基坑開挖對下臥地鐵區(qū)間隧道的影響分析

文/文罕、許朋成、徐建濤 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司 北京 100055

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路橋工程 Bridge Engineering

基坑開挖對下臥地鐵區(qū)間隧道的影響分析

文/文罕、許朋成、徐建濤 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司 北京 100055

本文依托蘭州地鐵1號線五里鋪站附屬物業(yè)開發(fā)工程項目，采用有限元建模分析了基坑施工對其下臥地鐵區(qū)間隧道變形及內(nèi)力的影響，對設(shè)計的合理性進行了評估并對后續(xù)的工程設(shè)計提出了建議。

基坑；地鐵區(qū)間；數(shù)值分析

引言

隨著我國城市的快速發(fā)展及土地資源的緊張。地下空間的開發(fā)和利用成為解決土地資源緊張的重要突破口并進入了快車道，但一些地下空間開發(fā)不得不面臨在已開發(fā)工程的上方或下方進行再次開發(fā)，這就給地下工程從業(yè)人員帶來一個新的挑戰(zhàn)。

本文依托蘭州市地鐵1號線五里鋪站附屬物業(yè)開發(fā)工程，模擬分析基坑開挖過程對其下臥地鐵區(qū)間變形及內(nèi)力的影響，以評估設(shè)計的合理性并對后續(xù)的工程設(shè)計及施工提供技術(shù)支撐，保證基坑施工期間地鐵隧道的安全。

1、工程概況

五里鋪附屬物業(yè)開發(fā)工程以五里鋪地鐵站為界，分為東西兩段。分別沿東崗西路、東崗東路敷設(shè)于道路下方，其中西段長約540m，東端長約746m，本工程擬采用明挖半幅鋪蓋法施工，基坑深約9.5m，基坑下方為已修建地鐵盤旋路～五里鋪～東部市場盾構(gòu)區(qū)間。區(qū)間結(jié)構(gòu)頂距基坑底最小距離4.5m，盾構(gòu)區(qū)間為外徑6.2m，壁厚0.35m的圓形結(jié)構(gòu)，具體相對位置如圖1所示。

圖1 基坑圍護結(jié)構(gòu)與區(qū)間隧道位置關(guān)系剖面圖

2、地質(zhì)概況

根據(jù)地勘揭露，擬建場地地貌單元屬黃河一級階地。場地內(nèi)地形較為平坦。擬建場地地層自上而下依次有素填土、黃土狀土、卵石、強風(fēng)化砂巖等組成。該場地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石。潛水位埋深約8m。各層物理力學(xué)指標詳見下表：

表1 地層物理力學(xué)指標表

3、計算模型

3.1計算參數(shù)

計算模型中各地層的計算參數(shù)選取見表1.基坑采用Φ800mm鉆孔灌注樁，間距1800mm，圍護樁及鋼筋混凝土橫撐、縱向連系梁、冠梁、臨時立柱均采用C30混凝土，地鐵隧道盾構(gòu)管片采用C50混凝土。基坑施工期間地面超載按20kPa考慮。

3.2模型建立

根據(jù)設(shè)計方案，采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值計算模型，模型以地鐵區(qū)間隧道軸線方向為y軸，垂直隧道軸線為x軸，豎直方向為z軸，模型在y軸方向上長50m，在x軸方向上長42m，z軸方向上長31m。地層、基坑圍護結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道管片均采用實體單元模擬。計算假定地鐵隧道、基坑、土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則，隧道結(jié)構(gòu)、基坑圍護結(jié)構(gòu)、地層巖土體為均質(zhì)各向同性材料。圍巖在開挖過程中考慮其塑性變形，采用Mohr-Coulomb準則，基坑圍護結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道管片僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

圖2 數(shù)值計算模型

3.3計算工況

基坑采用豎向及縱向分段開挖的施工方案，豎向分兩段開挖，縱向每段開挖10m，基坑開挖完成共7個工況。

圖3 盾構(gòu)管片初始應(yīng)力圖

4、計算結(jié)果及分析

4.1初始狀態(tài)及基坑開挖完成狀態(tài)模擬結(jié)果

4.2各工況計算結(jié)果及分析

針對各個工況中的盾構(gòu)管片的變形及管片的受力狀態(tài)，本文選取距離開挖起始端15m處盾構(gòu)管片進行結(jié)果提取及分析，結(jié)果見表2.

圖4 基坑開挖完成后盾構(gòu)管片應(yīng)力圖

圖5 基坑開挖完成后豎向位移圖

表2 隧道結(jié)構(gòu)變形及受力統(tǒng)計表

圖6 盾構(gòu)區(qū)間變形狀態(tài)圖

圖7 盾構(gòu)管片應(yīng)力狀態(tài)圖

根據(jù)結(jié)果顯示，以本文選取的管片分析點位基礎(chǔ)，隨著基坑開挖，盾構(gòu)管片變形及內(nèi)力均產(chǎn)生較大變化，變形及內(nèi)力變化速率最大發(fā)生于其正上方土體開挖時段，其相鄰區(qū)段開挖對其影響也較大，而錯開一區(qū)段后的基坑開挖對其影響較小，基坑開挖完成時最大豎向變形為4.01mm，最大水平變形0.95mm，最大壓應(yīng)力為2.27MPa，最大拉應(yīng)力為1.37MPa。依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）對既有隧道結(jié)構(gòu)變形控制要求（具體見表3），本工程基坑施工對區(qū)間影響能夠滿足區(qū)間隧道變形控制要求。

表3 控制指標建議值

5、結(jié)論及建議

5.1本工程基坑底板與區(qū)間隧道拱頂?shù)膬艟酁?.5m時，基坑開挖引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)隆起變形和水平變形均滿足變形控制要求；

5.2基坑開挖引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.37MPa，最大壓應(yīng)力為2.27MPa。基坑開挖引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力滿足混凝土強度要求。

5.3基坑施工對區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響具有明顯的三維特征，因此基坑開挖時須分段開挖，減少基坑開挖對其下臥區(qū)間的疊加影響。

5.4根據(jù)計算結(jié)果，區(qū)間結(jié)構(gòu)的隆起值接近報警值，為了保證施工過程中區(qū)間隧道的安全，建議在基坑開挖過程中對地鐵區(qū)間隧道采取輔助保護措施，比如注漿加固區(qū)間隧道上方土體。

5.5基坑施工過程中盾構(gòu)管片的拉應(yīng)力增加較大，還應(yīng)對既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)-荷載模型計算，對結(jié)構(gòu)承載能力進行復(fù)核。

［1］］城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（GB 50911-2013）.

［2］陳郁.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的研究分析.同濟大學(xué)碩士論文，2002.

［3］劉國彬，黃院雄，侯學(xué)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.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2001，20（2）.