上跨城軌段基坑開挖安全性模擬及施工控制

張江雄 尤偉軍 肖 毅 賴仲棟 孫輝輝 方 圓

(中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 武漢 430040)

隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程加快，地鐵和基坑工程規(guī)模不斷增加。鑒于建設(shè)時(shí)序和空間原因，必然會(huì)存在后續(xù)基坑開挖對(duì)下方地鐵隧道造成安全隱患的問(wèn)題。評(píng)估基坑開挖對(duì)已有重要建筑的影響及圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全是類似工程動(dòng)工前的首要任務(wù)[1]。

目前，我國(guó)在近地鐵基坑開挖技術(shù)方面，文獻(xiàn)[2]研究了基坑隆起計(jì)算方法及影響深度，且用理論解析的方法推導(dǎo)了開挖卸荷條件下側(cè)向土體對(duì)下臥盾構(gòu)隧道的影響；文獻(xiàn)[3]通過(guò)三維數(shù)值模擬分析，對(duì)基坑施工全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析結(jié)果為：基坑開挖、回筑過(guò)程中已建地鐵車站、區(qū)間隧道的位移變形均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，驗(yàn)證了基坑開挖、加固方案的有效性；文獻(xiàn)[4]從實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)分析的角度研究基坑開挖對(duì)下方盾構(gòu)隧道的影響。目前對(duì)MJS工法門式加固在上跨段應(yīng)用研究較少，且一般僅考慮隧道上浮量而對(duì)管片接縫縫隙關(guān)注較少。本文采用midas GTS軟件從管片上浮、接縫張開量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形等方面模擬計(jì)算MJS工法加固下基坑開挖對(duì)城軌隧道的影響，并提出相應(yīng)的安全控制措施。

1 上跨城軌段施工方案

1.1 工程概況

十字門隧道北起珠海市南灣大道，沿會(huì)展四路向南敷設(shè)，過(guò)馬騮洲水道后至橫琴島，沿榮粵路繼續(xù)向南敷設(shè)至匯通二路交叉口，穿越水道采用盾構(gòu)法施工，其他段為明挖法施工。

隧道在橫琴區(qū)榮粵路與匯通五路十字交叉口處(YK0+342.8-YK0+380)與珠機(jī)城軌垂直正交，相交段長(zhǎng)40 m，為明挖施工，開挖深度8.38～10.3 m，結(jié)構(gòu)底距珠機(jī)城軌凈距8.1～9.2 m，珠機(jī)城軌為盾構(gòu)隧道，埋深10.8 m，管片外徑8.5 m，內(nèi)徑7.7 m，隧道上跨城軌段立面圖見圖1。

圖1 隧道上跨城軌段立面圖(單位：m)

1.2 施工概況

隧道上跨城軌段施工整體思路為：先采用H形鋼墻結(jié)合MJS門式基坑加固，接著進(jìn)行冠梁和鋼筋混凝土支撐體系施工，最后分一期、二期進(jìn)行基坑開挖。其中，基坑四周樁頂設(shè)置800 mm×800 mm冠梁，一期基坑和二期基坑分界處樁頂設(shè)置900 mm×800 mm冠梁；坑內(nèi)支撐為“1層鋼筋混凝土撐+2層鋼管撐”，首層為4道水平撐和四角各2道斜撐，鋼筋混凝土撐尺寸為800 mm×800 mm，以下2層鋼管撐采用直徑×壁厚=609 mm×16 mm鋼管，布置形式與首層混凝土撐一致，基坑加固平面圖和剖面圖見圖2。

圖2 基坑加固圖(尺寸單位：mm)

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

1) 土層參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。依據(jù)該段地勘報(bào)告，本次分析的土層結(jié)構(gòu)選取包含人工填土、淤泥、粗砂、淤泥質(zhì)黏土、含粗砂粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖，其土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。依據(jù)該段圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，支護(hù)結(jié)構(gòu)包含冠梁、混凝土撐、工字鋼圍檁、鋼管撐和H形鋼，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系見表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

2) 三維模型的建立。幾何模型計(jì)算區(qū)域的選取充分考慮了基坑開挖引起的邊界效應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)有研究，基坑外水平向幾何尺寸取基坑開挖深度的3～5倍以上，豎直向取2～4倍以上。因此，計(jì)算模型三維尺寸為150 m×150 m×70 m，MJS加固段整體模型見圖3，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

圖3 MJS加固段整體模型 圖4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

模型中土體、巖體采用三維實(shí)體單元，冠梁、圍檁及鋼筋混凝土支撐均采用梁?jiǎn)卧M，H形樁墻、城軌隧道管片均采用板單元模擬。計(jì)算過(guò)程中荷載考慮各土層重力、施工機(jī)械荷載及支護(hù)結(jié)構(gòu)重力，坑頂按設(shè)計(jì)圖規(guī)定的區(qū)段超載不得大于20 kPa，約束有限元底部豎向位移、模型各側(cè)面的法向位移，計(jì)算模型中各支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、彎矩。

2.2 模擬工況設(shè)計(jì)

本次分析主要設(shè)置降水和不降水2種工況，工況一為降水施工工況，即基坑開挖前依次降水至開挖坑底下0.5 m處；工況二為不降水開挖工況，開挖分析施工步序見表3。

表3 開挖分析施工步序

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

分析基坑降水與不降水2組工況，探討不同降水情況下，基坑開挖對(duì)既有珠機(jī)城軌隧道的結(jié)構(gòu)影響，為了清楚表示其影響，將詳細(xì)展示珠機(jī)隧道結(jié)構(gòu)Y、Z方向的位移云圖、彎矩云圖。

3.1 對(duì)隧道位移影響分析

連續(xù)分析不同開挖步序下左、右線隧道在Y、Z方向的位移云圖(以下為工況二對(duì)應(yīng)位移云圖，工況一與工況二的對(duì)應(yīng)相似，故不予列出)、提取各施工步序下最大位移，基坑開挖隧道Y方向和Z方向位移變化見圖5和圖6。

圖5 基坑開挖隧道Y方向位移變化

圖6 基坑開挖隧道Z方向位移變化

由圖5～6可知，珠機(jī)隧道結(jié)構(gòu)Y、Z方向的位移變化受降水影響較大。對(duì)于工況一，右線隧道Y、Z方向最大位移分別為3.19 mm和8.08 mm，左線隧道Y、Z方向最大位移分別為3.97 mm和8.62 mm，分別對(duì)應(yīng)一期及二期基坑開挖至坑底時(shí)；工況二為不降水開挖工況，Y、Z方向最大位移較降水工況均有增大，位移變化趨勢(shì)與工況一一致。依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，各施工過(guò)程引起的城際隧道豎向和水平位移均應(yīng)小于20 mm限值，故既有珠機(jī)左、右線隧道結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)。

3.2 對(duì)隧道彎矩影響分析

連續(xù)分析不同開挖步序下左、右線隧道在X、Y方向的彎矩云圖(以下為工況二彎矩云圖，工況一與工況二的彎矩變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)相似，故不予列出)，提取各施工步序下最大彎矩，基坑開挖隧道X方向彎矩和Y方向彎矩變化圖分別見圖7和圖8。

圖7 基坑開挖隧道X方向彎矩變化圖

圖8 基坑開挖隧道Y方向彎矩變化圖

襯砌內(nèi)徑d為7.7 m、外徑D為8.5 m，圓環(huán)截面抵抗矩：抗彎時(shí)W=π(D4-d4)/(32D)=19.69×109mm3，圓環(huán)截面積：S=π(D2-d2)/4=10.17×106mm2。由圖7～圖8可知，不降水開挖引起的彎矩較大，隧道X方向彎矩為45.32 kN·m，不會(huì)引起管片裂縫張開，Y方向最大彎矩為50.25 kN·m，按以下步驟進(jìn)行管片接縫張開量驗(yàn)算。

式中：N為螺栓預(yù)應(yīng)力引起的軸向力，按規(guī)范取280 kN；M為外荷載引起的彎矩，N·mm；S為襯砌截面面積，mm2；W為襯砌截面距，mm3；σc為混凝土管片局部拉應(yīng)力，MPa。

管片在拉應(yīng)力作用下變形量為Δl，E為鋼筋混凝土彈性模量。

根據(jù)規(guī)范，盾構(gòu)管片接縫張開量的控制值為3 mm，故管片接縫張開量滿足規(guī)范要求。

3.3 對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

為精確表示基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，提取兩工況不同步序下H形樁墻在X、Y、Z方向最大位移(以下為工況二對(duì)應(yīng)位移云圖，工況一與工況二對(duì)應(yīng)相似，故不予列出)，降水與不降水2種開挖工況下H形鋼墻位移見圖9。

圖9 降水與不降水開挖工況下H形鋼墻位移

由圖9可知，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)H形樁墻各方向的位移變化受降水條件的影響較大，兩工況H形樁墻位移均在二期基坑開挖到坑底時(shí)達(dá)到最大值。在工況一條件下，H形樁墻X、Y、Z方向最大位移分別為3.96，8.37，7.00 mm；在工況二條件下，H形樁墻X、Y、Z方向最大位移分別為6.62，9.13，8.47 mm。根據(jù)規(guī)范[5]，各施工過(guò)程引起的一級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移均應(yīng)小于限值30 mm，故基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)H形樁墻處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以珠海十字門隧道上跨城軌段基坑開挖為研究對(duì)象，采用midas GTS對(duì)基坑開挖過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，主要得到以下結(jié)論。

1) 基坑采用MJS門式加固及分兩期開挖可將隧道上浮量控制在規(guī)范值20 mm以下，方案有效可行。

2) 分兩期開挖時(shí)，二期基坑開挖過(guò)程中一期基坑上浮量由1.68 mm增大至2.12 mm，后挖二期基坑對(duì)先挖一期基坑有上浮影響，影響增量為26%。

3) 地鐵上浮量及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受降水影響較大，降水開挖可將地鐵上浮量由9.83 mm降低至8.62 mm，降低幅度為14%。

4) 基坑開挖后及時(shí)施做底板可形成門式加固阻止隧道管片上浮，且對(duì)隧道有一定的回壓作用，隧道上浮量由3.19 mm降低至1.58 mm，回壓效果約為50%。

5) 基坑開挖前先進(jìn)行基坑降水，沿隧道縱向設(shè)3排降水，降水至隧道腰部；基坑開挖過(guò)程中分塊、分小倉(cāng)開挖，控制卸荷量和卸荷速度。