臨近地鐵隧道深基坑開挖的影響分析

彭 晨

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 工程背景

新疆教育出版社信息樓基坑緊鄰地鐵1號線新疆大學(xué)站至二道橋站區(qū)間隧道，且在施工之前地鐵隧道已經(jīng)建成，基坑開挖及降水施工對地鐵區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形的影響是不可避免的。因此，為了盡量降低基坑開挖對臨近地鐵隧道附加變形和受力的影響，對基坑方案進(jìn)行評估，并且提出防護(hù)措施是十分必要的。烏魯木齊地鐵1號線是新疆維吾爾自治區(qū)的第一條地鐵線，本次分析評估將為今后本地區(qū)類似工程提供借鑒。

2 工程概況

2.1 新疆大學(xué)站至二道橋站區(qū)間概況

新疆大學(xué)站至二道橋站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，里程范圍YDK1+455.931～YDK2+463.382，區(qū)間線路長度1 007.451 m，線路中心線距離15.2 m～20.5 m，隧道內(nèi)徑為5 500 mm，管片厚度為350 mm,軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高-17.51 m～-19.28 m，隧道結(jié)構(gòu)底板埋深約18.7 m～20.47 m。區(qū)間主要穿越角礫層、中風(fēng)化泥巖層、中風(fēng)化砂巖層。

2.2 新疆教育出版社信息樓基坑概況

擬建工程總建筑面積11 000 m2，地下建筑面積1 800 m2，地下1層，地面上13層，高度為56 m，寬度為14.9 m，長度為55.3 m，結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架剪力墻，基礎(chǔ)類型為閥板基礎(chǔ)。新疆教育出版社信息樓工程基坑深度9.0 m～11.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑800 mm，間距1 600 mm鉆孔灌注樁，圍護(hù)樁樁頂位于地面以下2 m，圍護(hù)樁嵌固深度4 m，采用C30混凝土。設(shè)置1道～2道錨索，錨索長度均為10 m，其中錨固段5 m，自由段5 m。

地鐵隧道已施工完成，新疆教育出版社信息樓基坑開挖遲于臨近地鐵隧道施工。基坑開挖范圍內(nèi)，地鐵隧道埋深為12.6 m～13.5 m，距離基坑邊緣最近距離為11.07 m。圖1為新疆教育出版社信息樓基坑與地鐵隧道平面關(guān)系圖。

3 計(jì)算模型說明

3.1 工程影響分析

基坑開挖對臨近隧道區(qū)間影響的分析方法主要有三類：1)經(jīng)驗(yàn)法；2)整體數(shù)值分析法；3)位移控制有限元法。其中，整體數(shù)值分析法是把基坑開挖施工過程和臨近建(構(gòu))筑物作為一個相互作用的整體來分析，可以用來分析基坑開挖各階段臨近建(構(gòu))筑物的反映性狀，通常借助于大型商業(yè)有限元軟件，采用整體數(shù)值分析方法進(jìn)行分析計(jì)算，其能夠比較合理地模擬基坑開挖復(fù)雜的施工過程，以及基坑開挖引起周圍土體介質(zhì)的位移特性和隧道與基坑的相互作用。

通過新疆教育出版社信息樓基坑工程圍護(hù)樁施工、基坑開挖打設(shè)錨索施工階段數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果判定基坑開挖對已施工完成的地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，包括對地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的影響等，并對新疆教育出版社信息樓基坑工程施工提出合理化建議，確保已施工地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全。

3.2 有限元分析

本文采用Midas Gts NX軟件進(jìn)行計(jì)算分析，盾構(gòu)隧道施工、基坑開挖及支護(hù)施工工序共13步:第1步：計(jì)算初始水壓力；第2步：計(jì)算初始應(yīng)力場；第3步：第一次位移清零；第4步：盾構(gòu)隧道施工；第5步：第二次位移清零；第6步：第一次降水施工；第7步：基坑放坡段開挖及圍護(hù)樁施工；第8步：第二次降水施工；第9步：基坑第二層開挖及錨索施工；第10步：第三次降水施工；第12步：基坑第三層開挖及錨索施工；第12步：第四次降水施工；第13步：開挖至基坑底。

3.3 計(jì)算模型及參數(shù)選用

在計(jì)算模型范圍內(nèi)，多個地層分界線為曲線，考慮到建模的難度和在用數(shù)值模擬計(jì)算過程中，土層分界過多會影響計(jì)算結(jié)果的分析。因此，在模擬的過程中，地層分界線曲線處地層進(jìn)行直線化簡化。簡化后的土層能很合理地反映在整個模型中地層的分布情況。本計(jì)算模擬新疆教育出版社信息樓11.5 m深基坑開挖，打設(shè)2道錨索對已施工地鐵隧道的影響，采用二維模型計(jì)算，按照長寬160 m×60 m建立模型。盾構(gòu)管片、圍護(hù)樁采用一維梁單元模擬，錨索采用一維植入式桁架單元模擬，地層采用修正摩爾庫侖彈塑性本構(gòu)模型。地面超載取20 kPa。表1為土層參數(shù)表，表2為各類支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表。

表1 土層參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑開挖對已施工地鐵隧道的變形影響及內(nèi)力分析

地鐵隧道外徑6.2 m，埋深12.6 m，距離基坑邊緣11.07 m，采用殼單元模擬地鐵隧道。初始應(yīng)力場計(jì)算采用K0系數(shù)計(jì)算確定，同時考慮了臨近保護(hù)地鐵隧道對初始應(yīng)力場的影響，初始應(yīng)力場及基坑變形云圖如圖2～圖5所示。

4.2 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算分析可知，地鐵隧道的變形及內(nèi)力隨基坑開挖深度的增加而增大，且最大變形及內(nèi)力發(fā)生在開挖至基底的工況，引起的地鐵隧道左線區(qū)間地層水平方向位移為1.98 mm，豎向位移3.84 mm；引起的地鐵隧道右線區(qū)間地層水平方向位移為1.41 mm，豎向位移1.45 mm。基坑開挖施工引起的地鐵隧道管片彎矩、剪力、軸力變化量分別為彎矩變化28 kN·m，剪力變化25 kN，軸力變化17 kN。

4.3 地鐵隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

因城市軌道交通的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)與結(jié)構(gòu)類型、地層等有關(guān)，控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按具體工程條件具體分析。本次控制標(biāo)準(zhǔn)主要參考國內(nèi)北京、上海、廣州等城市軌道交通結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，擬建基坑鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平、豎向位移控制值不大于10 mm，預(yù)警值不大于5 mm。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)有限元模擬計(jì)算，按照目前的設(shè)計(jì)，基坑開挖引起地鐵隧道的豎向及水平位移均在控制值范圍之內(nèi)，隧道內(nèi)力變化滿足隧道管片承載力的要求。為了嚴(yán)格控制基坑的變形，保證地鐵隧道的安全，并對臨近基坑開挖、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工提出如下建議：

1)基坑錨索端部位于隧道輪廓周圍3 m范圍之外，錨索施工過程中務(wù)必保證錨索端部不侵入隧道輪廓周圍3 m范圍；

2)建議基坑開挖到錨索施工位置時，應(yīng)及時施作錨索結(jié)構(gòu)，減少靠近地鐵隧道一側(cè)基坑土體暴露時間，從而降低基坑開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響；

3)基坑施工過程中在地鐵區(qū)間隧道兩側(cè)10 m范圍的場地內(nèi)材料、渣土堆載高度不超過1 m，樁基成孔過程中應(yīng)采取措施確保不塌孔，加強(qiáng)施工中現(xiàn)場施工管理，及時高效的向相關(guān)單位傳遞相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)；

4)對基坑施工區(qū)域范圍內(nèi)地鐵區(qū)間隧道管片、軌道進(jìn)行監(jiān)測，對周邊建構(gòu)筑物和路面按要求布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測地面變形情況，加強(qiáng)施工中現(xiàn)場施工管理，及時高效的向相關(guān)單位傳遞相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并應(yīng)在基坑施工時，對基坑附近區(qū)間結(jié)構(gòu)加強(qiáng)現(xiàn)場巡查；

5)合理布置施工現(xiàn)場，不得將軌道交通隧道結(jié)構(gòu)邊線外5 m范圍內(nèi)的地面作為運(yùn)輸車道或材料堆場，確保軌道交通結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)外5 m施工附加荷載不大于20 kPa。