基坑開挖對既有盾構(gòu)隧道的影響研究

聶 浩

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院，山東濟南 250001)

為保證軌道交通結(jié)構(gòu)的安全性，進行基坑開挖對既有盾構(gòu)區(qū)間隧道影響的研究具有實際意義[1]。

目前，國內(nèi)已有許多學者對軌道交通周邊基坑開挖變形進行研究，楊駿[2]等基于土力學基本理論和數(shù)值計算分析，研究軟土地區(qū)基坑開挖對盾構(gòu)區(qū)間的變形影響規(guī)律。丁勇春[3]等通過統(tǒng)計基坑開挖后的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行基坑開挖對區(qū)間隧道的影響分析。李瑛[4]等將數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，研究大面積卸荷情況下，基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響。文獻[5-8]等利用數(shù)值計算方法分析不同情況下基坑開挖對地下結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力的影響；文獻[9-12]通過分析基坑開挖后的地下結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)，研究其變形影響規(guī)律。以往的研究多集中于基坑開挖過程對區(qū)間隧道的影響，對后續(xù)基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工階段的研究相對較少。以下基于FLAC3D數(shù)值計算方法，進行基坑施工全過程對區(qū)間盾構(gòu)隧道變形及應(yīng)力的影響規(guī)律研究。

1 工程概況

擬建基坑為商務(wù)樓地下室，開挖深度約為13 m，采用明挖法施工。區(qū)間隧道側(cè)穿基坑，基坑圍護結(jié)構(gòu)外緣距區(qū)間隧道水平距離最近約6.8 m，隧道外徑為6.4 m，埋深為17.585～19.29 m，基坑與區(qū)間隧道的位置關(guān)系如圖1～圖2所示。

圖1 基坑與區(qū)間隧道平面

圖2 基坑與區(qū)間隧道剖面(單位：mm，高程：m)

依據(jù)地勘資料，場地地層由上往下主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、殘積土、強風化閃長巖及中風化閃長巖。地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 工程措施

為降低基坑開挖對盾構(gòu)區(qū)間隧道的影響，結(jié)合地層特點與基坑開挖狀況，采用高壓旋噴樁落底式止水帷幕隔水，在基坑外側(cè)設(shè)立降水回灌井，保證基坑外側(cè)地下水位不變。因此，可以忽略地下水位變化對區(qū)間隧道的影響，重點研究基坑開挖引起的地層應(yīng)力重分布過程對區(qū)間隧道的影響。

基坑采用不同圍護結(jié)構(gòu)時，其地層變形控制效果不同，一般情況下，圍護結(jié)構(gòu)剛度越大，變形控制越強[13]。“放坡+土釘支護”變形控制效果較差，但施工成本低；“鉆孔灌注樁+錨索支護”變形控制效果較好，但施工成本較高；地連墻圍護結(jié)構(gòu)變形控制效果最好，施工成本也最高。經(jīng)綜合比較分析，決定采用“雙排樁+錨索”的支護形式。

3 數(shù)值分析

3.1 模型參數(shù)

假定巖土體為連續(xù)性介質(zhì)，且只考慮自重應(yīng)力場。巖土體采用Mohr-Coulomb材料模型，錨索采用cable結(jié)構(gòu)模型；由于鉆孔灌注樁及旋噴樁咬合支護結(jié)構(gòu)模型建立困難，故將其簡化為圍護樁墻，采用實體單元模擬[14]；利用null模型模擬基坑的開挖，得到基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響，計算模型如圖3所示。

圖3 圍護樁支護模型(單位：m)

模型尺寸為85.8 m×110 m×33 m(X×Y×Z)，盾構(gòu)隧道外徑為6.4 m，內(nèi)徑為5.8 m，管片厚300 mm。采用單層裝配式襯砌，左線與右線盾構(gòu)隧道中心間距為17 m，基坑長60.4 m(沿Y向)，X向基坑長度取37 m，基坑與盾構(gòu)隧道的相對位置如圖4所示。

圖4 基坑與盾構(gòu)隧道相對位置關(guān)系

模型計算參數(shù)和結(jié)構(gòu)計算參數(shù)見表1～表2。

表1 模型計算參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

3.2 開挖模擬方案

對于盾構(gòu)隧道，采用分部開挖、先開挖左線后開挖右線的模擬施工方法。利用null模型“殺死”管片內(nèi)巖土體，并將管片單元力學參數(shù)改為C50混凝土參數(shù)，以模擬隧道開挖過程中盾構(gòu)管片的施力過程，并施加垂直于開挖面的面荷載，以模擬盾構(gòu)刀盤對巖土體的壓力，循環(huán)模擬直至盾構(gòu)隧道開挖完成。

基坑開挖前，既有盾構(gòu)隧道變形已趨于穩(wěn)定，地層應(yīng)力重分布過程也已基本完成，以此為基礎(chǔ)，忽略盾構(gòu)隧道開挖引起的變形，進行基坑開挖模擬，賦予圍護樁墻單元相應(yīng)的力學參數(shù)，模擬圍護結(jié)構(gòu)施工，然后利用“null”模型模擬基坑開挖過程。當開挖至一定深度時，施加cable結(jié)構(gòu)單元，模擬錨索的施工，如此循環(huán)，直至開挖至基坑底部；然后施加建筑結(jié)構(gòu)地下部分荷載，模擬地下部分的應(yīng)力與變形。在基底施加整棟建筑結(jié)構(gòu)荷載，模擬建筑完成后對盾構(gòu)隧道的影響，模擬開挖計算步如表3所示。

表3 基坑施工主要計算步

3.3 數(shù)值計算分析

(1) 變形分析

基坑開挖前盾構(gòu)隧道開挖引起的沉降位移云圖與應(yīng)力云圖如圖5～圖8所示。

圖5 盾構(gòu)隧道開挖引起的豎向位移

圖6 盾構(gòu)隧道開挖引起的管片豎向位移

圖7 盾構(gòu)施工引起的豎向應(yīng)力

圖8 盾構(gòu)施工引起的管片豎向應(yīng)力

盾構(gòu)隧道開挖引起地層應(yīng)力釋放與重分布，在盾構(gòu)隧道拱頂部位形成豎向沉降變形區(qū)域，最大沉降量為4.282 mm；仰拱部位存在一定的隆起，最大隆起量為4.713 mm；盾構(gòu)管片拱腰及拱肩部位存在壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為3.52 MPa，拱頂與仰拱部位壓應(yīng)力較小。

將盾構(gòu)隧道開挖引起的位移清零，分析基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響，得到不同開挖步下模型的變形與應(yīng)力。由圖5、圖6可知，隨基坑開挖深度的不斷增加，模型X向位移與坑底隆起量不斷增大，當開挖至坑底時變形量最大，模型變形云圖如圖9～圖11所示。

圖9 基坑開挖第九步豎向變形

圖10 基坑開挖第九步X向變形

圖11 基坑開挖引起的節(jié)點位移

由圖11可知，基坑開挖引起應(yīng)力釋放，進而導(dǎo)致土體向基坑內(nèi)側(cè)位移，基坑表面節(jié)點位移較大，隨距離的增加，節(jié)點位移逐漸減小。由圖9、圖10可知，基坑周邊存在一定的豎向沉降，最大沉降量為2.64 cm，靠近隧道一側(cè)基坑支護結(jié)構(gòu)X向位移較大，最大位移為2.95 cm。

基坑開挖引起的盾構(gòu)管片位移云圖如圖12～圖13所示。

圖12 基坑開挖引起的盾構(gòu)管片豎向位移

圖13 基坑開挖引起的盾構(gòu)管片X向位移

由圖12、圖13可知，當基坑開挖至坑底時，盾構(gòu)管片X向最大位移為6.77 mm，產(chǎn)生于基坑Y向中間位置處管片拱肩部位；基坑開挖導(dǎo)致靠近基坑一側(cè)盾構(gòu)管片產(chǎn)生一定的豎向隆起，隆起量較小，最大為1.31 mm。

為得到基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響，對盾構(gòu)管片拱頂、拱腰及模型中心處管片環(huán)向節(jié)點進行監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖14所示。

圖14 管片位移監(jiān)測示意

得到不同開挖步下環(huán)向監(jiān)測點水平位移變化曲線(如圖15所示)。

圖15 不同點水平位移隨計算步變化曲線

由圖15可知，當基坑開挖至坑底前，管片水平向位移逐步增大；當開挖至坑底時，位移達到最大值。施作基坑地下結(jié)構(gòu)并回填土后，基坑水平向位移得以減小，當施作完地上結(jié)構(gòu)后，管片水平位移得到有效控制，最大位移約為4.0 mm。

依據(jù)變形規(guī)律，對基坑開挖至坑底時盾構(gòu)管片拱頂豎向位移、拱腰水平位移及管片環(huán)向監(jiān)測點進行統(tǒng)計分析，得到如圖16～圖17所示的位移曲線。

圖16 沿隧道軸向拱腰水平位移曲線

圖17 沿隧道軸向拱頂豎向位移曲線

對管片拱腰水平位移數(shù)據(jù)、拱頂豎向位移數(shù)據(jù)分別進行多項式擬合，依據(jù)曲率半徑計算公式，有

(1)

計算可得，管片水平向最小曲率半徑為100 519 m，管片豎向最小曲率半徑為1 521 981 m，均遠大于15 000 m，符合規(guī)范要求。

隧道軸向中點處環(huán)向監(jiān)測點布置：以隧道中間拱腰位置為監(jiān)測零點，沿環(huán)向分別向上、向下布置監(jiān)測點，向上為-1至-8，拱頂位置處監(jiān)測點為-8，向下為1至8，拱底位置處監(jiān)測點為8。當基坑開挖至底部時，管片沿環(huán)向監(jiān)測點水平位移量如圖18所示。

圖18 沿隧道環(huán)向監(jiān)測點水平位移曲線

由圖18可知，當基坑開挖至坑底時，管片拱腰最大水平位移量為6.0 mm，管片拱頂最大沉降量為0.7 mm，均小于10 mm，滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[15]的要求。

監(jiān)測點-3位置處及管片拱肩部位水平位移最大(為6.7 mm)，并以此為中心向兩側(cè)逐漸遞減。管片最大水平位移量小于10 mm，滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

(2)應(yīng)力分析

基坑開挖引起應(yīng)力釋放，在應(yīng)力重分布過程中盾構(gòu)管片應(yīng)力發(fā)生變化。為保證基坑開挖后盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的安全，需要對盾構(gòu)管片應(yīng)力狀態(tài)進行分析，基坑開挖至坑底時，盾構(gòu)管片應(yīng)力云圖如圖19～圖20所示。

圖19 基坑開挖引起的盾構(gòu)管片豎向應(yīng)力

圖20 基坑開挖引起的盾構(gòu)管片X向應(yīng)力

基坑開挖后，管片拱肩部位存在一定的應(yīng)力集中，應(yīng)力達3.52 MPa，拱頂與仰拱部位豎向壓應(yīng)力較小；基坑開挖后，管片拱腰部位X向應(yīng)力較小(最大為0.3 MPa)，拱頂與仰拱部位X向應(yīng)力較大(最大為1.65 MPa)。

由基坑開挖后管片的受力分析可得，基坑開挖后盾構(gòu)管片受力在合理范圍內(nèi)，不會造成管片的結(jié)構(gòu)破壞。

4 結(jié)論及建議

(1)當基坑開挖至坑底時，雙排樁垂直于基坑邊緣水平方向位移達最大值(2.95 cm)，基坑周邊地層沉降達到最大值(2.64 cm)，靠近基坑側(cè)管片拱肩位置處水平位移達到最大值(6.77 mm)，管片隆起量最大值為1.31 mm。

(2)當基坑開挖至坑底前，管片水平向位移逐步增大；當開挖至坑底時位移達到最大值；當施作基坑地下結(jié)構(gòu)并回填土后，基坑水平向位移減??；當施作完地上結(jié)構(gòu)后，管片水平位移得到有效控制，最大位移約為4.0 mm。

(3)基坑開挖后，管片拱肩部位存在一定應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達3.52 MPa，管片拱腰部位X向應(yīng)力較小，最大為0.3 MPa，拱頂與仰拱部位X向應(yīng)力較大，最大為1.65 MPa。

(4)基坑開挖至坑底后，應(yīng)加快建筑物地下部分施工，限制基坑側(cè)向位移，增加坑底荷載，有助于盾構(gòu)隧道位移恢復(fù)，減小基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響。