵建設(shè)投資集團有限公司, 廣東深圳 518000; 2. 交通隧道工程教育部重點實驗室,四川成都 610031; 3. 西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031 )

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明挖基坑開挖步長對下方已建地鐵隧道影響分析

韓雪峰1， 周澤林2,3， 劉繼強1， 陳壽根2,3

(1. 中鐵建設(shè)投資集團有限公司, 廣東深圳 518000; 2. 交通隧道工程教育部重點實驗室,四川成都 610031; 3. 西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031 )

【摘要】針對重疊隧道中上部公路隧道施工對下臥地鐵隧道影響的幾個關(guān)鍵影響因素，文章采用數(shù)值模擬方法探討了下穿隧道施工中不同開挖步長、不同凈距、不同埋深條件下進行基坑開挖時，土體位移、下部盾構(gòu)隧道變形和管片結(jié)構(gòu)受力特征。得出了基坑開挖步長越大、隧道之間凈距越小、下穿隧道頂板埋深越大，則土層和盾構(gòu)管片上浮變形量越大等重要結(jié)論，對類似工程的設(shè)計和施工具有重要的指導作用。

【關(guān)鍵詞】隧道工程;近接施工;明挖基坑;凈距效應(yīng);盾構(gòu)施工

1相關(guān)研究資料簡介

已建地下建構(gòu)筑物常給后建工程帶來諸多難題。例如，當已建地下建構(gòu)筑物上方基坑開挖卸荷，將引起基坑上浮和地下建構(gòu)筑物的變形，對使用功能和安全性造成潛在危害。而地鐵對隧道的變形要求極其嚴格，根據(jù)我國建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[1]規(guī)定，絕對最大位移不能超過20 mm，隧道回彈變形不超過15 mm，隧道變形曲率半徑必須大于15 000 m，相對變形必須小于1/2 500。如何準確預測和控制隧道上浮變形，合理選擇控制地下建筑物變形的施工工藝，保證地下建構(gòu)筑物的正常使用，成為工程界迫在眉睫的一個難題。

針對基坑開挖對緊接地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，國內(nèi)外不少學者進行了相關(guān)的研究工作，并取得了一些成果。劉國彬[2]以上海廣場基坑工程下的已建隧道的保護為工程背景，結(jié)合軟土基坑上浮變形的殘余應(yīng)力法和軟土的卸荷模量對地基加固抗浮技術(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)適當?shù)牡鼗徒邓苡行У販p小基坑下方既有隧道的上浮變形。李志高[3]對上海東方路立交工程大面積深基坑開挖期間對近接隧道的上浮變形控制技術(shù)進行了研究，結(jié)果表明應(yīng)嚴格控制由于上方基坑開挖卸載引起的地鐵隧道的位移量，才能保證下方地鐵二號線的正常運營。他從施工工藝的角度分析了開挖卸載對下方隧道的影響，提出了減小隧道位移的施工措施。楊挺[4]結(jié)合南京火車站站前廣場龍蟠路隧道(南側(cè))西段上跨已建成的地鐵1號線雙線盾構(gòu)隧道時的基坑施工，采用排樁與樁板支護法有效解決了基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道上浮控制難題。并就箱形隧道基坑下已建地鐵盾構(gòu)隧道上浮位移的控制分析、排樁與樁板支護設(shè)計及施工方法、施工中的位移監(jiān)控量測作了較詳細地分析論述。周丁恒，蔡永昌[5]依托上海地鐵7號線基坑開挖對地鐵區(qū)間的上浮影響進行了數(shù)值模擬分析，對不同級別和不同施工步加固處理下的隧道上浮進行了研究，認為加固區(qū)最佳彈性模量為30 MPa。周丁恒[6]對堆載法抗浮技術(shù)進行了研究，得出最佳堆載時機為基坑拆除第一道支撐時對坑底施加堆載，此時地鐵區(qū)間隧道整體上浮最小，同時得出了最佳堆載加荷量為160 kN/m2。吉茂杰[7]采用現(xiàn)場實測研究了基坑施工對鄰近隧道的影響，得出了小變形條件下隧道變形和周圍土體位移基本一致的結(jié)論。

由于城市深大基坑工程的邊界條件及所涉及的巖土介質(zhì)的復雜性，難以得出解析解。數(shù)值模擬方法不僅能充分考慮土體的本構(gòu)模型，還能有效模擬復雜的基坑開挖工況和結(jié)構(gòu)條件，成為研究該類問題的有力工具。本文依托深圳市地鐵11號線南山站～前海灣站既有區(qū)間隧道上方的重疊隧道施工，采用有限差分軟件FLAC3D分析了明挖基坑開挖步長對下方已建地鐵隧道影響。

2工程概況

深圳地鐵11號線起于福田站，終至碧頭站，是深圳市城市核心區(qū)與西部濱海地區(qū)的組團快線，兼機場快線和廣深城際軌道線路雙重任務(wù)的功能。本研究所依托的工程是已建深圳地鐵11號線南山站～前海灣站區(qū)間雙線地鐵隧道與上方桂廟路改造工程公路隧道施工。上方公路隧道和下方地鐵隧道在空間位置上呈上下重疊關(guān)系，重疊長度約2.2 km，最小凈距僅6.1 m。考慮到地鐵11號線2016年的通車要求，兩重疊隧道施工順序為先施工下方地鐵隧道，后施工上方公路隧道。雙孔地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，埋深介于16～31 m之間，線路間距為9.6～13.0 m，管片內(nèi)徑為6.0 m，管片厚350 mm。采用德國海瑞克公司生產(chǎn)的復合式土壓平衡盾構(gòu)機掘進。后施工的桂廟路公路隧道斷面為大跨度矩形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)寬38.2 m，高10.5 m，采用明挖法施工。

3計算模型的建立

根據(jù)上下隧道的斷面尺寸和空間位置關(guān)系建立三維數(shù)值計算模型。雙孔隧道設(shè)計線路中心間距為11 m。重疊段雙孔隧道位于公路隧道的正下方和側(cè)下方，考慮上方基坑開挖對盾構(gòu)隧道上浮的最不利情況，計算模型中的雙孔地鐵隧道布置于公路隧道的正下方。為了滿足邊界條件要求，以豎向?qū)ΨQ軸為中心，自地表往下，計算模型取高90 m、寬180 m、長270 m(隧道走向)，共計87 997個單元和82 660個節(jié)點。計算模型和網(wǎng)格劃分見圖1所示。

圖1　計算模型和網(wǎng)格劃分

工程區(qū)隧道穿越的主要地層自上而下依次為：人工填土層(包括素填土、填石、填砂等)、粗砂層(局部含淤泥、淤泥質(zhì)黏土)和礫質(zhì)黏性土層(局部含砂層)。地鐵隧道下伏基巖層為全～強風化混合花崗巖層。上下隧道之間凈距為6.0 m(1D)，上方公路隧道頂板埋深為4.0 m。計算選取地質(zhì)剖面圖上典型斷面，土層厚度分布和土體力學參數(shù)見表1所示。圖2為計算模型中的地層分層。

表1　土層厚度分布和土體力學參數(shù)

圖2　計算模型中的地層分層

基坑開挖后采用3道橫向支撐。第1道為支撐在冠梁上的鋼筋混泥土橫撐，沿線縱向布置間距為6.0 m。第2、3道支撐為φ609鋼管支撐，沿線縱向布置間距為3.0 m。支撐之間設(shè)置縱向聯(lián)系梁。本次模擬計算中，采用FLAC3D自帶的結(jié)構(gòu)單元“BEAM”梁單元來模擬基坑的3道橫向支撐。由于設(shè)計縱向聯(lián)系梁的作用只是提高橫向支撐受力穩(wěn)定性，實際縱向聯(lián)系梁的受力很小，為簡化計算忽略其作用不予考慮。

基坑開挖前先施作圍護結(jié)構(gòu)，開挖按分層分區(qū)域?qū)ΨQ進行，每個分層區(qū)域高差為2.0 m，開挖之后立即施作橫向支撐、豎向格構(gòu)立柱、立柱樁，并施作隧道主體框架結(jié)構(gòu)。圖3為隧道上部基坑開挖和支撐體系施加示意圖。

圖3　基坑開挖與支撐過程模擬示意

4基坑縱向開挖步長影響分析

為了分析上方公路隧道基坑不同縱向開挖步長對地層變形和結(jié)構(gòu)受力的影響，分別模擬了5種工況下(表2)的地層位移分布特征和地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力。

表2　基坑開挖不同縱向分布長度計算工況

圖4為基坑開挖后的土層最大豎向位移Umax和最大位移Wmax隨開挖步長的變化曲線。從圖中可看出，隨著基坑縱向開挖步長s的增大，豎向最大位移Umax也不斷增大。當s=6.0 m(約1D)時，Umax=2.885 cm 。當s=15.0 m(約2.5D)時，Umax=5.605 cm，增幅達到194.2 %。開挖步長s較小時，土體最大位移值Wmax大于土體最大豎向位移值Umax，隨著開挖步長的增大，當s=15 m時，兩者幾乎相等，說明地層內(nèi)部土體位移主要以豎向位移為主，且表現(xiàn)為地層上浮。土體位移Umax和Wmax隨著s變化基本呈線性分布，位移增大梯度分別為每1 m 0.302 cm和0.284 cm。

圖4　土體位移隨開挖步長變化曲線

為確保基坑安全和避免盾構(gòu)隧道上浮量過大，要求施工中及時封閉隧道主體框架結(jié)構(gòu)，并回填至地面。基坑開挖對附近已封閉主體框架隧道上方的回填地面變形造成影響。圖5為已經(jīng)封閉回填公路隧道上方地表隆起位移沿軸線的分布曲線，其中當前開挖掌子面在隧道軸線Y=60 m處。從圖中可以看出，距離基坑開挖部位越近，隧道上方地表隆起位移值越大。基坑縱向開挖步s越大，地表隆起量越大。當s=6.0 m時，地表最大隆起位移為0.81 cm，表明基坑開挖對隧道已封閉框架上方地表隆起的影響幾乎為0；當s=15.0 m時，隧道已封閉，框架上方出現(xiàn)明顯地表隆起位移現(xiàn)象，最大隆起值達到2.43 cm，表明此時的地層隆起位移對地表環(huán)境的影響已不容忽略，施工中應(yīng)當采取相應(yīng)的上浮控制措施。

圖5　公路隧道上方地表隆起位移變化曲線

5結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬方法，對明挖基坑開挖步長對下方已建地鐵隧道影響進行了探討，分析了基坑開挖對土體位移、下部盾構(gòu)隧道變形和管片結(jié)構(gòu)受力特征的影響。得出如下結(jié)論：(1)基坑開挖步長越大，土層和盾構(gòu)管片上浮變形量越大。管片上浮量峰值出現(xiàn)在基坑分層開挖的最低臺階處下方；(2)基坑開挖造成的土體擾動對盾構(gòu)管片造成附加應(yīng)力，表現(xiàn)為拱頂處管片由壓力變成拉力且拱底處管片壓力增大。計算結(jié)果表明，基坑開挖步長越大，管片的附加應(yīng)力越大。基于以上結(jié)論，建議管片設(shè)計中應(yīng)當根據(jù)實際情況適當增大拱頂局部受拉配筋和拱底局部受壓配筋。

參考文獻

[1]GB/T 50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]劉國彬,黃院雄,侯學淵. 基坑工程下已運行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J]. 巖石力學與工程學報,2001(2):202-207.

[3]楊挺,王心聯(lián),許瓊鶴,等. 箱形隧道基坑下已建地鐵盾構(gòu)隧道上浮位移的控制分析與設(shè)計[J]. 巖土力學,2005(S1):187-192.

[4]李志高,曾遠,劉浩,等. 基坑開挖引起下方地鐵隧道位移的控制措施[J]. 鐵道建筑技術(shù),2005(5):33-36，75.

[5]周丁恒,陳長江,曹力橋,等. 堆載控制基坑開挖引起的地鐵區(qū)間隧道上浮研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2008(S1):211-215.

[6]周丁恒,蔡永昌,陳長江,等. 基坑坑底加固對下臥地鐵區(qū)間隧道上浮影響的研究[J]. 巖土工程學報,2008(S1):95-99.

[7]吉茂杰,劉國彬. 開挖卸荷引起地鐵隧道位移預測方法[J]. 同濟大學學報: 自然科學版,2001(5):531-535.

[作者簡介]韓雪峰(1980～)，男，碩士，高級工程師，從事地鐵設(shè)計和施工管理工作。

【中圖分類號】455.45

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-09-15