側方基坑開挖對盾構隧道的影響研究

聶 浩 張 康 鹿 江 卜慶源 周雨陽 杲 昊

(1. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,山東濟南 250001;2. 濟南軌道交通集團有限公司,山東濟南 250001)

隨著城市軌道交通的快速發展,地下隧道與基坑工程的相對距離也越來越近。 為保證城市軌道交通建設與運營的安全,進行基坑開挖對既有盾構隧道的影響研究顯得十分重要[12]。

目前,國內學者利用數值計算的方法對既有軌道交通上方基坑開挖進行了大量研究。 蔡建鵬[3]分析了基坑開挖卸荷再加載對下臥隧道的影響,并據此提出結構優化方案。 曹前[4]計算了基坑開挖后下臥隧道的變形及內力,提出可采用分倉開挖方式降低其影響。 高強[5]認為:采用分槽、分段、分層、對稱開挖方式,可有效控制坑底土體隆起及下臥隧道的變形。 李輝[6]認為:可通過隧道縱向變形曲率、螺栓的張開量及內力關系區分基坑開挖的影響區。 徐中華[79]等對基坑開挖巖土體本構模型及巖土體參數進行了適用性分析。 李志高[1011]等通過實測數據進行了基坑開挖對盾構隧道影響的分析,并針對基坑特點提出相應的工程措施。 張俊峰[12]利用數值計算與現場監測等方法,對上海軟土地區上臥基坑開挖進行綜合比較分析,得到基坑開挖后的變形特征。 以往研究中,基坑多處于隧道正上方,對于基坑位于盾構隧道側方的研究相對較少。

以濟南市某臨近地鐵隧道基坑開挖為背景,研究基坑放坡開挖對側方盾構隧道的影響。

1 工程概況

1.1 工程環境

擬開挖基坑頂部與鄰近區間隧道之間水平投影距離為10.6 m,基坑底部距隧道頂部的豎向投影距離為5.4 m,基坑開挖最深處距場坪地表約為8.30 m。 綜合技術與經濟條件,擬采用土釘放坡開挖的支護形式(按1 ∶0.3 放坡),共設置5 排土釘,土釘長度分別為9.0 m、9.0 m、12 m、12 m、7.5 m,豎向與橫向間距均為1.5 m,入射角為15°,采用直徑為110 mm 的土釘鉆孔。 基坑長約80 m,基坑長軸方向與區間隧道軸向近似平行,基坑與左右線隧道的平剖面相對位置關系如圖1 ～圖2。

圖1 基坑與隧道平面相對位置關系(單位:m)

1.2 工程地質概況

工程影響范圍內的巖土體主要為素填土、粉質黏土、殘積土、全風化及強風化閃長巖等,巖土體物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

場地地下水屬孔隙潛水,地下水位埋深較淺,豐水期水位接近地表。 地下水對地下結構的混凝土及鋼筋具有微弱腐蝕性。

1.3 基坑支護方案

圖2 剖面相對位置關系(單位:mm,高程:m)

該基坑的開挖深度相對較淺且距軌道交通區間隧道相對較遠,依據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》中外部作業工程影響分區劃分原則,可判定該工程處于一般影響區。 此時,盾構隧道已通過基坑位置,尚未進行鋪軌作業,區間隧道變形控制指標相對寬松。 綜合開挖技術條件與工程成本,擬采用土釘開挖支護形式。

根據地勘資料,施工期內地下水位埋深為2.10 ～3.70 m 之間,地下水較豐富。 為避免基坑施工降水對盾構隧道產生不良影響,采用了止水帷幕截水、回灌井補水等措施,以保證區間隧道周圍區域大體處于原地下水環境。

2 數值分析

2.1 模型建立

依據隧道與基坑的空間位置關系,利用FLAC3D建立三維有限元計算模型。

綜合考慮模型計算效率與影響,取模型X 向范圍為85.8 m;區間隧道距模型底部長度取3 倍左右洞徑長度,則模型Z 向長度為33 m;模型尺寸為:X×Y×Z(長×寬×高)= 85.5 m×150 m×33 m,共有151 220個單元,159 396個節點。 計算模型如圖3 所示。

采用Mohr-Coulomb 結構模型的實體單元模擬,錨桿采用內置cable 結構單元模擬,坡面噴混采用shell結構單元模擬[13],支護結構與盾構管片的相對位置如圖4 所示。

圖3 基坑計算模型

模型上邊界采用自由邊界,模型前、后、左、右采用垂直于模型表面的水平位移約束,模型底部采用豎向位移約束[14]。

2.2 模擬過程

(1)盾構隧道開挖

依據盾構機施工特點對盾構隧道進行開挖模擬。先利用null 模型模擬距基坑較近一側的隧道,然后再進行另一側隧道的開挖模擬。

(2)基坑開挖支護

按照實際開挖工況,利用null 模型模擬基坑的分層開挖,基坑開挖與支護之間的時間間隔利用計算步控制,直至開挖至坑底。

(3)基坑內施工

當基坑開挖至底部時,在坑底施加逐步增大的建筑物等效面荷載,模擬基坑內建構筑物施工過程對盾構隧道的影響。

計算步如表2 所示。

表2 基坑施工模擬主要計算步

2.3 數值計算分析

(1) 盾構隧道開挖

盾構隧道與基坑開挖前的原巖應力場如圖5 所示,在不考慮構造應力場的前提下,原巖應力場呈層狀分布,這與計算基本假設中巖土體層狀分布相一致。

圖5 原巖應力場

在原巖應力的基礎上進行隧道開挖計算,左、右線盾構隧道開挖結束后模型計算結果如圖6 ～圖9所示。

圖6 盾構施工產生的豎向位移

圖7 盾構施工產生的管片豎向位移

圖8 盾構施工產生的豎向應力

圖9 盾構施工產生的管片豎向應力

(2)基坑開挖位移分析

在盾構隧道開挖結束的基礎上進行基坑開挖模擬,基坑開挖至坑底時模型位移如圖10 ～圖12 所示。

由圖10 ～圖12 可得,隨著施工步的逐步增加,靠近隧道側基坑邊坡的水平位移不斷增大,當開挖至坑底時,水平位移達到最大(2.41 cm)且發生在靠近隧道側邊坡居中位置處;隨開挖深度的增加,基坑周邊土體沉降不斷增大,開挖至基坑底部時位移達到最大值(4.23 mm)。

圖11 開挖第十步地層X 向變形

圖12 開挖引起的基坑周邊巖土體節點位移

基坑開挖至坑底時管片位移如圖13 ～圖14所示。

圖13 基坑開挖引起的盾構管片豎向位移

圖14 基坑開挖引起的盾構管片X 向位移

基坑開挖后,巖土體應力產生變化。 由于邊坡側向剛度較小,邊坡產生了較大的水平位移,靠近基坑側管片也產生一定的水平位移(最大達5.24 mm)。 由于基坑位于盾構隧道的側上方,盾構隧道周圍節點的位移以水平向為主,故基坑開挖后盾構隧道豎向變形較小,最大隆起位移僅為1.11 mm。 因基坑距離盾構隧道最近位置為拱肩處,故基坑開挖后隧道拱肩變形較大。

為驗證基坑開挖的影響,對基坑開挖過程中盾構管片拱腰水平位移、拱頂豎向位移進行了監測,監測點沿隧道軸向每隔2 m 設置一個。 由圖13、圖14 可知,模型中心位置處水平位移較大,故在模型中間位置處沿隧道管片環向布設監測點-8 至8,監測位置及監測結果如圖15 ～圖17 所示。

圖15 管片位移測點位置

圖16 拱腰監測點水平位移變化曲線

圖17 拱頂監測點豎向位移變化曲線

基坑開挖后,(沿管片軸向)拱腰處水平位移擬合曲線如圖16 所示,由曲率半徑公式

計算得水平向管片最小曲率半徑為482 690 m,滿足相應規范要求[15]。

基坑開挖后,(沿管片軸向)拱頂豎向位移擬合曲線如圖17 所示,依據式(1),得管片在鉛垂方向上的最小曲率半徑為5 274 968 m,滿足相應規范要求。

基坑內結構施工前,管片節點位移最大(見圖18)。

圖18 環向監測點位移

由圖18 可知,最大水平位移監測點位于拱肩位置處,拱肩位置處監測點隨開挖步的變化規律如圖19 ～圖20 所示。

圖19 水平位移變化曲線

其中計算步1 到10 為基坑開挖過程,計算步11 為地面以下建筑物完成過程,計算步12 為整棟建筑物完成過程。

圖20 豎向位移變化曲線

由圖19、圖20 可知,各監測點的水平變化規律相同,但豎向變化規律存在一定的差異,即拱頂節點豎向變化不大,距離拱頂越遠,豎向位移變化越明顯。

綜上可得:

①基坑中部拱腰位置水平位移量最大(達4.78 mm),并以此為中心呈對稱分布(逐漸減小),當距離中心70 m 后曲線趨于平緩。

②在隧道中心處拱頂上浮0.09 mm,遠離中心則拱頂上浮逐漸減小,當距離基坑中部位置約30 m 時,拱頂上浮量為零。 隨距離的增大,拱頂恢復沉降,直至增加至0.6 mm,并趨于穩定。

③拱肩位置(即隧道靠近基坑側中上部位置處)管片水平位移最大(達5.18 mm),以此監測點為中心,兩側水平位移逐漸減小,接近拱底位置時變形趨于穩定。

(3)基坑開挖后管片應力分析

基坑開挖打破了隧道開挖后形成的二次應力平衡,進而導致盾構管片應力調整,以下對三次應力平衡下盾構管片應力進行分析。

圖21 管片豎向應力

圖22 管片X 向應力

由圖21、圖22 可得:

①數值計算過程是以自重應力為主,故隧道結構承受以豎向應力為主的外部荷載,基坑開挖引起應力調整,沿隧道與基坑直線方向存在卸荷作用,但由于距離較遠,影響相對較小,隧道結構最大豎向壓應力仍發生在拱肩位置處,最大值為3.58 MPa,未超過盾構管片材料的抗壓強度。

②計算過程中隧道結構主要承受豎向應力,X 向應力相對較小,其主要存在于拱頂、拱底位置,最大X向應力為1.69 MPa,未超過盾構管片材料的抗壓強度。

3 現場監測分析

3.1 監測內容及測點布設

為保證基坑開挖過程中盾構隧道的安全性,在基坑開挖影響區域內對盾構上地表、隧道斷面拱頂、隧道凈空收斂進行動態觀測。 依據工程特點,每間隔20 m 設置一處觀測斷面,每個觀測斷面均包含地面沉降觀測、拱頂沉降觀測、拱腰凈空收斂觀測以及隧道管片底部隆起觀測,具體觀測斷面測點布設如圖23 所示。

圖23 觀測點布設示意

3.2 監測分析

由圖23 可知,基坑開挖對隧道右線影響相對較小,故重點分析隧道左線觀測點的變化規律,如圖24 所示。

由圖24 可知,基坑中部位置處管片拱腰收斂量最大(為4.59 mm),較數值計算結果(4.78 mm) 小0.19 mm,而且管片拱腰位置處隨基坑開挖過程的變形規律與數值計算結果一致:即隨基坑開挖深度的增加,拱腰位置處管片水平位移逐漸增大,當施作基坑內部結構后,管片位移具有減小的趨勢。

圖24 拱腰水平累計收斂觀測值隨時間變化曲線

依據觀測數據統計可得,靠近基坑側隧道拱頂累計沉降量最大(為3.7 mm),觀測范圍內盾構隧道拱頂平均沉降量為0.045 mm,豎向位移平均日變化量為0.142 mm/d。 基坑開挖對盾構管片影響相對較小。

4 結論

(1)基坑開挖會引起盾構管片的位移,盾構管片水平位移最大為5.24 mm,管片最大豎向位移為1.17 mm, 靠近基坑一側模型中部拱肩位置管片變形最大,兩側逐漸減小并趨于穩定。

(2)基坑開挖引起周邊地層產生沉降,最達沉降量為4.23 mm,發生在靠近盾構管片一側的基坑處。

(3)基坑開挖引起的應力卸荷作用對盾構管片影響相對較小,豎向應力最大部位仍為拱肩位置,其最大值為3.58 MPa,未超過管片結構材料的強度。