下臥運(yùn)營地鐵隧道基坑開挖方案優(yōu)選

羅 星

(中鐵一局集團(tuán)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，我國城市空間尤其是地下空間的開發(fā)與利用已進(jìn)入快速發(fā)展階段[1]。不可避免地，城市地下空間的開發(fā)會(huì)面對(duì)新建工程對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)的影響問題。近年來，城市地下工程中出現(xiàn)了諸多基坑工程下臥小凈距既有地鐵隧道區(qū)間的情況，為基坑工程的施工帶來了很大的挑戰(zhàn)。因此，如何優(yōu)化基坑施工方案來控制基坑和既有隧道的變形以保障新建工程施工和既有建筑結(jié)構(gòu)的安全，已成為此類基坑工程安全施工的難題之一。

基坑開挖施工對(duì)下臥隧道的影響主要有理論解析法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法和數(shù)值方法[1,2]。理論研究方面多對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行極大的簡(jiǎn)化，其計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大[1-5]。由于其直觀易行的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段基本上覆蓋了所有地下工程的施工過程[6-9]，但現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有滯后性，不能很好的指導(dǎo)施工。而作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法不可或缺的有益補(bǔ)充，數(shù)值模擬被廣泛的用于該類問題的研究，并取得了較大的進(jìn)展[10-14]。

深圳前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目基坑工程設(shè)1層～3層地下室，位于正在運(yùn)營的地鐵1號(hào)線鯉魚門站—前海灣站區(qū)間上方，2層地下室距隧道頂部?jī)H為3.11 m。為保障基坑的施工安全以及施工過程既有地鐵的運(yùn)營安全，本文采用Midas GTS有限元軟件動(dòng)態(tài)模擬施工風(fēng)險(xiǎn)最大位置處的基坑開挖過程，分析基坑開挖對(duì)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響，以期為基坑開挖方案的合理制定提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目基坑及地下室結(jié)構(gòu)工程位于前海自貿(mào)區(qū)桂灣片區(qū)，項(xiàng)目占地面積為7.9萬m2，設(shè)1層～3層地下室，基坑開挖深度約9 m～17 m。地鐵1號(hào)線鯉魚門站—前海灣站區(qū)間從基坑下方穿過，前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目基坑及地下室結(jié)構(gòu)工程平面位置關(guān)系如圖1所示?；游鱾?cè)為在建地鐵5號(hào)線南延線桂灣站，距離基坑開挖邊線最近約12.8 m；地鐵1號(hào)線鯉—前區(qū)間從基坑下通過，基坑開挖后，地鐵兩側(cè)單排樁距離左、右線隧道僅為4.6 m，2層地下室距離隧道頂部?jī)H為3.11 m，1層地下室距離隧道頂部為6.66 m～8.96 m。

理論研究選擇施工風(fēng)險(xiǎn)最大位置進(jìn)行分析，即地鐵區(qū)間隧道附近?；訃o(hù)樁為直徑1 400 mm@1.8 m，樁頂冠梁b×h=1 000 mm×1 400 mm，樁間拉梁為1 000 mm×1 000 mm@5 m，區(qū)間隧道上部基坑底板厚1.5 m?；訃o(hù)樁距離區(qū)間隧道側(cè)面最近約4.5 m，基坑底板距離區(qū)間隧道上部最近約3.15 m。圍護(hù)樁外側(cè)開挖預(yù)留反壓土，鄰近2層、3層地下室采用逆作法施工。

工程項(xiàng)目位于填海區(qū)，場(chǎng)地原始地貌為濱海灘涂地地貌，經(jīng)堆載預(yù)壓法軟基處理形成現(xiàn)在的陸域，場(chǎng)地內(nèi)地層自上而下有：①填土(石)、④砂質(zhì)粘性土、⑤1全風(fēng)化花崗巖、⑤2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑤3中風(fēng)化花崗巖、⑤4微風(fēng)化花崗巖。

2 施工方案及有限元模型

2.1 施工方案

地鐵區(qū)間隧道上部土體考慮兩種施工開挖方案：方案一中區(qū)間隧道上部部分土體分塊開挖，地面6.75 m(標(biāo)高0.25 m～7.0 m)的土體整體分層開挖，標(biāo)高0.25以下土體分塊開挖，具體施工工藝流程為：地鐵區(qū)間隧道上部土體考慮兩種施工開挖方案：方案一施工工藝流程為：a圍護(hù)樁、結(jié)構(gòu)柱施作；b土方開挖,先兩側(cè)后中間；c土方開挖至B1層地下室底板；d預(yù)留反壓土；e反壓土區(qū)域結(jié)構(gòu)逆作；f隧道上部分塊開挖；g隧道上部結(jié)構(gòu)板完成。方案二采取區(qū)間隧道上部土體豎井分塊開挖的方式進(jìn)行，從地面位置采用豎井分塊開挖，具體施工工藝流程為：a圍護(hù)樁、結(jié)構(gòu)柱施作；b土方開挖,先兩側(cè)；c兩側(cè)土方開挖至B1層地下室底板；d預(yù)留反壓土；e反壓土區(qū)域結(jié)構(gòu)逆作；f隧道上部豎井分塊開挖；g隧道上部結(jié)構(gòu)板完成。

2.2 有限元模型

采用Midas GTS有限元軟件動(dòng)態(tài)模擬施工風(fēng)險(xiǎn)最大位置處的基坑開挖過程，結(jié)合工程地質(zhì)、鄰近地鐵區(qū)間隧道情況和基坑開挖方案，建立基坑及地鐵區(qū)間隧道的整體有限元模型，分析基坑開挖對(duì)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為基坑開挖方案的合理制定提供技術(shù)支撐，同時(shí)保障施工安全。

有限元模型計(jì)算域選擇3倍～5倍基坑深度，模型尺寸為160 m×98 m×27 m(寬×高×長(zhǎng))，土體圍巖和區(qū)間隧道上部板采用體單元，其他結(jié)構(gòu)梁、板均采用梁?jiǎn)卧M。模型上表面為自由邊界，底部為固接，各側(cè)面均施加法向位移約束，圍護(hù)樁(入巖)和地下室結(jié)構(gòu)柱底部(有樁)均設(shè)置為固接，有限元模型如圖2所示。有限元模型中土層及其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

土層厚度/m重度kN/m3彈性模量EMPa泊松比μ粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)填土(石)16.6519.0100.31512砂質(zhì)粘性土10.618.5230.32820全風(fēng)化花崗巖7.819.5600.283527強(qiáng)風(fēng)化花崗巖12.821.01300.274530微風(fēng)化花崗巖59.426.04 0000.23160

3結(jié)果分析

圖3，圖4分別為方案一和方案二施工完成后區(qū)間隧道和圍護(hù)樁變形，為便于分析，圖5給出了方案一和方案二每個(gè)施工階段區(qū)間隧道最大變形計(jì)算結(jié)果。圖3b)和圖4b)表明，施工方案一中圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形值為7.22 mm，施工方案二中圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形值為12.58 mm。

由圖3，圖5a)可知，采用施工方案一時(shí)，基坑開挖過程中區(qū)間隧道以豎向變形為主，最大豎向變形約為20.29 mm，最大水平變形為3.44 mm。施工階段c為土方開挖至B1層地下室底板時(shí)刻(標(biāo)高0.25 m～7.0 m)，此時(shí)變形已占總變形的59%，從施工階段e之后，即區(qū)間隧道上部(標(biāo)高0.25以下)土體的分塊開挖階段，區(qū)間隧道變形繼續(xù)開始增大。

由圖4，圖5b)可知，采用施工方案二時(shí)，基坑開挖過程中區(qū)間隧道最大豎向變形為9.65 mm，最大水平變形為4.16 mm。施工階段e之前(即區(qū)間上部基坑外側(cè)的土體已開挖完，地下室結(jié)構(gòu)也已完成)區(qū)間隧道變形不大，約為2 mm，占總變形的20.7%。施工階段e之后，即采用豎井方法開挖區(qū)間隧道上部所有土體，區(qū)間隧道變形開始增大，變形值隨著豎井開挖過程呈線性變化，最大值達(dá)到9.65 mm。

4 結(jié)語

采用施工方案二“豎井分塊開挖方案”可有效控制基坑開挖過程中下臥區(qū)間隧道的變形，但同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形會(huì)有所增大。因此，施工方案二“豎井分塊開挖方案”應(yīng)重點(diǎn)控制隧道上方豎井開挖過程。

方案二“豎井分塊開挖方案”的中間新增樁離區(qū)間隧道很近，應(yīng)重點(diǎn)控制圍護(hù)樁施工對(duì)區(qū)間隧道的影響，防止圍護(hù)樁施工造成區(qū)間隧道的變形而影響后續(xù)施工。每個(gè)豎井中土體開挖完成后應(yīng)及時(shí)施作1.5 m厚混凝土板，同時(shí)可考慮增大基底混凝土板厚度、增強(qiáng)混凝土板與圍護(hù)樁連接等措施進(jìn)一步有效控制施工對(duì)區(qū)間隧道的影響。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙 文,關(guān)永平,李慎剛,等.大跨度卸載對(duì)下臥盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(5):704-707.

[2] 李 平,楊 挺,劉漢龍,等.基坑開挖中既有下穿地鐵隧道隆起變形分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,12(5):480-485.

[3] 吉茂杰,劉國彬.開挖卸荷引起地鐵隧道位移的預(yù)測(cè)方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(5):531-535.

[4] 陳 郁,李永盛.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的計(jì)算方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(1):91-94.

[5] 黃 栩.基坑工程明挖對(duì)下臥軟土公路隧道的影響分析[J].公路工程,2014,39(3):149-153.

[6] 李志高,劉 浩,劉國彬,等.基坑開挖引起下臥隧道位移的實(shí)測(cè)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(4):619-623.

[7] 朱正鋒,陶學(xué)梅,謝弘帥.基坑施工對(duì)運(yùn)營地鐵隧道變形影響及控制研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(1):128-131.

[8] 鄭 剛,劉慶晨,鄧 旭,等.基坑開挖對(duì)下臥運(yùn)營地鐵既有箱體影響的實(shí)測(cè)及分析[J].巖土力學(xué),2012,33(4):1109-1116,1140.

[9] 魏 綱.基坑開挖對(duì)下方既有盾構(gòu)隧道影響的實(shí)測(cè)與分析[J].巖土力學(xué),2013,34(5):1421-1428.

[10] 尹筱琴.基坑開挖對(duì)下部盾構(gòu)隧道的影響研究[D].沈陽:東北大學(xué),2011.

[11] 黃宏偉,黃 栩,Schweiger F.Helmut.基坑開挖對(duì)下臥運(yùn)營盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值模擬研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45(3):182-189.

[12] 魏少偉,張玉芳,鄭 剛.基坑開挖對(duì)坑底已建隧道影響的三維數(shù)值分析[J].土木建筑與環(huán)境工程,2013,35(S1):112-116.

[13] 俞 健.存在下臥隧道時(shí)某下沉廣場(chǎng)地基加固方式技術(shù)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

[14] 魏 綱,胡凌威,朱佳定.基坑開挖對(duì)下方既有盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,36(4):46-49.