基坑開挖對鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響

左 方

(天津市勘察院， 天津 300191)

基坑開挖對鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響

左 方

(天津市勘察院， 天津 300191)

天津黃河醫(yī)院三期項目，深度超過5 m，緊鄰天津市地鐵二號線?；谠摶拥氖┕み^程，使用有限元軟件MIDAS/GTS進行數(shù)值模擬，評估該項目基坑工程對地鐵二號線區(qū)間結(jié)構(gòu)安全性的影響。結(jié)果表明，基坑周圍土體和地鐵隧道管片的位移隨著土體開挖過程而增大，而受樓面載荷的影響較小。此外，地鐵隧道管片的豎向位移主要受基坑降水影響，其軸力和彎矩在施工過程中保持穩(wěn)定，裂縫驗算結(jié)果在允許范圍內(nèi)。研究成果可以為該項目工程影響評估提供有效的參考依據(jù)。

基坑；地鐵隧道；管片；數(shù)值模擬；影響評估

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，既有地鐵隧道鄰側(cè)或者上方進行建筑施工的活動日益增多。其中，基坑工程對地鐵隧道的影響最為突出?；庸こ虒︵徑罔F隧道的影響主要表現(xiàn)在引起后者的變形，嚴(yán)重時還將引起隧道結(jié)構(gòu)的破壞，威脅到地鐵的安全運行。因此，針對基坑開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全性影響進行評估具有很重要的工程實際意義。

目前，國內(nèi)一些研究人員已經(jīng)就基坑對鄰近隧道結(jié)構(gòu)安全性影響這一工程問題進行了研究。分析了不同結(jié)構(gòu)變形模式對既有隧道變形影響的分析，總結(jié)得出懸臂式模式對坑外隧道影響范圍最小[1-2]。利用數(shù)值模擬分析的手段分析了多排樁防護基坑對既有地鐵隧道的變形影響，總結(jié)了多排樁圍護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和影響因素[3-6]。采用FLAC3D有限差分方法研究了基坑開挖對隧道變形影響的范圍[7-9]。利用ABAQUS有限元軟件分析了基坑開挖對下臥地鐵的變形位移影響[10-12]。更多的研究人員分析了基坑開挖對鄰側(cè)地鐵盾構(gòu)隧道的影響[13-15]?？傮w來說，大多數(shù)分析過程都利用數(shù)值軟件對實際工程情況進行模擬，然后綜合模擬結(jié)果及實測數(shù)據(jù)，給出評價。由此可見，數(shù)值模擬在進行基坑開挖對鄰側(cè)地鐵隧道安全性評價方面具有重要的作用。

本文以天津新建黃河醫(yī)院三期項目基坑工程為實例，借助于有限元程序MIDAS/GTS進行數(shù)值模擬，分析了基坑第一次開挖、第二次開挖和施加樓面載荷后地鐵管片結(jié)構(gòu)的位移和受力狀況。在這些結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，給出安全性影響評價。

1 工程概況

新建黃河醫(yī)院三期項目，位于天津市南開區(qū)黃河道北與臨潼路西交匯處，主要擬建項目為黃河醫(yī)院三期10層，采用樁基礎(chǔ)，設(shè)一層地下車庫，基坑面積約2 356 m2，開挖深度5.5 m。整體采用卸土加水泥土重力擋墻，西側(cè)局部位置采用卸土加單排鉆孔灌注樁的支護形式。工程場地周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)南側(cè)鄰路，南側(cè)路面有盾構(gòu)隧道?；铀嗤翑嚢铇锻庋鼐嗟罔F隧道最近處約18.86 m。地下水靜止水位埋深1.2 m?；涌傮w平面見圖1。

圖1 基坑平面示意圖

2 影響分析及評估標(biāo)準(zhǔn)

2.1 影響分析

基坑開挖、坑內(nèi)地下水疏干會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)生位移、變形等情況，嚴(yán)重時會產(chǎn)生裂縫、甚至結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)重疊段落取最不利工況進行定性分析：

(1) 基坑開挖以后，卸載導(dǎo)致周邊土體發(fā)生位移，隧道發(fā)生受力重分布，并伴隨變形及位移。

(2) 開挖過程中，隧道襯砌會產(chǎn)生裂縫，但裂縫相對較小，可以滿足結(jié)構(gòu)裂縫要求。

2.2 評估標(biāo)準(zhǔn)

參考國內(nèi)各地地鐵保護相關(guān)規(guī)定及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[16](CJJ/T202—2013)，并結(jié)合國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，評估標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 隧道結(jié)構(gòu)不發(fā)生強度破壞，新增裂縫預(yù)警值為0.1 mm，控制值為0.2 mm。

(2) 隧道變形控制指標(biāo)，見表1。

(3) 線路變形記軌道集合形態(tài)應(yīng)滿足地鐵正常運營要求。

表1 區(qū)間隧道變形控制指標(biāo)

3 基坑施工數(shù)值模擬

研究施工影響問題所采用的整體分析法，需要依靠專業(yè)的有限元軟件才能進行。本次評估工作采用巖土與隧道領(lǐng)域?qū)Ｓ梅治鲕浖﨧IDAS/GTS。

3.1 模型結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)實際情況，由于地鐵2號線與該基坑工程基本平行，故只需選取距離最近的斷面計算(即為最危險斷面)即可，截取DK6+500處斷面進行計算，建立二維平面模型，左邊界距離基坑左側(cè)取5倍基坑開挖深度，即27.5 m；右邊界距離地鐵2號線管片外側(cè)取3倍洞徑，本計算取20 m，深度隧道底取5倍洞徑，總深度為50.7 m。

土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，水泥土攪拌樁采用32.5級礦渣硅酸鹽水泥，水泥摻量為15%；地鐵2號線管片C50混凝土，考慮縱向剛度，折減0.7。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，土體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型建立

建模時土體選用二維平面單元，有限元模型如圖2所示。采用位移邊界條件，土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，四周側(cè)面為法向約束?？垢≡O(shè)計水位為大沽高程+2.0 m，此水位為初始水頭，基坑開挖的水頭選在基坑底0.5 m位置。

圖2 計算模型示意圖

3.3 施工過程模擬

(1) 初始滲流平衡。首先建立初始滲流場。在模型邊界加入初始水頭，在基坑底部加入第二水頭，模擬土層實際滲流過程。

(2) 初始地應(yīng)力平衡。首先建立初始自重應(yīng)力場,平衡初始地應(yīng)力。模型中第一階段為土體為開挖的初始階段，計算出土體在自重的作用下的位移場和應(yīng)力場，通過MIDAS/GTS的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，并構(gòu)造初始應(yīng)力場。

(3) 開挖過程模擬。第一步開挖至地下2 m，待做完護坡，樁頭處理好后，進行第二步開挖，本次開挖直接到基坑底部。土體開挖通過鈍化和激活單元實現(xiàn)。

(4) 高層建筑施工模擬。本次計算不模擬高層建筑施工，只在基坑底部施加均布樓面荷載，荷載大小為150 kN/m(相當(dāng)于10層樓的荷載)。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 基坑降水后滲流場變化

基坑降水后，土體總水頭如圖3所示。由圖3可得，左側(cè)隧道附近水位下降約0.5 m～1.0 m，右側(cè)隧道附近水位下降約0.0 m～0.5 m。

圖3 基坑降水后總水頭

4.2 基坑第一次開挖

基坑第一次開挖以后，基坑內(nèi)土體及地鐵隧道管片結(jié)構(gòu)變形如圖4和圖5所示。從圖4、圖5中可看出，由于基坑的開挖引起卸荷，基坑內(nèi)土體產(chǎn)生隆起，豎直方向最大隆起量約5.60 mm?；觾蓚?cè)圍護樁向著坑內(nèi)方向發(fā)生位移，最大水平位移量為0.99 mm。地鐵區(qū)間管片襯砌結(jié)構(gòu)，由于基坑內(nèi)土體的卸荷，管片結(jié)構(gòu)朝著基坑方向移動，以水平向位移為主，其中以靠近基坑側(cè)的地鐵左線管片結(jié)構(gòu)位移最大，最大水平位移為-0.47 mm，出現(xiàn)在左線管片結(jié)構(gòu)的左方。由于降水的影響，地鐵區(qū)間范圍內(nèi)地下水位下降，管片結(jié)構(gòu)以上有效應(yīng)力增大，故管片上部位移方向向下，最大豎向位移為-0.13 mm。

圖4 基坑第一次開挖土體水平和豎向位移云圖

圖5 基坑第一次開挖管片水平和豎向位移云圖

4.3 基坑第二次開挖

基坑第二次開挖以后，基坑內(nèi)土體及地鐵隧道管片結(jié)構(gòu)變形如圖6和圖7所示。從圖6、圖7中可看出，由于基坑的繼續(xù)開挖，基坑內(nèi)土體繼續(xù)向上產(chǎn)生隆起，豎直方向最大隆起量約8.30 mm(較上次增加48%)。基坑兩側(cè)圍護樁繼續(xù)向著坑內(nèi)方向發(fā)生位移，最大水平位移量為1.42 mm(較上次增加112%)。地鐵區(qū)間管片襯砌結(jié)構(gòu)，由于基坑內(nèi)土體的繼續(xù)卸荷，管片結(jié)構(gòu)朝著基坑方向移動，以水平向位移為主，其中以靠近基坑側(cè)的地鐵左線管片結(jié)構(gòu)位移最大，最大水平位移為-1.14 mm(較上次增加142%)，出現(xiàn)在左線管片結(jié)構(gòu)的左方。由于降水的影響，地鐵區(qū)間范圍內(nèi)地下水位下降，管片結(jié)構(gòu)以上有效應(yīng)力增大，故管片上部位移方向向下，最大豎向位移為-0.44 mm(較上次增加238%)。

圖6 基坑第二次開挖土體水平和豎向位移云圖

圖7 基坑第二次開挖管片水平和豎向位移云圖

4.4 施加樓面荷載

基坑開挖結(jié)束后，在坑底施加樓面荷載。施加樓面荷載后基坑內(nèi)土體及地鐵隧道管片結(jié)構(gòu)變形如圖8和圖9所示。從圖8、圖9中可看出，由于基坑底施加樓面荷載，抵消了土體向上的位移，基坑內(nèi)土體向上隆起值較上一步減小，為8.00 mm(較上次減少5%)。同樣，由于施加樓面荷載，導(dǎo)致兩側(cè)圍護樁向坑內(nèi)的位移量減小，最大水平位移量為1.40 mm(較上次減少2%)。地鐵區(qū)間管片襯砌結(jié)構(gòu)，管片結(jié)構(gòu)朝基坑方向移動，水平位移較上次基本沒有變化，其中以靠近基坑側(cè)的地鐵左線管片結(jié)構(gòu)位移最大，最大水平位移為-1.13 mm，出現(xiàn)在左線管片結(jié)構(gòu)的左方。由于在基坑內(nèi)施加樓面荷載，由于該建筑位于基坑中部，距離隧道較遠，故對隧道管片結(jié)構(gòu)的位移影響不大，豎向位移較上次基本沒有變化，管片上部位移方向向下，最大豎向位移為-0.44 mm。

圖8 基坑施加樓面荷載土體水平和豎向位移云圖

圖9 基坑施加樓面荷載地鐵管片水平和豎向位移云圖

4.5 盾構(gòu)管片彎矩、軸力變化情況

工況各個盾構(gòu)管片的彎矩、軸力變化情況如圖10和圖11所示。從圖10、圖11可以看到，在施工過程中盾構(gòu)管片的彎矩、軸力未發(fā)生明顯變化。

圖10 施工過程中地鐵管片結(jié)構(gòu)軸力圖

4.6 計算結(jié)論

(1) 位移驗算。統(tǒng)計上述模擬過程中得到的各個位移量如表4所示。

圖11 施工過程中地鐵管片結(jié)構(gòu)彎矩圖表4 計算結(jié)果統(tǒng)計表

表4中坑內(nèi)土體豎向位移值正號表示向上移動，圍護樁水平位移值負(fù)號表示向基坑移動。參照表1規(guī)定，表4計算結(jié)果表明，管片水平和豎向位移值均在允許范圍內(nèi)。

(2) 裂縫驗算。各個工況盾構(gòu)管片的彎矩、軸力及裂縫驗算如表5所示。

表5 彎矩、軸力及裂縫驗算統(tǒng)計表

參照標(biāo)準(zhǔn)，表5中的裂縫驗算最大值為0.02 mm，在允許范圍之內(nèi)。

5 結(jié) 論

本文以天津新建黃河醫(yī)院三期項目基坑工程為實例，介紹了基坑開挖對鄰近隧道的影響分析和評估標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元軟件計算，通過對各個工況條件下，土體的水平和豎向位移、隧道管片水平和豎向位移以及隧道管片的軸力和彎矩的分析，得到以下結(jié)論：

(1) 由于開挖卸荷，基坑內(nèi)土體向上隆起，兩側(cè)土體向基坑內(nèi)側(cè)移動，隧道管片以水平位移為主，最大水平位移在左線管片左側(cè)。

(2) 隨著基坑的逐次開挖，土體和隧道管片的位移量明顯增大；樓面載荷對土體和隧道管片的位移量基本沒有影響。整個施工過程中，土體和管片的位移量都在允許范圍之內(nèi)。

(3) 隧道沉降主要是由于基坑降水，地鐵范圍內(nèi)地下水位下降，管片以上結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力增大所致。因此，控制基坑降水對控制隧道沉降起到重要作用。

(4) 隧道管片的軸力和扭矩在施工過程中總體維持穩(wěn)定，裂縫驗算在允許范圍之內(nèi)。

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Effect of Excavation of Foundation Pits on Structure Safety of Adjacent Metro Tunnels

ZUO Fang

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigationandSurveying,Tianjin300191,China)

The depth of the dip in the third phase engineering project of Huanghe Hospital that adjoining Tianjin Metro Line 2 exceeds 5m. Based on the procedure of this engineering, the finite element method software Midas/GTS was adopted for numerical simulation aiming at conducting assessment on the effect of excavation of dip on the structure safety of Metro Line 2. The results indicates that the displacement of soils around the dip and the tunnel segments increase as the excavation proceeding but are not sensitive to the loading representing the architecture. Besides the vertical displacement of tunnel segments is dominated by excavation perviousness. Furthermore as the axial force and bending moment of the segments change little during the whole process, the results of crack checking is in a permissible range. The conclusion can provide effective reference for the construction influence assessment.

foundation pit; metro tunnel; segment; numerical simulation; influence assessment

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.020

2016-12-07

2017-01-10

左 方(1986—)，男，天津人，助理工程師，主要從事基坑變形監(jiān)測方面的工作。 E-mail：593063962@qq.com

TU441+.6

A

1672—1144(2017)02—0105—06