高水位深軟土地區(qū)隧道設(shè)計及對地鐵影響分析

魯玉忠 凡明杰

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，節(jié)約集約用地，為市民提供快速通達(dá)的交通，下穿隧道及地鐵發(fā)展強(qiáng)勁，隧道與地鐵交叉時有發(fā)生。高水位條件下隧道基坑底部軟土具有低強(qiáng)度和高壓縮性，使得被動區(qū)提供抗力不足，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的水平位移或失穩(wěn)破壞，從而對交叉的地鐵安全帶來嚴(yán)重影響。通過佛陳路下穿隧道設(shè)計計算、研究，被動區(qū)加固對減少支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地鐵變形效果十分顯著。

1 工程概況

佛陳路隧道位于佛山市順德區(qū)，隧道為雙向六車道，全長620 m，其中西側(cè)開口段長為265 m，閉口段長為115 m，東側(cè)開口段長為240 m。基坑起點(diǎn)段約140 m范圍內(nèi)，與地鐵2號線平面位置重疊，地鐵位于隧道底板下方約9 m。佛陳路為一級公路，基坑施工期間，北側(cè)佛陳路輔道保留3車道通行；佛陳路北側(cè)緊鄰文登河。工程平面布置見圖1。

基坑及坑底以下土層，分別為素填土、淤泥質(zhì)土、粉砂、淤泥質(zhì)土、粉砂、粉土。淤泥質(zhì)土軟土為流塑狀態(tài)，素填土和粉砂為透水層且水位高。

2 基坑支護(hù)設(shè)計

根據(jù)建設(shè)時序，地鐵2號線先于隧道施工。基坑最大支護(hù)高度9.2 m。支護(hù)方案為：基坑深1.0 m～2.5 m采用鋼板樁懸臂支護(hù)；基坑深2.5 m～6 m采用鋼板樁+1道鋼支撐；基坑深6 m～8 m采用鉆孔樁+1道鋼筋混凝土內(nèi)支撐；基坑深8 m～9.2 m采用鉆孔樁+1道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+1道采用鋼管支撐。采用直徑0.85 m@0.65 m三軸水泥攪拌樁止水。

隧道基坑北側(cè)為一級公路、緊鄰文登河、與地鐵線位重疊，本工程所處環(huán)境非常復(fù)雜。因此控制基坑與地鐵變形量、防止管涌及基坑穩(wěn)定是本工程的難點(diǎn)。對于軟土基坑，基坑底被動區(qū)加固是控制基坑變形、防止管涌及基坑穩(wěn)定的有效手段。本項(xiàng)目被動區(qū)采用常規(guī)設(shè)計方法，即基地底采用寬5 m、深5 m，直徑0.55 m@0.40 m攪拌樁進(jìn)行被動區(qū)加固[1-3]。基坑支護(hù)方案見圖2。

地鐵的變形比基坑變形控制更為嚴(yán)格，本工程采用Midas-GTS NX有限元軟件進(jìn)行分析計算[4]。

3 計算分析

利用有限元軟件分別進(jìn)行三維建模和二維控制斷面建模。模擬計算隧道開挖支護(hù)不同工況條件下對臨近地鐵的影響。

3.1 基坑未設(shè)置被動區(qū)加固

根據(jù)項(xiàng)目基坑與地鐵盾構(gòu)隧道的空間關(guān)系以及基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及基坑工程施工特點(diǎn)，建立三維有限元計算模型，圖3為三維有限元模型軸視圖。

模型中的地層主要根據(jù)公路隧道基坑鄰近地鐵隧道的工程地質(zhì)資料進(jìn)行適當(dāng)簡化，地層自上往下依次為砂性素填土、淤泥質(zhì)土、粉砂、細(xì)砂、泥巖。各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和工程地質(zhì)勘察報告綜合分析確定。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。

由三維模擬分析結(jié)果可知，見圖3～圖5，坑內(nèi)不加固處理項(xiàng)目基坑施工誘發(fā)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為20.4 mm，最大豎向位移為22.2 mm，最大總位移為26.9 mm。

可見，基坑施工誘發(fā)下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移量較大，已超規(guī)范容許值，基坑施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較大。

3.2 基坑設(shè)置被動區(qū)加固

深厚軟弱土層，基地不設(shè)置被動區(qū)加固不但基坑本身位移較大，而且誘發(fā)鄰近地鐵產(chǎn)生較大位置，圖6～圖8是本工程對于設(shè)置被動區(qū)加固的三維模擬分析。

在不考慮地下水滲流情況下，設(shè)置被動區(qū)加固后隧道最大豎向位移2.5 mm，最大水平位移0.73 mm，均小于相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

隧道差異沉降控制值不大于0.04%Ls(即20 mm)，隧道軸向間距取與佛陳路隧道基坑重疊區(qū)域50 m范圍。最大差異沉降為1.23 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)，地鐵軸向差異沉降見表1。

表1 地鐵軸向差異沉降

三維模型較難模擬施工和降水相互耦合的工況，采用二維模型對下穿隧道代表性斷面進(jìn)行施工和降水耦合分析，取2.5 m深基坑為例模型圖見圖9，圖10。隧道位移計算結(jié)果見表2。

區(qū)間隧道各開挖降水工況二維計算最大豎向位移為3.39 mm，最大水平位移為1.12 mm；后期運(yùn)營二維計算最大豎向位移為2.58 mm，最大水平位移為0.77 mm，三維計算最大豎向位移2.5 mm，最大水平位移0.73 mm。二維和三維計算均小于盾構(gòu)隧道沉降量不大于10 mm，水平位移量不大于5 mm的要求。隧道最大徑向收斂為1.45 mm遠(yuǎn)小于15 mm控制值。

表2 隧道位移計算結(jié)果統(tǒng)計

4 隧道位移監(jiān)測

目前隧道主體結(jié)構(gòu)已施工完成，根據(jù)對地鐵變形監(jiān)測，區(qū)間隧道最大豎向位移為2.1 mm，最大水平位移為0.71 mm，基坑開挖過程中隧道變形與計算理論值基本吻合(見表2)。

5 結(jié)語

對于高水位深厚軟土地區(qū)，當(dāng)被動區(qū)不做加固處理時，基坑施工誘發(fā)地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移超過規(guī)范容許值，對地鐵安全影響較大；當(dāng)被動區(qū)加固后，基坑施工誘發(fā)的鄰近隧道的位移均在規(guī)范規(guī)定的控制值范圍內(nèi)，基坑施工對隧道的影響較小。由此對于深厚軟土地區(qū)應(yīng)采用坑內(nèi)被動區(qū)加固措施，不但可有效降低基坑變形，還可控制對鄰近隧道的影響，保護(hù)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全。