基坑工程影響下的鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法與應(yīng)用

鐘顏開

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510308)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，交通擁堵問題顯得日益嚴(yán)重，此時(shí)發(fā)展地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)成為解決該問題的一劑良方。在大量運(yùn)營地鐵線路為人們出行帶來便利的同時(shí)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全不容忽視[1]。特別是鄰近運(yùn)營地鐵線路的基坑工程，基坑施工會(huì)導(dǎo)致地鐵周圍應(yīng)力場和變形場發(fā)生變化，引起隧道管片結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力和位移，若超過管片的允許值，基坑工程就會(huì)影響地鐵的正常使用和安全[2]。近些年來由基坑施工而導(dǎo)致的鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全事故時(shí)有發(fā)生，帶了巨大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，產(chǎn)生了不良的社會(huì)影響[3]。在此情況下，基坑開挖施工對(duì)鄰近運(yùn)營地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響和安全控制措施顯得愈發(fā)重要，定性并定量地評(píng)估和預(yù)測基坑開挖施工對(duì)鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義[4，5]。通過對(duì)鄰近運(yùn)營隧道的基坑施工可能對(duì)隧道產(chǎn)生的影響進(jìn)行預(yù)先評(píng)估，能夠提前指導(dǎo)基坑工程的施工方案，并為編制地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方案，建立安全預(yù)警處理流程提供參考。

2 工程概況

某基坑位于廣州市白云區(qū)，西側(cè)近鄰地鐵某運(yùn)營線路，北側(cè)紅線外側(cè)為足球場邊坡，邊坡現(xiàn)狀高度約 7.5 m。本項(xiàng)目設(shè)地下車庫三層，結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻型式，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，基坑開挖深度為 13.40 m～22.10 m，基坑周長約 460 m，場地±0.000相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高 15.500 m。由于基坑西側(cè)距離地下室邊線約 6 m為用地紅線，紅線外 11.5 m分布有地鐵，為減少對(duì)地鐵線路的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用 1 m厚地下連續(xù)墻+2道內(nèi)支撐 +3.25 m寬坑外格構(gòu)式三軸攪拌樁。其中攪拌樁與地鐵結(jié)構(gòu)距離為 13.25 m，連續(xù)墻邊線與地鐵結(jié)構(gòu)距離為 16.5 m，地下室邊線與地鐵結(jié)構(gòu)距離為 17.5 m，連續(xù)墻進(jìn)入微風(fēng)化層不小于 3 m?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)使用年限自支護(hù)結(jié)構(gòu)完工之日起計(jì)為1年。

由擬建基坑工程與地鐵線路的相對(duì)關(guān)系，根據(jù)《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[6]中對(duì)外部作業(yè)影響等級(jí)劃分和外部作業(yè)的工程影響分區(qū)的規(guī)定，本項(xiàng)目外部作業(yè)影響等級(jí)為三級(jí)。而根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，由于評(píng)估段區(qū)間存在道床開裂、剝離、隧道漏水、結(jié)構(gòu)變形過大等病害，因此本工程的外部作業(yè)屬于重大影響外部作業(yè)。故有必要在實(shí)際開挖之前模擬該項(xiàng)目在基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工等工況下對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響，分析地鐵隧道的受力及變形狀態(tài)在各階段下的變化過程，進(jìn)而評(píng)估該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)地鐵既有隧道結(jié)構(gòu)的影響程度。

3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

在通過三維數(shù)值模擬對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行預(yù)評(píng)估之前，需收集該基坑項(xiàng)目與地鐵隧道的平面及空間相對(duì)位置關(guān)系及各自的斷面尺寸信息；收集相應(yīng)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，確定各土層的物理力學(xué)參數(shù)，為模擬分析時(shí)所需的地層參數(shù)取值提供依據(jù)。

根據(jù)地鐵區(qū)間隧道巖土工程勘察結(jié)果，自上而下土層為：填土層、砂層(呈透鏡體狀分布)、淤泥質(zhì)土層(呈透鏡體狀分布)、粉質(zhì)黏土層(沖積-洪積層)、粉質(zhì)黏土層(坡積層)、粉質(zhì)黏土層(殘積層)、中風(fēng)化石灰?guī)r、微風(fēng)化石灰?guī)r，地鐵隧道洞身主要通過坡積土層。區(qū)間隧道所在土層為粉質(zhì)黏土層，土性為粉質(zhì)黏土、黏土，褐紅色、灰褐色、花斑色等色，稍濕，硬塑狀，黏性一般。其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

區(qū)間隧道所在土層主要物理力學(xué)性質(zhì) 表1

該基坑鄰近區(qū)域地鐵隧道結(jié)構(gòu)三個(gè)代表性監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形監(jiān)測結(jié)果如圖1所示，由圖可以看出，該隧道變形主要發(fā)生隧道建設(shè)期至2014年(期間附近有其他基坑開挖施工)，由2014年～2016年的監(jiān)測結(jié)果可知，隧道變形已趨于穩(wěn)定。

圖1 基坑鄰近區(qū)域地鐵隧道代表性監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形量

根據(jù)以上收集的工程地質(zhì)信息，結(jié)合基坑設(shè)計(jì)、施工方案及地鐵隧道結(jié)構(gòu)，使用MIDAS GTS/NX軟件[7]建立三維整體模型如圖2所示。模擬基坑開挖全過程重點(diǎn)分析擬建基坑對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移影響，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形縫的影響以及施工導(dǎo)致地下水下降帶來的影響，進(jìn)而評(píng)估鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。共分為16個(gè)施工工況，計(jì)算分析前4個(gè)工況為模擬地鐵施工，主要為獲取地鐵結(jié)構(gòu)初始內(nèi)力，具體如表2示。

圖2 基坑與鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的三維整體模型

模擬施工步驟 表2

3.1 對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移影響

對(duì)各工況下引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移進(jìn)行計(jì)算，并獲取各工況下隧道結(jié)構(gòu)豎向位移最大值如圖3所示。由圖3可知，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑開挖，地鐵隧道結(jié)構(gòu)在鄰近基坑側(cè)發(fā)生沉降，沉降量最大發(fā)生在開挖完電梯井時(shí)，沉降值為 0.480 mm，之后隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向位移值基本保持穩(wěn)定。

圖3 各工況下地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移值

通過對(duì)各工況導(dǎo)致的地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行匯總，獲得各工況下該隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大值如圖4所示，由圖可知在基坑開挖至 -14.9 m后，隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大值趨于穩(wěn)定。而隧道結(jié)構(gòu)水平位移的最大值發(fā)生在工況16，即拆除支撐+回填至標(biāo)高時(shí)，為 1.274 mm。

圖4 各工況下地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平位移值

3.2 對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形縫的影響

地鐵線路影響區(qū)段為明挖法隧道，隧道結(jié)構(gòu)按每 60 m設(shè)置一條變形縫，該基坑與隧道變形縫位置如圖5所示。基坑開挖有可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)縫處產(chǎn)生錯(cuò)開，引起滲漏、道床脫空等病害發(fā)生。

圖5 區(qū)間隧道變形縫與基坑相對(duì)位置關(guān)系圖

基坑開挖主要對(duì)位于基坑邊線中部的變形縫產(chǎn)生影響，因此主要對(duì)該變形縫錯(cuò)開情況進(jìn)行分析，圖6為變形縫左右兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)在最危險(xiǎn)的兩個(gè)工況(工況10與工況15)錯(cuò)開情況的計(jì)算結(jié)果。從圖6可以看出，基坑完全開挖(工況10)時(shí)變形縫左右兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)錯(cuò)開量為 0.209 mm，而拆除支撐后(工況15)變形縫左右兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)錯(cuò)開量為 0.215 mm。

圖6 變形縫左右兩側(cè)隧道位移差異對(duì)比

3.3 隧道區(qū)域水位下降導(dǎo)致的影響

根據(jù)已有的地質(zhì)勘查資料，場區(qū)內(nèi)填土層下存在呈透鏡體狀分布的砂層與淤泥質(zhì)土層，且場地內(nèi)廣泛分布溶洞，可能發(fā)生由滲流引起的水位下降，導(dǎo)致土中有效應(yīng)力增加、水壓力減小，從而改變隧道結(jié)構(gòu)和土層受力狀態(tài)，導(dǎo)致隧道和下方土層變形，誘發(fā)變形縫張開，可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)漏水，影響地鐵正常運(yùn)營。

故需分析在地鐵隧道區(qū)域內(nèi)水位下降情況下，隧道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況，確定隧道區(qū)域允許的水位下降值。地鐵隧道區(qū)域內(nèi)水位下降對(duì)地鐵隧道影響數(shù)值分析，采用三維數(shù)值模擬分析的方法，對(duì)水位下降導(dǎo)致的地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加位移進(jìn)行計(jì)算，地鐵隧道區(qū)域水位下降考慮為 0.5 m～3 m，具體的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖表知，地下水位下降將引起地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降，沉降量隨地下水位下降深度的增加而增大，基本呈線性關(guān)系。當(dāng)?shù)叵滤幌陆?0.5 m時(shí)，隧道沉降量為 1.185 mm。

圖7 地下水下降導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)的豎向位移值

根據(jù)以上三維數(shù)值模擬分析結(jié)果，基坑開挖導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大豎直沉降量為 0.480 mm，最大水平位移 1.274 mm；隧道變形縫處最大錯(cuò)開量為 0.215 mm。由此可知，基坑開挖在結(jié)構(gòu)安全可靠的情況下，基坑開挖卸載引起的隧道下沉量較小。根據(jù)滲流數(shù)值模擬分析，當(dāng)隧道上方水位下降達(dá)到 0.5 m時(shí)，隧道沉降量已達(dá)到 1.185 mm；目前鄰近基坑側(cè)的隧道最大沉降量 18.15 mm，為保證地鐵安全，應(yīng)嚴(yán)格控制基坑外側(cè)的水位下降。根據(jù)水位計(jì)算分析結(jié)果及隧道結(jié)構(gòu)病害區(qū)的既有變形量，臨近地鐵側(cè)的基坑周邊水位下降幅度應(yīng)控制在 0.85 m以內(nèi)。根據(jù)模擬評(píng)估結(jié)果，提出了基坑開挖期間的地鐵隧道區(qū)間監(jiān)測建議如下：鄰近地鐵側(cè)的基坑邊線與地鐵結(jié)構(gòu)縱向大致平行，基坑施工范圍在地鐵結(jié)構(gòu)的投影長度約 95 m，基坑施工作業(yè)將對(duì)該區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響，結(jié)合基坑施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍，隧道結(jié)構(gòu)在該區(qū)域及其鄰近區(qū)域共 135 m范圍內(nèi)屬于重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，建議采用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)方案[8]。

4 結(jié) 論

基坑開挖前進(jìn)行鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估是實(shí)施全過程地鐵保護(hù)的重要步驟。在收集工程地質(zhì)條件、施工工況、工程參數(shù)、地鐵歷史監(jiān)測資料等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立三維有限元模型進(jìn)行地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形模擬分析是一種行之有效的方法。根據(jù)所選案例模擬結(jié)果可知，基坑開挖卸載引起的隧道下沉量較小，而基坑開挖地下水下降導(dǎo)致的沉降量較大，故應(yīng)嚴(yán)格控制基坑外側(cè)的水位下降。模擬分析得到的變形數(shù)據(jù)有助于優(yōu)化基坑施工方案，為制定相應(yīng)的地鐵隧道重點(diǎn)區(qū)域安全監(jiān)測方案，建立地鐵安全運(yùn)營保護(hù)措施提供建議。