近距離開挖基坑對下部盾構(gòu)隧道的影響分析

王 偉 武慧俊

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310017;2.中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310017)

0 引言

杭州地鐵1號線某盾構(gòu)區(qū)間隧道與上部物業(yè)開發(fā)基坑坑底的最小距離為1.5 m，上部基坑開挖深度為14.2 m，盾構(gòu)隧道在物業(yè)開發(fā)基坑下的長度達(dá)300 多米。盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m。

根據(jù)上海、廣州地鐵建設(shè)經(jīng)驗，對地鐵隧道的變形控制要求極其嚴(yán)格，隧道絕對最大位移不能超過20 mm，施工引起的外加荷載應(yīng)小于20 kPa。

本文的目的在于找出基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，并提出可采取的加固措施。

1 工程調(diào)研

目前，國內(nèi)已有類似的工程實例，但是在軟土地區(qū)尤其是杭州地區(qū)尚屬首例。國內(nèi)類似工程實例調(diào)研結(jié)果如表1 所示。

表1 國內(nèi)類似工程實例調(diào)研結(jié)果匯總表

以上基坑工程成功案例的顯著特點是:

1)深、大基坑空間效應(yīng)小，基底變形控制難度大，覆土需要一定保證，才能確保盾構(gòu)安全。

2)開挖過程中運用時空效應(yīng)原理合理安排開挖土方的尺寸，盡量減小每步開挖無支撐暴露時間，嚴(yán)格按照“分層、分塊、分段、對稱、平衡、限時”開挖基坑，能有效控制隧道變形。

3)加固措施主要以門式加固為主，效果較好。

此類工程在已建盾構(gòu)隧道上部進(jìn)行大基坑開挖，土方開挖最大的難點在于控制基坑底部隧道回彈。本基坑工程與上海東方路—張揚路地下立交工程相類似。且底板和盾構(gòu)都處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，土性各種參數(shù)也接近于本工程的主要土層，因此具有一定的借鑒價值。

2 工程概況

2.1 工程規(guī)模與實施條件

物業(yè)開發(fā)大基坑長約600 m，寬約300 m，地下兩層地下室基坑深度為14.2 m。地鐵1號線盾構(gòu)隧道從物業(yè)開發(fā)地下室底板下穿過，穿越長度約300 m，盾構(gòu)頂距離地下室基坑坑底的最小距離為1.5 m。

因管線遷改、施工圍擋及分期建設(shè)等原因，物業(yè)開發(fā)的施工工期相對滯后于地鐵1號線。在施工時序上，地鐵1號線盾構(gòu)隧道先施工，再在隧道上方開挖物業(yè)開發(fā)大基坑。

圖1 和圖2 分別是地鐵盾構(gòu)隧道與物業(yè)開發(fā)地下室結(jié)構(gòu)的平面、縱剖關(guān)系圖。

圖1 地鐵1號線與物業(yè)開發(fā)地下室的平面關(guān)系圖

圖2 地鐵1號線與物業(yè)開發(fā)地下室的縱剖關(guān)系圖

本基坑工程的顯著特點是:盾構(gòu)隧道與物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)底板距離近;物業(yè)開發(fā)大基坑開挖暴露范圍大，基坑大面積卸載后對盾構(gòu)隧道的影響比較大。

2.2 工程地質(zhì)條件

本場地淺部深度20 m 范圍內(nèi)為沖海相砂質(zhì)粉土夾粉砂，中部埋深20 m～40 m 范圍約10.0 m～20.0 m 厚的高壓縮性流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層和埋深40 m～45 m 范圍約1.0 m～6.0 m 厚的粉質(zhì)粘土、含砂粉質(zhì)粘土層，下部為性質(zhì)較好的圓礫層，厚度大于3 m。地下水位埋深為0.9 m～3.0 m，水位年變幅為1.0 m～2.0 m，地下水流速較小。

3 基坑開挖的數(shù)值計算分析

3.1 程序簡介

計算采用FLAC3D 巖土專業(yè)軟件，隧道管片采用Liner 單元，Liner 單元具有界面摩擦特性輸入項，用來模擬襯砌比較合適。土體單元采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型。

3.2 數(shù)值計算模型

1)計算模型及工況。

FLAC3D 中模型建立如圖3 所示，模型長52.3 m，高42.7 m，寬30 m。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)長度30 m，盾構(gòu)外徑D=6.2 m，管片壁厚0.35 m。

有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3 所示，隧道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖4 所示。

圖3 FLAC3D模型網(wǎng)格劃分（單位：m）

圖4 FLAC3D 中盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)單元

該模型計算考慮土體整層開挖，基坑深度14.2 m 共分5 個開挖步，其分層開挖高度分別為2.6 m，2.6 m，3 m，3 m，3 m，如圖5所示。

圖5 土層分層及分層開挖高度示意圖

2)計算參數(shù)。

數(shù)值模擬計算的土層參數(shù)如表2 所示。

表2 有限元計算參數(shù)表

3.3 數(shù)值計算結(jié)果

1)未采取加固措施的計算結(jié)果。

文獻(xiàn)［1］［2］應(yīng)用殘余應(yīng)力原理和應(yīng)力路徑方法建立了基坑隆起變形計算公式，根據(jù)該公式，本基坑開挖6 m 時坑內(nèi)土體的回彈累計值為30.2 mm，開挖至基坑底時盾構(gòu)隧道隆起位移值為63.87 mm。殘余應(yīng)力法計算結(jié)果見表3。

表3 殘余應(yīng)力法計算結(jié)果

圖6 給出了未采取加固措施的情況下，基坑開挖到坑底后引起的基底豎向位移變形云圖。

圖6 基坑開挖豎向位移云圖

從圖6 可以看出，開挖到坑底時，基底豎向回彈值達(dá)到了65 mm，與數(shù)值計算結(jié)果比較接近。這說明未經(jīng)加固的基坑開挖后會導(dǎo)致下部隧道隆起位移過大，不能滿足對地鐵隧道隆起變形限制要求。

2)加固后計算結(jié)果。

為了減小盾構(gòu)隧道在基坑開挖期間的隆起，在隧道周邊采取門式加固措施，加固體在隧道邊留有500 mm 的安全距離，隧道頂以上加固高度4 m，兩側(cè)加固寬度2 m～15 m，如圖5所示。

采取加固措施后，加固體對盾構(gòu)隧道周邊土體豎向位移有很大的限制作用。但因加固體相比整個基坑而言其體量較小，所以僅對隧道周邊土體起作用，而對較遠(yuǎn)處的土體位移作用不大。

表4 給出了隧道頂部加固高度4 m 的前提下，兩側(cè)加固寬度與盾構(gòu)隧道底部隆起量關(guān)系。

表4 隧道兩側(cè)加固寬度與隧道底部隆起量關(guān)系

從表4 中數(shù)據(jù)可以看出，采取加固措施后，盾構(gòu)隧道底部的隆起量有明顯的減小。加固寬度從2 m 增加到15 m，隧道底部隆起量減小了23 mm。但加固寬度增加到5 m 以后，對前兩個開挖步的隆起量影響不大?？芍行У募庸虒挾葍H在隧道兩側(cè)3 m～5 m 左右，且整層開挖的方式不利于控制隧道變形。

4 結(jié)語

通過對已建地鐵盾構(gòu)隧道上部開挖深基坑工程的三維有限元計算分析，得出如下結(jié)論:

1)利用殘余應(yīng)力原理和三維數(shù)值分析方法建立起來的隧道變形計算模型，結(jié)果比較接近，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測隧道的隆起變形。

2)隧道加固措施有利于減小因基坑開挖引起的隧道隆起變形。

3)合理的加固寬度在隧道兩側(cè)3 m～5 m 左右，隧道上部應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行適當(dāng)加固處理。基坑開挖應(yīng)分層、分段、分塊開挖，縱向分段長度沿盾構(gòu)軸線方向不大于3 m。

［1］劉國彬，黃院雄，侯學(xué)淵.基坑工程下已運行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實踐［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(2) :202-207.

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