基坑開挖對既有地鐵區(qū)間隧道影響研究

韓 偉 王余鵬 石端文

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院 福建南平 353000；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430000)

0 引言

隨著我國城市群化范圍的擴大和軌道交通工程的大力發(fā)展，地鐵周邊建筑物集中，自然地質環(huán)境復雜，施工情況多變，人們對工程施工環(huán)境相關問題的當前研究大部分處在經驗總結的階段，而理論化、數(shù)字化、模型化的成果不多。

基于此，本研究針對廈門軌道交通1號線某站公交地塊配套項目基坑施工對既有區(qū)間隧道的影響，采用巖土專業(yè)有限元軟件(MIDAS GTS),按實際的施工工序進行模擬分析。土體采用莫爾庫倫模型，采用板單元模擬各支護結構構件，板單元尺寸的確定原則是抗彎剛度和抗壓剛度等效換算。MIDAS/GTS在模擬支護結構時能考慮結構和土體的協(xié)同作用，實現(xiàn)對支護結構的受力分析，并結合施工現(xiàn)場監(jiān)控量測的結果對既有區(qū)間隧道的影響進行分析，可以省時省力地研究隧道互相穿越的工程實踐[1]。

1 項目概況

項目場地位于廈門市湖濱南路以南，場地中部沿西南至東北向為某站在建區(qū)間隧道，采用明挖法施工，開挖寬度約為17m～21m。地鐵區(qū)間穿過整個地下室，將地下室斜向劃分成左右兩部分，地鐵區(qū)間上方為單層地下室，橫跨地鐵區(qū)間，連接了地鐵區(qū)間左右兩側的配套項目地下室負二層。基坑西北區(qū)開挖深度12.7m(主樓區(qū)域 13.7m)，分兩期施工，即南側一期基坑和北側二期基坑。區(qū)間明挖段基坑分為3個獨立基坑，即 1#、2#、3#基坑，其中1#基坑為區(qū)間物業(yè)開發(fā)段基坑，2#基坑為地塊內“坑中坑”開挖基坑，3#基坑為地塊內垂直開挖基坑，如圖1所示。

圖1 基坑總平面圖和地鐵隧道明挖基坑平面圖

1.1 基坑內區(qū)間概況

1#基坑主體結構為地下兩層，周邊建筑物較多，由于管線遷改需要，1#基坑大里程端約 6m 長度范圍內采用頂板逆作法施工。2#基坑位于配套項目地塊一期基坑內，一期基坑除放坡開挖部分，其余部分先整體開挖至標高-7.1m，然后進行地鐵隧道基坑開挖，地鐵區(qū)間圍護及主體結構完成并回填密實后，進行地塊基坑的二次開挖。由于二次開挖緊鄰隧道基坑，因此將對地鐵隧道結構變形與位移產生一定影響。3#基坑位于配套項目地塊二期基坑內，二期基坑由于受到拆遷影響[2]，地鐵隧道基坑先期從地表垂直開挖，開挖深度19.78m，待圍護及主體結構完成并回填密實后，再進行兩側地塊基坑開挖。由于二次開挖緊鄰隧道基坑，因此將對坑內地鐵隧道結構和坑外盾構始發(fā)井的變形與位移產生一定影響。配套地塊基坑開挖完成后進行上部主體結構及其余樁基施工時，上部結構的基礎工程及主體工程均會對已完成施工的地鐵隧道結構產生一定變形影響。

地鐵隧道基坑圍護結構剖面圖如圖2所示。

圖2 地鐵隧道基坑圍護結構剖面圖

1.2 場地地質

1 素填土、2 淤泥、3-1 粉質黏土、3-4 粗砂、4淤泥質土、8-1 淤泥質粉質粘土、11-1 殘積礫質黏性土。對應各土層物理力學性能指標如表1所示。

表1 各土層物理力學性質指標

1.3 場地地下水

場區(qū)地下水主要為孔隙式潛水、孔隙式風化帶裂隙承壓水。場區(qū)內水性較好，富水性較好。

2 建立有限元模型及數(shù)值模擬計算結果分析

2.1 項目地塊一期基坑

采用平面應變模型分析基坑開挖和上部結構施工對優(yōu)先建設的地鐵隧道區(qū)間影響。由于開挖基坑較大，選取2#基坑A-A斷面(圖3)模擬地塊基坑開挖寬度按隧道區(qū)間兩側40m考慮，左側圍護樁深度約15m，右側圍護樁深度約17m；地鐵區(qū)間基坑開挖寬度為15.8，圍護樁深度為14.1m。地塊基坑坑外土體計算范圍按20m考慮，據此取計算模型尺寸為135.8m長，53m深。圍護樁、橫撐、隧道襯砌采用梁單元模擬，分析中選用三角形與四邊形進行網格化分。

材料參數(shù)如表2所示，具體模型如圖4所示。

表2 材料計算取值參數(shù)表

圖3 一期基坑 A-A 橫斷面示意圖

圖4 計算模型

采用MIDAS GTS NX 有限元分析軟件進行二維分析計算，結果如下：

(1)配套地塊基坑初始開挖至坑底

地塊基坑開挖至標高為-7.1m 時，基坑開挖深度為9.4m。計算結果如圖5所示，北側最大變形量為10.4mm，南側最大變形量為 5.25mm，坑內土體最大變形量23.2mm。

圖5 地塊圍護樁水平位移圖

(2)地鐵基坑開挖至坑底

地鐵基坑開挖至坑底標高為-15.5m時，開挖深度為8.4m，計算結果如圖6所示，北側最大變形量為 7.51mm，南側最大變形量為7.36mm，坑內土體最大變形量6.87mm。

圖6 地鐵圍護樁水平位移圖

(3)地塊二次開挖對已完成結構的影響

配套地塊基坑北側二次開挖至標高-10.4m時，基坑二次開挖深度為3.3m，南側不進行二次開挖。計算結果如圖7、圖8所示，地鐵隧道結構左線最大變形量2.74mm，右線最大變形量1.78mm，隧道最大變形量位移為1.26mm。

圖7 隧道結構水平位移

圖8 隧道結構豎向位移

(4)配套項目主體結構對地鐵隧道結構的影響

配套項目主體結構的自重荷載將通過主體結構樁基礎傳遞至周圍土體，進而對鄰近的地鐵隧道結構產生變形影響。計算結果如圖9～圖10所示，地鐵隧道結構左線最大變形量2.87mm，右線最大變形量 2.78mm，隧道最大變形量為-7.30mm。

圖9 隧道結構水平位移圖

圖10 隧道結構豎向位移圖

本研究模型建立和分析，選取最不利情況進行模擬，驗證地塊基坑二次開挖和上部結構建設對地鐵隧道結構的影響[4]。結果表明，地塊基坑二次開挖，使地鐵隧道結構產生的水平位移最大值為2.74mm，豎向最大變形量為1.26mm，滿足控制標準；配套項目主體結構施工，使地鐵隧道結構產生的水平位移最大值為2.87，豎向最大變形量為-7.30mm，滿足隧道結構變形標準。

2.2 文灶站公交地塊二期基坑

選取如圖11所示的基坑B-B橫斷面進行分析，采用平面應變模型分析基坑開挖和上部結構施工對優(yōu)先建設的地鐵隧道區(qū)間影響[5]。模擬地塊基坑開挖寬度按隧道區(qū)間兩側50m考慮，左側圍護樁深度約20.3m，右側圍護樁深度約13.8m；地鐵區(qū)間基坑開挖寬度為15.8m，深度為19.18m，地下連續(xù)墻深度為28.18m。地塊基坑坑外土體計算范圍按10m考慮，據此取計算模型尺寸為135.8m 長，53m 深。圍護樁、地下連續(xù)墻、橫撐分析中，選用三角形與四邊形進行網格化分，具體模型如圖12所示。

材料參數(shù)如表 3所示。

圖11 二期基坑 B-B 橫斷面示意圖

表3 材料計算取值參數(shù)表

具體模型如圖12所示。

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

計算結果如下：

(1)地鐵隧道基坑及配套項目上部結構樁基礎施工

地鐵基坑開挖至坑底標高為-16.9m處，基坑開挖深度19.2m，不考慮施工過程中土體的壓密整平，計算結果如圖13所示，隧道左線一側基坑圍護地下連續(xù)墻最大水平位移為16.2mm，隧道右線一側地下連續(xù)墻最大水平位移均為16.1mm，坑內土體最大豎向位移38.1mm。

圖13 地下連續(xù)墻水平位移

(2)地塊基坑開挖對隧道結構的影響

地塊基坑開挖至標高為-10.4m處，開挖過程逐步拆除地鐵基坑橫撐及地下連續(xù)墻，基坑北側設裙邊加固，東側設預應力錨索加固[6]。計算結果如圖14、圖15所示，地鐵基坑兩側土體開挖并拆除橫撐后，隧道結構均產生向地鐵基坑內側位移。隧道左線結構最大水平位移為4.33mm，隧道右線結構最大變形量-4.15mm，隧道結構最大豎向位移為5.81mm。

圖14 隧道結構受開挖影響水平位移圖

圖15 隧道結構受開挖影響豎向位移圖

(3)配套項目主體結構施工對隧道結構的影響

計算結果如圖16所示，基坑北側裙邊加固土體的開挖及主體結構荷載作用對隧道結構變形均產生了一定影響，隧道左線、右線均產生了偏向北側水平位移。隧道左線結構最大變形量4.03mm，隧道右線結構最大變形量-6.09mm，坑內土體最大豎向位移為-7.66mm。

圖16 隧道結構受開挖影響豎向位移圖

本次模型建立選取最不利情況進行模擬，以驗證地塊基坑開挖和上部結構建設對地鐵隧道結構影響。結果表明，配套項目基坑開挖使地鐵隧道結構產生的水平位移最大值為4.33mm， 豎向最大變形量為 5.81mm，滿足控制標準；配套項目主體結構施工使地鐵隧道結構產生的水平位移最大值為6.09mm，豎向最大變形量為-7.66mm，滿足隧道結構變形標準。

2.3 地鐵周邊地塊基坑

模型長200m，寬150m，高40m，共291 775個單元。模擬范圍內明挖基坑結構長140m，矩形隧道結構尺寸為6.75×6.00m，地面超載 20kPa。為減小模型規(guī)模，本次僅選取北側基坑分析。重點研究建筑基坑開挖對明挖基坑圍護結構的影響。鉆孔樁和地連墻根據剛度等效原則進行折減，采用板單元模擬；基坑大小及支撐布設及參數(shù)設置，均按照圖紙實際情況進行模擬。材料、土體參數(shù)同表1。計算模型的尺寸和位置關系如圖17、圖18所示。計算結果如下：

圖17 計算模型

圖18 基坑圍護結構示意圖

(1)地鐵隧道基坑開挖

地鐵基坑開挖至坑底，不考慮施工過程土體的壓密整平，計算結果如圖19～圖21所示，隧道左線側基坑圍護地下連續(xù)墻、隧道右線側地下連續(xù)墻最大水平位移分別為為9.16mm 和5.66mm，坑內土體最大變形量56.0mm。

圖19 水平位移圖

圖20 豎向位移圖

圖21 地鐵隧道基坑地下連續(xù)墻水平位移圖

(2)地塊基坑開挖至-10.4m

地塊基坑開挖至標高-10.4m 處，開挖過程逐步拆除地鐵基坑橫撐及地下連續(xù)墻，基坑北側設裙邊加固，東側設預應力錨索加固[8]。計算結果如圖22～26所示，地塊內基坑開挖對坑外地鐵盾構始發(fā)井影響較小，基坑外部地鐵區(qū)間地下連續(xù)墻結構水平最大變形量2.85mm，豎向最大變形量0.85mm，盾構始發(fā)井地下連續(xù)墻結構水平最大變形量0.87mm。

圖22 水平位移圖

圖23 豎向位移圖

圖24 盾構始發(fā)井受開挖影響水平位移

圖25 盾構始發(fā)井受開挖影響豎向位移

圖26 盾構始發(fā)井受開挖影響水平位移包絡圖

本次模型建立，選取最不利情況進行模擬，驗證地塊基坑開挖對地鐵隧道結構的影響。由于模型截取問題，隧道局部結構無法建立橫撐，位移較大，該處位移數(shù)據不做分析。

結果表明，地塊基坑開挖使地鐵盾構始發(fā)井結構及地鐵隧道結構產生的水平位移最大值為0.87mm，豎向最大變形量為0.85mm，滿足控制標準。

3 基坑監(jiān)測

基于配套項目基坑開挖深度深、面積大、土方量大，周期長，為確保施工安全，保證開挖的順利進行，及時獲取基坑開挖過程中圍護結構及周圍土體的受力與變形情況，從而有效地指導施工[9]，計算與監(jiān)測結果如表4所示。

表4 圍護結構及周圍土體的受力與變形計算 與監(jiān)測結果分析表 mm

表4中的支護結構比計算結果偏大，可采取加大鋼支撐預加軸力、減少鋼支撐間距等措施減小支護結構變形。基坑工程水平變形報警值應根據基坑工程的實際情況針對性地取值，建議取控制值的80%作為監(jiān)測報警值。配套項目基坑工程施工期間應補充區(qū)間隧道專項監(jiān)測方案，完善隧道變形的應急預案，對已建隧道進行實時動態(tài)監(jiān)測，根據監(jiān)測結果信息化指導現(xiàn)場施工，確保隧道安全[10]。

4 結語

基坑開挖面積大將產生顯著的卸荷效應，引起坑內土體產生變形移動，在此影響下，先期施工的地鐵隧道區(qū)間將產生一定的豎向和水平位移。

本次模型建立和分析，選取最不利情況進行模擬。從計算結果來看，2#基坑二次開挖，使地鐵隧道結構產生的水平位移最大值為2.74mm， 豎向最大變形量為1.26mm，滿足控制標準；主體結構施工，使地鐵隧道結構產生的水平位移最大值為2.87mm，豎向最大變形量為-7.30mm，滿足隧道結構變形標準。

數(shù)值模擬計算最大變形量23.2mm與實際監(jiān)測結果28.9mm基本吻合，且滿足《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》(QCR9218-2015)的結構允許最大變形量30mm的限值要求[11]。但由于支護結構的內力和位移影響因素的復雜性，模擬計算條件與實際條件之間差異，以及施工過程和巖土參數(shù)的影響差異，計算值和測量值之間存在一定偏差[12]。

明確監(jiān)控預警指標并強化場地基坑實時監(jiān)測，實現(xiàn)信息化施工，進行動態(tài)設計或增加工程措施，做好應急預案，可以確保基坑及建構筑物安全。