基坑開(kāi)挖對(duì)下臥既有隧道的變形影響分析

趙 春 偉

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300000)

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基坑開(kāi)挖對(duì)下臥既有隧道的變形影響分析

趙 春 偉

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300000)

以寧波市某新建通道上跨既有地鐵1號(hào)線(xiàn)的基坑開(kāi)挖工程為背景，建立了Midas/GTS NX三維模型，考慮土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道的相互作用，分析了地基加固、設(shè)置抗浮樁以及開(kāi)挖順序引起的時(shí)空效應(yīng)對(duì)既有隧道變形的影響，得出了一些有意義的結(jié)論。

基坑工程，既有隧道，地基加固，抗浮樁，時(shí)空效應(yīng)

隨著我國(guó)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，有時(shí)不可避免的要在既有隧道附近施工，這必將引起既有隧道的變形，如何把變形限制在可控范圍內(nèi)成為工程實(shí)踐和理論研究中亟待解決的焦點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了一系列的研究[1-3]，并提出了一些隧道變形控制措施[5-10]。Sharma等[1]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算，分析了某深大基坑對(duì)地鐵隧道變形的影響。Dolezalova等[2]應(yīng)用有限元分析了基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰地鐵隧道的影響。姜兆華[3]系統(tǒng)的分析了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響。劉國(guó)彬等[4]利用坑內(nèi)加固措施來(lái)控制已建成隧道的隆起變形。張治國(guó)等[6]提出了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法。阮順良等[7]從力學(xué)原理上分析了影響隧道變形的機(jī)理，并提出了減小基坑工程對(duì)鄰近地鐵影響的控制措施。朱逢斌等[8]針對(duì)騎跨于既有盾構(gòu)隧道之上的基坑工程，進(jìn)行了平面應(yīng)變有限元模擬。鄭剛等[9]分析了土體加固、澆筑底板與抗浮樁形成“保護(hù)箍”以及堆載回壓對(duì)既有軌道的影響。左殿軍等[10]考慮隧道襯砌與土的相互作用，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。魏綱等[11]采取了地基加固、分段開(kāi)挖等施工控制措施控制隧道的變形。

文章以上跨地鐵隧道的基坑施工案例為依托，運(yùn)用有限元建立3D模型，考慮了時(shí)空效應(yīng)，模擬基坑開(kāi)挖全過(guò)程，分析土體加固、抗浮樁和基坑開(kāi)挖順序?qū)扔械罔F隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

某新建地下通道與地鐵1號(hào)線(xiàn)隧道斜交，角度為69.12°，新建結(jié)構(gòu)寬31.2 m，高5 m，頂板1 m，底板1.4 m，側(cè)墻0.9 m，中墻0.7 m，基坑深8.6 m～9.0 m。1號(hào)線(xiàn)為外徑6 200 mm、內(nèi)徑5 500 mm的盾構(gòu)隧道，管片厚350 mm，寬1.2 m，采用錯(cuò)縫拼裝。跨越處距地下通道底板基坑凈距4.842 m～5.264 m。為確保基坑開(kāi)挖過(guò)程中既有隧道的安全，采用土體加固，設(shè)置抗浮樁以及分區(qū)、分塊開(kāi)挖的措施，來(lái)降低基坑開(kāi)挖卸載引起的隧道隆起變形。

1.1 基坑分區(qū)

在基坑兩側(cè)各設(shè)置一道封堵墻，上下行線(xiàn)區(qū)間隧道的東西兩

側(cè)各設(shè)一道封堵墻，將穿越段大基坑分為三部分，遠(yuǎn)離區(qū)、接近區(qū)和核心區(qū)。

1.2 土體加固

遠(yuǎn)離區(qū)：采用裙邊+抽條加固，加固深度為坑底下3 m；接近區(qū)：區(qū)間隧道兩側(cè)各2 m以外采用滿(mǎn)堂加固，加固深度為地面下1 m至隧道底以下6 m；核心區(qū)：隧道上方采用MJS滿(mǎn)堂加固，加固深度為地面下1 m至區(qū)間隧道上方2 m。

1.3 抗浮樁

在既有隧道兩側(cè)設(shè)置抗拔樁，并與新建通道底板形成有效連接。

2 施工模擬計(jì)算

針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)1號(hào)線(xiàn)隧道的影響，采用Midas/GTS NX三維有限元地層—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。為減小邊界效應(yīng)影響，計(jì)算模型的水平方向尺寸和豎向尺寸即模型邊界取大于3倍～5倍基坑開(kāi)挖深度，影響深度約為開(kāi)挖深度的2倍～4倍[12]。故計(jì)算模型的幾何尺寸為140 m×140 m×50 m。模型四周邊界為水平約束，底部為豎直約束。三維網(wǎng)格模型及隧道、支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。

土體利用修正摩爾—庫(kù)侖模型，并采用3D實(shí)體單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道管片采用線(xiàn)彈性板單元模擬，抗浮樁采用線(xiàn)彈性梁?jiǎn)卧M。各層土體的基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土體加固

基坑開(kāi)挖卸荷引起的隧道的變形情況如圖2所示，從圖2中可以看出，隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，隧道上方土體的卸載量逐漸增大，上、下行隧道均出現(xiàn)了隆起的現(xiàn)象，未進(jìn)行土體加固時(shí)，上行線(xiàn)最大隆起量為11 mm，下行線(xiàn)最大隆起量為10 mm，既有隧道隆起量超過(guò)了結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的安全和地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，而土體加固后隧道的隆起量明顯減少，上行線(xiàn)最大隆起量降低為5.7 mm，下行線(xiàn)最大隆起量降低為5.6 mm，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，土體加固可有效控制既有隧道的隆起，保證地鐵線(xiàn)路的安全運(yùn)營(yíng)。

表1 土層基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

3.2 抗拔樁的影響

基坑開(kāi)挖卸荷引起的隧道的變形情況如圖3所示，由圖3可見(jiàn)，隧道的變形趨勢(shì)與圖2幾乎一致。當(dāng)抗浮樁與新建通道底板形成有效連接后，相當(dāng)于在既有隧道結(jié)構(gòu)周?chē)纬伞伴T(mén)式框架”，既有隧道隆起量有所減小。

3.3 開(kāi)挖順序

基坑開(kāi)挖順序引起的隧道變形情況如圖4所示，開(kāi)挖順序?yàn)椋河珊诵膮^(qū)向遠(yuǎn)離區(qū)開(kāi)挖；由遠(yuǎn)離區(qū)向核心區(qū)開(kāi)挖。從圖4中可以看出：基坑核心區(qū)土體的開(kāi)挖對(duì)既有隧道的隆起變形影響較大，由基坑核心區(qū)向遠(yuǎn)離區(qū)的開(kāi)挖順序最終引起隧道的隆起量大。因此基坑土體開(kāi)挖應(yīng)采取由遠(yuǎn)離區(qū)向核心區(qū)的開(kāi)挖順序，即盡可能最后開(kāi)挖對(duì)隧道變形影響較大的土體，這與張強(qiáng)[12]的研究成果相吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

依托寧波市某新建通道上跨既有隧道工程，利用Midas/GTS NX，建立了三維模型，分析了土體加固、抗拔樁以及基坑開(kāi)挖順序引起的時(shí)空效應(yīng)等因素對(duì)控制既有隧道結(jié)構(gòu)隆起的影響，并進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)論如下：1)土體加固通過(guò)提高土體的粘聚力和摩擦角，提高土體變形模量等，控制了地層的變形，從而控制既有隧道的變形，并且加固土體的加載作用可減小開(kāi)挖卸載對(duì)既有隧道變形的影響，其在控制隧道結(jié)構(gòu)隆起方面效果顯著。2)抗浮樁在與基坑底板形成有效連接以后，在既有隧道結(jié)構(gòu)上方形成“門(mén)式結(jié)構(gòu)”才能起到抑制既有隧道結(jié)構(gòu)周?chē)馏w的隆起，從而控制隧道的隆起變形，其抑制既有隧道隆起的作用不如土體加固的效果大。3)基坑開(kāi)挖順序可以充分利用土體隆起的時(shí)空效應(yīng)和隧道結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)控制既有隧道的隆起變形，最后開(kāi)挖對(duì)隧道變形影響較大的土體，可以有效控制既有隧道的隆起，因此基坑土體開(kāi)挖應(yīng)采取由遠(yuǎn)離區(qū)向核心區(qū)的開(kāi)挖順序。

[1] Sharma J.S.,Hefny A.M.,Zhao J.Effect of Large Excavation on Deformation of Adjacent MRT Tunnels[J].Tunnelling andUnderground Space Technology,2001(16):93-98.

[2] Dolezalova M.Tunnel Complex Unloaded by a Deep Excavation[J].Computers and Geotechnics,2001,28(6-7):469-493.

[3] 姜兆華.基坑開(kāi)挖時(shí)鄰近既有隧道的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律研究[D].重慶:重慶大學(xué)博士學(xué)位論文,2013.

[4] 劉國(guó)彬,黃院雄,侯學(xué)淵.基坑工程下已運(yùn)行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實(shí)踐[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2001,20(2):202-207.

[5] 高廣運(yùn),高 盟,楊成斌,等.基坑施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的變形影響及控制研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(3):453-459.

[6] 張治國(guó),張孟喜,王衛(wèi)東.基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J].巖土力學(xué),2011,32(7):2085-2092.

[7] 阮順良,胡士兵,樓永良.基坑工程對(duì)鄰近地鐵隧道影響及控制措施研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012,49(1):100-104.

[8] 朱逢斌,王月香.基坑施工對(duì)下方既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(3):94-100.

[9] 鄭 剛,劉慶晨,鄧 旭.基坑開(kāi)挖對(duì)下臥運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響的數(shù)值分析與變形控制研究[J].巖土力學(xué),2013,34(5):1459-1468.

[10] 左殿軍,史 林,李銘銘,等.深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響數(shù)值計(jì)算分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014,26(S2):391-395.

[11] 魏 綱,李 鋼,蘇勤衛(wèi).基坑工程對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響的實(shí)測(cè)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(1):179-185.

[12] 張 強(qiáng).開(kāi)挖卸荷下既有地鐵隧道的豎向變形及其控制研究[D].北京:北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文,2012.

The deformation influence analysis on foundation pit excavation to overlaying existing tunnel

Zhao Chunwei

(TianjinMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Tianjin300000,China)

Taking the foundation pit excavation engineering of a new cross overpass existing tunnel line 1 in Ningbo as the engineering background, this paper established the Midas/GTS NX three-dimensional model, considering the interaction of soil, retaining structure and existing tunnel, analyzed the influence of time-space effect caused by foundation reinforcement, anti floating piles setting and excavation sequence to existing tunnel deformation, drew some meaningful conclusions.

foundation pit engineering, existing tunnel, foundation reinforcement, anti floating pile, time-space effect

1009-6825(2017)14-0190-03

2017-03-08

趙春偉(1985- ),男,工程師

U456.3

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