基坑開(kāi)挖與臨近地鐵隧道的相互影響

唐小雨，郝屹峰，范一丁，張毅磊

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度的加快，城市居民密度越來(lái)越大，地面上的交通已很難滿足人們的需求，這就促使了地鐵隧道的發(fā)展[1]。由于地鐵的出現(xiàn)，地鐵站周邊的土地迅速增值，促進(jìn)了以地鐵站為中心的城市群發(fā)展起來(lái)，進(jìn)而地鐵隧道附近出現(xiàn)了許多大而深的基坑工程[2]，這對(duì)地鐵的正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生了許多不利影響，同時(shí)地鐵持續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)荷載給臨近的基坑工程也帶來(lái)了一些安全隱患[3-5]。因此，本文對(duì)臨近蘇州軌道交通1號(hào)線的汽車西站基坑工程進(jìn)行有限元分析，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比分析，深入探究基坑開(kāi)挖與地鐵隧道之間的相互作用，以期為以后的實(shí)際工程提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

江蘇省蘇州市汽車西站基坑開(kāi)挖工程基坑近似矩形，基坑工程為地上2層，地下1～2層建筑，地下1層區(qū)東西向最長(zhǎng)約340 m，南北最寬約90 m；地下2層區(qū)東西向最長(zhǎng)約320 m，南北最寬約80 m。地下1層區(qū)基坑挖深為8.3 m，地下2層區(qū)基坑挖深為11.7 m。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣距離軌交1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間最近約18.3 m。軌交1號(hào)線該區(qū)段盾構(gòu)區(qū)間頂標(biāo)高為-9.8 m，底標(biāo)高為-16.8 m，直徑為6.2 m。東側(cè)東南角為已建軌交1號(hào)線蘇州樂(lè)園站6號(hào)出入口，該出入口前期采用SMW工法樁+鋼管內(nèi)支撐圍護(hù)，該基坑與軌道1號(hào)線剖面關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與軌道1號(hào)線剖面關(guān)系

2 數(shù)值模擬

2.1 建立有限元模型

對(duì)基坑與軌道交通1號(hào)線剖面進(jìn)行二維有限元分析。以該實(shí)際工程為依托，建立二維有限元模型，基坑右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與左側(cè)對(duì)稱，基坑長(zhǎng)50 m，深11.7 m。根據(jù)圣維南原理，深基坑開(kāi)挖的影響范圍是其深度的3～5倍[6]，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本文采用ABAQUS有限元分析軟件建立了尺寸為150 m×40 m的二維模型，模型左右邊界條件設(shè)置為約束x方向位移，下邊界條件設(shè)置為約束x和y方向位移，最終有限元模型如圖2所示。

圖2 基坑與軌道1號(hào)線有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)實(shí)際工程的地勘報(bào)告，該基坑工程共有7層土體，各土層力學(xué)參數(shù)如表1所示。地下連續(xù)墻、攪拌樁以及隧道襯砌均為混凝土結(jié)構(gòu)，在開(kāi)挖過(guò)程中視為彈性材料，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.3，密度為2 500 kg/m3。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

3.1 地下連續(xù)墻水平位移的對(duì)比

根據(jù)實(shí)際基坑工程開(kāi)挖步驟，選取3個(gè)關(guān)鍵工況的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別為：①開(kāi)挖第1層土地和設(shè)第1道支撐；②開(kāi)挖第2層土體和設(shè)第2道支撐；③開(kāi)挖至基坑底部。圖3～4分別表示地連墻水平位移在不同工況時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的變化情況。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 模擬數(shù)據(jù)

從圖3～4中可以看出，隨著開(kāi)挖深度的增加，地連墻的水平位移不斷增加，且監(jiān)測(cè)曲線和模擬曲線均表現(xiàn)為弓形，說(shuō)明設(shè)置的兩道支撐對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移起到明顯的抑制作用。對(duì)比兩者曲線可以發(fā)現(xiàn)，在工況相同時(shí)，模擬所得的地連墻最大水平位移均大于監(jiān)測(cè)值，且開(kāi)挖結(jié)束后模擬所得的地連墻最大位移發(fā)生在深度約為13 m處，最大位移為12.21 mm，而監(jiān)測(cè)值卻在約10 m處，最大位移為9.73 mm，分析模擬地連墻產(chǎn)生最大位移區(qū)域下移的原因可能是由于在實(shí)際基坑工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)右側(cè)設(shè)置了長(zhǎng)為8.4 m，直徑為2.4 m的三頭水泥土攪拌樁，這與地連墻、地墻兩側(cè)攪拌樁形成了剛度較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有效地限制了土體向坑內(nèi)移動(dòng)，而在模擬時(shí)，為簡(jiǎn)化模型，未考慮三頭水泥土攪拌樁的影響，致使模擬的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度小于實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，最終使得模擬的地連墻產(chǎn)生最大位移的區(qū)域有所下移。在工況相同時(shí)，模擬數(shù)據(jù)均大于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這對(duì)實(shí)際基坑開(kāi)挖工程具有一定的預(yù)測(cè)作用。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)后地表沉降對(duì)比

對(duì)地表沉降的研究，本文選取地鐵隧道側(cè)的地表為研究對(duì)象。圖5～6分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)后地表沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)。從圖5～6可以看出，監(jiān)測(cè)與模擬所得的最大沉降均發(fā)生在距離基坑10 m～15 m處，但監(jiān)測(cè)最大沉降為15.75 mm，而模擬最大沉降為6.84 mm，模擬所得的最大沉降明顯小于監(jiān)測(cè)結(jié)果，可能是由于模擬中各土層均為均質(zhì)土體，而實(shí)際工程中土體屬性較為復(fù)雜以及實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)儀表的架設(shè)、周邊車輛荷載的影響等，但是兩者曲線變化趨勢(shì)基本一致，均在距離基坑10～15 m處發(fā)生最大沉降且呈現(xiàn)為中間沉降大、兩邊沉降小的趨勢(shì)。

圖5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 模擬數(shù)據(jù)

綜上所述，雖然地連墻水平位移和地表沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在偏差，但是兩者數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致，這說(shuō)明本文建立的模型和材料參數(shù)的選取較為合理，能夠較為準(zhǔn)確的反映地下連續(xù)墻以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)后地表在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律。

4 基坑開(kāi)挖與臨近地鐵隧道的相互影響

4.1 基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道變形的影響

圖7為模擬所得各工況地鐵隧道位移值，圖8～9為放大變形系數(shù)后的地鐵隧道變形圖，其主要為研究基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道變形的影響，以確保地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。

圖8 左側(cè)隧道變形

圖9 右側(cè)隧道變形

從圖7可以看出，隧道的變形隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而增加，且隧道的水平、豎向位移及徑向收斂絕對(duì)值均未超過(guò)10 mm，均在預(yù)警值范圍內(nèi)，進(jìn)一步表明了本文模擬的合理性。從隧道各點(diǎn)的水平及豎向位移數(shù)據(jù)可以得出，兩個(gè)隧道在基坑開(kāi)挖過(guò)程中逐漸向坑內(nèi)移動(dòng)且逐漸下沉；無(wú)論是左側(cè)隧道還是右側(cè)隧道，水平位移均大于豎向位移，說(shuō)明位于基坑側(cè)方隧道的變形以橫向變形為主；距離基坑較近的右側(cè)隧道各點(diǎn)數(shù)據(jù)在開(kāi)挖過(guò)程中均大于左側(cè)隧道。從圖8～9可以看出，右側(cè)隧道的變形已呈現(xiàn)為斜向“鴨蛋狀”，而左側(cè)隧道變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于右側(cè)隧道，這充分證明地鐵隧道離基坑越近，越易受到基坑開(kāi)挖的影響，因此，需對(duì)地鐵隧道周邊環(huán)境進(jìn)行合理規(guī)劃，避免在地鐵隧道附近進(jìn)行基坑工程，同時(shí)對(duì)臨近地鐵隧道的基坑工程的變形進(jìn)行嚴(yán)格控制，以防止對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。

4.2 地鐵隧道對(duì)基坑開(kāi)挖的影響

為研究地鐵隧道對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，將基坑有隧道側(cè)的地連墻水平位移與無(wú)隧道側(cè)的地連墻水平位移進(jìn)行對(duì)比。圖10～11分別為基坑兩側(cè)的地連墻變形。

圖10 有隧道側(cè)地連墻變形

圖11 無(wú)隧道側(cè)地連墻變形

從圖10～11中可以看出，兩側(cè)的地下連續(xù)墻變形均呈拋物線狀，且均向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)。最大位移均發(fā)生在深度為12 m左右處，最大位移均在15 mm以內(nèi)，均在控制范圍內(nèi)。兩側(cè)地連墻水平位移無(wú)顯著差別，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位置有細(xì)微差距，有地鐵隧道側(cè)的地連墻頂部有向坑外移動(dòng)的趨勢(shì)，由對(duì)比結(jié)果可得，地鐵隧道對(duì)基坑開(kāi)挖的影響是較小的。但為保證地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，仍需嚴(yán)格控制有地鐵隧道側(cè)的基坑變形。

4.3 地鐵荷載對(duì)地連墻沉降的影響

參考前人研究成果[7]，列車荷載可以用一個(gè)激振力函數(shù)來(lái)模擬，具體表達(dá)式如下：

F(t)=A0+A1sinω1t+A2sinω2t+A3sinω3t

(1)

Ai=M0αiωi2

(2)

(3)

式中，A0為列車靜載；A1，A2，A3為振動(dòng)荷載；M0為列車簧下質(zhì)量；αi為正矢值；ωi為振動(dòng)圓頻率；v為列車運(yùn)營(yíng)速度；L為振動(dòng)波長(zhǎng)。

蘇州軌道1號(hào)線各參數(shù)別為M0=750 Kg,A0=80 kN,ν=80 km/h,L1=10 m,α1=3.5 mm,L2=2 m,α2=0.4 mm,L3=0.5 m,α3=0.08 mm[8]。由上述公式計(jì)算得到如圖12所示的列車振動(dòng)荷載時(shí)程曲線。

圖12 列車振動(dòng)時(shí)程變化曲線

圖13為列車振動(dòng)荷載下的地連墻頂部沉降。從圖13中可以看出，地連墻頂部沉降量隨著地鐵振動(dòng)荷載的波動(dòng)而上下波動(dòng)，沉降量波動(dòng)范圍在6.02～6.61 mm，而未施加地鐵振動(dòng)荷載沉降量為6.4 mm，說(shuō)明地鐵振動(dòng)荷載會(huì)使地下連續(xù)墻產(chǎn)生上下浮動(dòng)的變化趨勢(shì)，且最大沉降量有所增加，表明地鐵振動(dòng)荷載在一定范圍內(nèi)不利于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制。

圖13 地鐵振動(dòng)荷載下的地連墻沉降

5 結(jié) 論

1)模擬所得的地連墻最大位移發(fā)生在深度13 m處，最大位移為12.21 mm,而實(shí)際工程卻發(fā)生在深度10 m處，最大位移為9.73 mm；監(jiān)測(cè)與模擬所得的地表最大沉降均發(fā)生在距離基坑10～15 m處，但監(jiān)測(cè)最大沉降為15.75 mm，而模擬最大沉降為6.84 mm。雖然監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在偏差，但是模擬曲線與監(jiān)測(cè)曲線變化趨勢(shì)，表明本文建立的模型較為合理。

2)地鐵隧道的變形隨著開(kāi)挖深度的增加而不斷加大；地鐵隧道在開(kāi)挖過(guò)程中呈現(xiàn)出逐漸向基底移動(dòng)且逐漸下沉的趨勢(shì)；地鐵隧道離基坑越近，越易受到基坑開(kāi)挖的影響，而地鐵隧道的存在幾乎對(duì)基坑開(kāi)挖沒(méi)有影響，但仍需嚴(yán)格控制有地鐵隧道側(cè)的基坑變形。因此，需合理規(guī)劃地鐵隧道周邊建筑以及嚴(yán)格控制臨近地鐵隧道的基坑工程的變形，以保證地鐵隧道的安全運(yùn)營(yíng)。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向變形會(huì)受到地鐵振動(dòng)荷載的影響而產(chǎn)生上下波動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)會(huì)使地連墻的沉降量增大，這加大了對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制的難度。

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