超大型基坑與地下隧道群相互影響研究

徐劍敏

(深圳地鐵建設集團有限公司,廣東深圳 518026)

城市的快速發展帶來交通擁堵問題,地下交通網絡建設成為解決該問題的主要途徑,由此伴隨產生大量基坑工程,連同高層建筑建設產生的基坑,成為新建地下交通隧道不可避免近接施工的對象,比如盾構隧道側方或上方開挖基坑[1-2]、隧道下穿或側穿先建高層建筑[3-4]等。先建工程施工過程打破原有的地應力場,同時后建工程施工對周圍土體造成擾動進而影響既有工程,這會不同程度導致既有結構產生附加應力和附加變形,嚴重時可能導致結構破損[5-6]。因此,為降低基坑與隧道群之間的不利影響,對擬建工程結構安全的研究顯得至關重要。

對于地下近接施工工程,仇文革[7]對近接施工力學原理進行了研究,提出了廣義的地下工程近接工程分類、分區、近接度等概念。在盾構隧道近接基坑施工方面,尤其工程開工前,數值模擬方法[8-11]和室內試驗[12-14]成為重要的研究手段。張宏等[15]研究了地鐵隧道盾構掘進過程對上跨基坑穩定性的影響規律,得到基坑底部土體加固可顯著減小基坑支護結構變形的結論。曹寶飛等[16]基于室內模型試驗分析了盾構隧道施工對鄰近基坑圍護結構的影響,揭示了盾構穿越施工導致的鄰近側向地下連續墻基坑圍護結構彎曲變形規律,便于對地下連續墻圍護結構采取有針對性的加固保護措施。黃懿等[10]通過數值模擬研究了風井基坑開挖、支護、盾構穿越風井的全過程施工階段對臨近建筑物的影響,得到了不同施工階段建筑物變形以及盾構下穿砂卵石地層的臨近建筑物變形的規律,獲取了地表沉降規律以及應力分布特征。李兵等[17]通過建立三維數值模型計算分析了盾構施工參數對鄰近深基坑支護結構的影響,得到了盾構施工過程對結構影響不可忽視的結論。

綜上,目前盾構近接基坑施工取得大量研究成果,為本研究提供了思路和方法,但地下隧道群下穿或側穿超大型基坑的相關研究還不完善,同時考慮建筑附加荷載作用下高鐵管片配筋的設計研究鮮有報道。為此,筆者著重從隧道管片受基坑開挖影響、基坑結構受隧道施工影響以及高鐵隧道管片配筋等方面進行研究,旨在為今后類似工程提供理論指導。

1 工程概況

1)基坑與群洞的位置概況

本研究依托深圳某預建商業建筑基坑和地下規劃交通隧道工程,其平面位置關系如圖1所示。地下規劃交通復雜群洞包括2條高鐵隧道、地鐵線2條隧道以及2條通道?；臃秶M入預留高鐵通道1與預留高鐵通道2規劃控制區分別約1 970,1 503 m2。

擬建場地為濱海潮間帶,其地層自上而下有人工填土層、海積層、洪積層、殘積層以及混合花崗巖組成?；优c群洞剖面位置關系如圖2所示。預留高鐵通道1和預留高鐵通道2下穿基坑、地鐵線,預留通道側穿基坑,基坑樁底與預留高鐵通道1結構頂部最小豎向凈距約15.25 m,與預留高鐵通道2結構頂部最小豎向凈距約24.25 m;基坑與地鐵線規劃中心線最小水平凈距為35.5 m,與預留通道規劃中心線最小水平凈距為65.1 m。

圖2 基坑與群洞剖面圖Fig.2 Cross section of foundation pits and group caves

2)設計概況

①基坑設計情況 基坑深約10 m,支護結構采用22.0～26.2 m的“咬合樁+內支撐”形式,咬合樁采用樁徑1.8 m、樁心距1.2 m的咬合形式,基礎采用“樁基礎+筏板基礎” 形式,樁長約為21.6 m、直徑為0.8 m、樁間距為2 m、筏板厚度為1.5 m,采用端承摩擦樁;內支撐為混凝土支撐,尺寸為1 m×1 m。

②地下規劃交通隧道設計情況 a)高鐵設計時速為350 km/h,擬采用單洞雙線,盾構法施工,隧道外徑為14.3 m、管片厚度為0.6 m;b)地鐵線和預留通道采用盾構法施工,隧道外徑均為6.7 m、管片厚度為0.35 m。

2 數值計算模型

為分析基坑與規劃地下交通隧道相互影響以及基坑影響下高鐵隧道管片結構的配筋設計,采用有限元軟件分別建立三維地層結構模型和荷載結構模型進行計算分析。

2.1 基坑與規劃交通隧道三維數值模型

2.1.1 模型概況

結合基坑開挖深度、基坑與高鐵/地鐵結構的平面位置、隧道埋深及土層情況,并考慮邊界效應的影響,計算模型尺寸為405 m×155 m×100 m。結合地層條件,計算模型中從上往下地層依次為碎塊石填土1 m,細中砂9 m,淤泥質土4.4 m,粉質黏土3.6 m,砂質黏性土13.8 m,全風化混合花崗巖8.2 m,強風化花崗巖5 m,以下均取為中風化花崗巖。圍巖采用基于修正摩爾庫倫準則的彈塑性本構模型進行實體單元模擬,墻、板結構均采用2D線彈性材料板單元模擬,樁、支撐采用1D線彈性材料梁單元模擬,三維數值模型如圖3所示。

圖3 基坑與規劃交通隧道三維實體數值模型圖

2.1.2 計算參數

根據地勘結果和深圳市經濟特區技術規范SJG 01—2010 《地基基礎勘察設計規范》[18],結合各巖土層巖性特征、原位測試和室內土工試驗結果,得到圍巖及支護結構物理力學參數如表1所示。

表1 數值模型計算參數表

2.1.3 計算步驟

三維數值模擬共分2種工況:

1)不考慮基坑結構及開挖,在地層中直接進行隧道開挖;

2)先進行基坑開挖,基礎施工及上部荷載施加后,在網格中位移清零后進行隧道開挖。

通過2種工況的對比,可以分析基坑對新建隧道支護內力的影響。應用工況2)還可分析下穿/側穿隧道對基坑基礎的影響。

基坑在本研究中為一次性開挖,因為在工況2)中基坑是作為既有結構來考慮的,因此基坑的開挖方式對后續隧道施工影響不大。為提高計算效率,基坑一次性開挖至基底,待回彈穩定(收斂)后進行隧道施工分析。

2.2 高鐵隧道管片配筋荷載-結構模型

根據基坑與規劃交通隧道剖面關系,由于樁基礎底部與預留高鐵通道1頂部最小豎向凈距最小,故選取預留高鐵通道1管片配筋為研究對象進行分析,圍巖等級為Ⅴ級。由TB 10003—2016 《鐵路隧道設計規范》[19],當隧道覆蓋層厚度H滿足式(1)要求時應按淺埋隧道設計:

H<2.5ha,

(1)

式中,垂直荷載計算高度ha按深埋隧道荷載計算方法的規定計算,可計算得出隧道外徑為14.3 m情況下Ⅴ級圍巖深埋隧道垂直荷載計算高度ha為13.9 m,小于15.25 m,同時小于經驗1倍洞徑。對應的深埋、淺埋隧道覆土臨界厚度H為34.75 m,由于該計算斷面隧道埋深約45.7 m,故可判定該段隧道為深埋隧道。

計算考慮施工地面超載20 kPa,計算承載能力極限狀態和正常使用極限狀態2種荷載組合工況,使用階段水土合算,結構重要性系數為1.1。計算工況為2種:1)不考慮基坑開挖,按常規覆土隧道計算配筋;2)基坑已施工,且建筑項目已完工,建筑附加荷載通過摩擦樁傳至地層,并作用在隧道結構上。按最不利情況考慮,建筑附加荷載向地層傳遞過程中,在樁身范圍內未向樁外土體擴散,而是全部在樁底處開始擴散,樁底荷載以30°向下傳遞,經過計算該部分荷載傳至隧道頂部豎向壓力約為135 kPa。計算模型如圖4所示。

3 結果分析

3.1 基坑開挖條件下隧道管片內力分析

為分析地下規劃交通隧道管片內力變化,對比了基坑未開挖和基坑開挖(模擬順序為先基坑后隧道)2種條件下管片內力,全部隧道管片內力計算結果匯總如表2所示,預留高鐵通道1距離基坑最近,其管片內力云圖如圖5所示。高鐵通道各位置變化趨勢也不盡相同,根據軸力與彎矩云圖也可以發現,軸力與彎矩最大值位置并不在同一處。為了得到管片內力在基坑未開挖和基坑開挖下的變化幅度,取相應的軸力、彎矩最大值進行定性分析,確保在基坑開挖后隧道施工管片內力不因過大而影響管片的受力性能。從表2中可以看出:地下規劃交通隧道管片內力分布在基坑開挖情況下變化不大,管片內力變化幅度最大為10.85%,說明基坑現有“樁基礎+筏板基礎”設計方案對后期地下規劃交通隧道管片內力影響較小。

表2 地下規劃交通隧道管片內力匯總

圖5 基坑開挖前后預留高鐵通道1結構內力云圖Fig.5 Internal force cloud maps of the reserved high-speed rail channel 1 structure before and after excavation of the foundation pit

3.2 隧道施工對基坑結構位移的影響

評價隧道施工對地下室結構影響的主要指標為地下室結構(包括地下室筏板基礎、樁基礎)的水平位移及豎向位移,其最能反映高鐵及地鐵施工對擬建地塊的影響程度。樁基礎和筏板基礎位移云圖如圖6、圖7所示,可以看出:1)在地下規劃交通隧道開挖卸荷作用下,基坑結構的主要表現為沉降變形,水平變形較小,由此可知下穿隧道開挖引起的地層擾動及損失是造成既有基坑結構變形的主要原因,而側穿隧道對基坑結構的影響較小;2)樁基礎最大水平位移為1.36 mm,豎向沉降為2.44 mm;筏板基礎最大水平位移為0.41 mm,豎向沉降為2.40 mm。滿足GB 50911—2013 《城市軌道交通工程監測技術規范》[20]中建(構)筑物沉降控制值10 ～30 mm的規定要求。

圖6 樁基礎位移云圖

圖7 筏板基礎位移云圖

3.3 考慮基坑影響下高鐵隧道管片配筋

針對原始地面和建筑項目已完工2種工況,對比計算預留高鐵通道隧道管片配筋情況,為后期預留高鐵通道下穿基坑時隧道管片配筋提供參考。根據計算得到內力結果如表3所示,表中內力對應于每延米管片,由表中可以看出:2種工況條件下管片最大彎矩出現在拱腰和拱頂處、最大軸力出現在拱腰處;荷載基本組合管片內力比準永久組合大,相比于建筑項目未施工的工況,在建筑附加荷載的作用下,不同部位的最大彎矩和最大軸力均有所增大;其中建筑項目未施工情況下最大彎矩為552.73 kN·m,對應的軸力為5 992.48 kN,位于管片拱頂內側;建筑項目施工完工后最大彎矩為900.69 kN·m,增幅達到62.95%,對應的軸力為7 132.22 kN,同樣位于管片拱頂內側,配筋設計應重點關注此部位。

表3 管片結構內力計算結果

參考以往相似直徑的盾構隧道,本隧道管片環寬取2 m,并對該隧道管片進行配筋計算。本隧道管片內力計算模型采用的是均質圓環模型,考慮彎矩傳遞系數ξ(ξ=0.2)對管片配筋的影響,根據GB 50010-2019《混凝土結構設計規范》[21],最終管片內外側所需配筋量如表4所示。從表中可以看出:在考慮ξ條件下,無附加荷載的管片配筋面積小于建筑附加荷載作用下的管片配筋,因此后期管片設計過程應當加強管片配筋;考慮ξ建筑項目已完工附加荷載作用下管片內側配筋面積為2 762 mm2、外側配筋面積為4 771 mm2,相比未考慮ξ,增加幅度分別為20.61%和108.34%。

4 結 語

通過對依托工程結構相對位置關系的分析與數值計算,得到了有無建筑條件下盾構管片施工的內力變化及新建隧道對建筑的影響,并給出了管片配筋方法,結論如下。

1)基坑現有“樁基礎+筏板基礎”的結構設計對后期交通隧道近接建筑基坑的影響較小,有無既有結構新建交通隧道管片內力變化幅度最大為10.85%。

2)交通隧道下穿基礎結構的影響大于側穿隧道,本項目基礎以豎向沉降為主,最大沉降量為2.44 mm,在類似工程中應注意對既有結構的監測與保護,避免出現不必要的結構破壞。

3)考慮彎矩傳遞系數ξ時,建筑項目已完工狀態下隧道管片配筋需要加強,內外側配筋分別加強20.61%與108.34%,研究所采用的考慮上部荷載情況管片配筋計算方法可為類似工程提供參考。

本文主要分析了隧道下穿和側穿既有大型基坑的影響,并優化了基坑影響下隧道管片配筋?，F如今城市地下空間發展如火如荼,新建地下工程與既有地下工程的近接程度與規模將進一步增加工程難度,對既有地下工程的保護將是未來進一步研究的主要內容。