南寧第三系泥巖深基坑開挖對緊鄰地鐵隧道影響

李結(jié)全,歐孝奪

(1.廣西瑞宇建筑科技有限公司,南寧 530003;2.廣西大學 土木建筑工程學院,南寧 530004)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷加快,地鐵作為現(xiàn)代交通工具在許多二線城市逐漸走進人們的日常生活，地鐵隧道的安全成為工程人員關(guān)注的焦點。基坑開挖卸荷將引起坑外土體產(chǎn)生變形,由此將導致鄰近的地鐵隧道產(chǎn)生變形和附加應力,進而威脅地鐵線路的安全[1-3]。可以看出,緊鄰地鐵線路的基坑工程施工,不僅要保證基坑工程自身的安全,還需要控制由于基坑開挖卸荷引起的周圍地層的變形,降低開挖對鄰近隧道的影響。這說明緊鄰地鐵隧道的基坑工程的設計計算,需要從穩(wěn)定性控制設計轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂圃O計[4]。

目前基坑開挖對鄰近隧道影響的研究主要在以下幾方面[5-10]： 胡琦等[11]分析了卸荷擾動對土體工程特性的影響,結(jié)合有限元軟件分析了軟粘土地區(qū)基坑工程施工對于鄰近地鐵隧道的影響, 并提出了坑底及周圍土體的加固措施以減小基坑施工對鄰近隧道的影響。 左殿軍等[12]運用ABAQUS有限元軟件, 分析了深圳某基坑土體開挖卸荷對鄰近隧道的影響, 并在分析時考慮隧道襯砌與土體的相互作用。 姜兆華等[13]根據(jù)重慶臨江門巖質(zhì)深基坑開挖數(shù)值模擬計算結(jié)果, 認為受連續(xù)介質(zhì)及隧道幾何形態(tài)的影響, 隧道會改變位移場傳遞的方向, 并且豎直方向改變大于水平方向, 主要表現(xiàn)為橫向變形, 隧道具有明顯的偏壓效應。 可以看出, 在沿海軟粘土地區(qū)的基坑開挖對于鄰近地下隧道的影響研究方面較為充分, 其變形機理也得到了全面的理解[14-16]。 同時, 相關(guān)工程經(jīng)驗也得到了充分的積累,相關(guān)地鐵隧道的變形控制標準也逐步完善,如上海地區(qū)規(guī)范要求地鐵兩側(cè)3 m范圍內(nèi)不能進行任何工程活動,隧道結(jié)構(gòu)絕對沉降量不能超過20 mm。對于軟粘土地區(qū)基坑,其圍護結(jié)構(gòu)一般具有內(nèi)支撐,且地下水位較高,基坑降水、開挖引起的周圍土體變形較大。與這些地區(qū)相比,南寧地區(qū)的地鐵建設工作剛剛起步,且地質(zhì)、水文條件與軟粘土地區(qū)有較大差別,基坑圍護形式也不同于軟土地區(qū), 常采用樁錨或者土釘?shù)戎ёo形式。 由于南寧地區(qū)還沒有類似工程經(jīng)驗,基坑開挖引起鄰近隧道變形的機理尚不明確, 相關(guān)的變形控制標準還未見出臺。 因此, 研究南寧地區(qū)基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響是保障南寧市地鐵建設安全的關(guān)鍵科學問題,對于推進南寧城市建設和城市化進程具有重要意義。

本文結(jié)合南寧華豐城深基坑工程項目,采用數(shù)值模擬的方法,研究了南寧地區(qū)基坑開挖對于地鐵區(qū)間隧道的影響,著重分析了鄰近隧道的變形與受力，這將對隧道基坑工程施工方案優(yōu)化、減小基坑施工工程量具有重要意義。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

1.1 工程概況

南寧華豐城項目位于泉南高速(G72)南寧市埌東收費站北側(cè)。 設4層地下室, 地下室開挖形成了深3.1～26.4 m的基坑,基坑形狀不規(guī)則, 周長976.10 m, 面積25 864.46 m2。 基坑邊界線與用地紅線間距為2.00～7.22 m。 根據(jù)周邊環(huán)境條件的不同, 本基坑共分為15個剖面進行支護, 采用樁錨、 懸臂樁、 復合土釘墻和土釘墻支護方案, 如圖1所示。

南寧軌道交通1號線埌東客運站—百花嶺站區(qū)間,軌面埋深約為修建后高坡嶺路路面下14.5～26.2 m(圖2)。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工,斷面為圓形,管片外徑為6.0 m、內(nèi)徑為5.4 m,壁

厚0.3 m,采用C50混凝土。與軌道交通1號線結(jié)構(gòu)較近的基坑段為圖1中所示D—G段,其中E—F段基坑距離隧道最近,最小距離為2.23 m。圖2中3—3′剖面即為 E—F段中的典型剖面,支護形式為懸臂樁+10排土釘墻支護。支護樁采用直徑為0.8 m的旋挖樁,樁間距為1.1 m,樁長為12.0 m,樁頂設1.0 m×0.7 m冠梁。土釘孔徑均為110 mm,桿體均采用25 mm的Ⅱ級鋼,傾角均為15°。由于該剖面標高為93.75 m處有一既有在用的排水箱渠,故上面第1、2排加密布置,水平間距為1.3 m,豎向間距為1.3 m,土釘長度為9.0 m;第3、4排水平間距為1.5 m,豎向間距為1.3 m,土釘長度為6.0 m;第5～10排水平間距為1.5 m,豎向間距為1.3 m,土釘長度為3.0 m。

1.2 地質(zhì)條件

3—3′剖面對應巖土層主要為第四系素填土、第四系殘積、沖洪積形成的粉質(zhì)粘土,下伏基巖為古近系強風化粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,中風化粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細砂巖,地質(zhì)剖面圖如圖3所示。根據(jù)勘測報告和試驗結(jié)果,確定E-F段剖面具體模型的物理力學參數(shù)如表1所示。

地下水主要是基巖裂隙水,對基坑和盾構(gòu)隧道的影響均較小, 所以在進行數(shù)值模擬分析時不考慮地下水的影響。

圖1 基坑與地鐵隧道平面關(guān)系圖Fig.1 Plane relationship between deep excavation and subway tunnel

圖2 E—F段剖面圖Fig.2 Profile of E-F section

圖3 E—F剖面地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Geological columns of E-F section

表1 各土層及結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)

2 模型建立

本文運用彈塑性有限元軟件Midas進行建模。 E—F段3—3′剖面長119.9 m, 基坑開挖寬度為98 m。 考慮邊界效應, 計算模型取長326 m、 寬298 m、 自地表60 m厚的巖土體作為分析范圍。 巖土體用實體單元進行模擬, 采用莫爾-庫侖模型。 邊界條件: 頂面為自由邊界, 側(cè)面為水平方向固定, 底面為水平和垂直方向都固定。 基坑頂?shù)缆飞宪囕v荷載取30 kPa。 模型如圖4a所示, 共有49 784個單元, 11 361個節(jié)點。 區(qū)間隧道均可直接通過析取單元功能來實現(xiàn),采用平面/板單元模擬(圖4b)。土釘采用植入式桁架單元模擬。為了方便建模,將直徑為0.8 m支護樁采用等剛度代換成強度為C30厚度為0.457 m的地下連續(xù)墻,采用平面/板單元進行模擬。完成網(wǎng)格劃分后具體支護結(jié)構(gòu)如圖4c所示。根據(jù)具體基坑施工步驟,設置施工步如表2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 基坑及隧道變形

基坑開挖至坑底引起的隧道、基坑土體、圍護結(jié)構(gòu)及土釘?shù)淖冃稳鐖D5所示。由于基坑內(nèi)部土體開挖卸荷,整個底層回彈,造成基坑坑底中心隆起,最大值為53.31 mm,邊坡產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移,最大值為27.04 mm,支護樁水平位移最大值為11.20 mm,第1、2排土釘?shù)淖畲笞冃螢?9.9 mm。區(qū)間左線隧道的最大位移為11.21 mm,X方向的位移為7.96 mm,Z方向的位移為8.69 mm,X、Z方向的位移為主要位移;區(qū)間右線隧道的最大位移為5.74 mm。左、右隧道的水平位移、豎向位移值均小于規(guī)范要求的報警值10 mm,故基坑挖對隧道的影響符合規(guī)范要求;但由于左隧道總位移量為11.21 mm,略大于規(guī)范要求的報警值10 mm。為了保證軌道交通隧道安全, 應對此區(qū)域加強支護結(jié)構(gòu),并增設監(jiān)測點, 在挖到坑底以及回填到101.0 m高程時加大監(jiān)測頻率。

圖4 有限元模型建立(3D)Fig.4 Finite element modeling

表2 施工步設置

基坑土體回填引起的隧道、基坑土體、圍護結(jié)構(gòu)的變形如圖6所示。由于土體回填造成區(qū)間左線隧道的最大位移為10.18 mm,X方向的位移為-4.61 mm,Z方向的位移為-9.70 mm,X、Z方向的位移為主要位移;區(qū)間右線隧道的最大位移為3.37 mm。基坑坑底中心發(fā)生沉降,沉降量為0.44 mm,邊坡向外位移為30.48 mm,支護樁水平位移最大值為15.68 mm。左、右隧道的水平位移、豎向位移值均小于規(guī)范要求的報警值10 mm,故土體回填對隧道的影響符合規(guī)范要求。

本基坑在施工過程中, 土體開挖卸荷、 回填加荷作用對鄰近軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的位移影響表現(xiàn)為: 開挖階段,軌道交通結(jié)構(gòu)的位移以豎向位移為主, 水平位移略小, 開挖到基坑底時達到最大值(豎向位移為上浮8.69 mm, 水平位移為向坑內(nèi)7.96 mm); 回填階段均改變方向位移, 回填完成后達到最大值(豎向位移為下沉9.70 mm, 水平位移為向坑外4.61 mm),以豎向位移為主。

3.2 裂縫寬度驗算

通過數(shù)值模型計算, 可以得到隧道拱頂、 側(cè)墻、 仰拱的彎矩和軸力, 根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2016)[17]可以得到偏心受壓情況下隧道管片的產(chǎn)生的裂縫寬度。 左隧道的計算結(jié)果如表3所示。

圖5 基坑開挖到底變形圖(3D)Fig.5 Deformation of foundation pit excavation completion

圖6 基坑回填完成變形圖(3D)Fig.6 Deformation of foundation pit backfilling

計算結(jié)果表明,南寧華豐城深基坑工程施工引起區(qū)間左隧道結(jié)構(gòu)裂縫寬度均小于地鐵、隧道變形控制標準要求的0.2 mm,滿足規(guī)范要求。

同時, 本文還建立了3—3′剖面的2D模型進行對比分析, 土體開挖引起的隧道位移云圖如圖7所示。 2D模型計算得到的土體開挖引起的坑底中心隆起為44.31 mm。 左線隧道的最大位移為9.35 mm, 右線隧道最大位移為4.81 mm, 略小于3D模型計算得到的位移, 這主要是由于2D模型不能反映實際基坑工程的空間效應，同時2D模型計算結(jié)果也驗證了3D模型的合理性，但由于2D和3D模型計算結(jié)果均接近報警值,所以在施工過程中應委托有資質(zhì)單位對隧道結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測,如位移超過報警值,應立即采取有效措施,確保區(qū)間結(jié)構(gòu)安全。

圖7 基坑開挖到底變形圖(2D模型)Fig.7 Deformation of foundation pit excavation completion

4 結(jié) 論

本文基于南寧地區(qū)具體工程實例,運用有限元軟件,建立了三維彈塑性基坑開挖對鄰近隧道影響的有限元模型,分析了基坑開挖及土體回填引起基坑周圍土體、基坑圍護結(jié)構(gòu)和隧道的變形,得到以下結(jié)論:

(1)在基坑施工過程中,土體開挖卸荷、回填加荷作用對鄰近軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的位移產(chǎn)生顯著影響,具體表現(xiàn)為:開挖階段,隧道的位移以向上的豎向位移為主,向坑內(nèi)的水平位移略小,開挖到基坑底時達到最大值11.21 mm;回填階段改變位移方向,回填完成后達到最大值,以豎向位移為主,最大值達到10.18 mm。

(2)深基坑工程施工同時還引起鄰近隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力,導致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,經(jīng)過計算,南寧華豐城深基坑工程施工引起的隧道裂縫寬度均小于地鐵、隧道變形控制標準的要求。

表3 左隧道裂縫寬度驗算結(jié)果

(3)對于基坑圍護結(jié)構(gòu)和鄰近隧道變形較大處,應加強支護結(jié)構(gòu),并增設監(jiān)測點,在基坑開挖至坑底以及回填到預定高程時加大監(jiān)測頻率，以便于及時全面掌握基坑和隧道變形情況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果的反饋情況，及時調(diào)整施工措施，確保工程安全。