深大基坑開挖卸荷對(duì)地鐵隧道的影響分析★

劉 賀 顧煒澄 曹海青

(1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213000; 2.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

0 引言

地鐵作為解決城市交通擁擠的重要交通工具，近年來在各大城市發(fā)展十分迅猛[1]。成型的地鐵隧道多深埋于地下，整體呈“線型”結(jié)構(gòu)，由預(yù)應(yīng)力管片拼接而成，抗變形能力較差，受周圍巖土體應(yīng)力環(huán)境影響較大[2,3]。基坑的開挖必然引起周圍地層的移動(dòng)，造成基坑周圍巖土體應(yīng)力重分布，導(dǎo)致地鐵隧道隆起變形[4]。若地鐵隧道位于含水層時(shí)，較大的變形可能會(huì)引發(fā)隧道滲水漏泥或局部破壞，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全和列車正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[5,6]。

為研究深基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響，本文采用三維有限差分軟件FLAC3D模擬基坑開挖全過程中，研究不同開挖階段對(duì)地鐵隧道的影響；針對(duì)基坑開挖時(shí)的坑外降水方案，模擬坑外降水對(duì)地鐵隧道的影響。針對(duì)模擬結(jié)果對(duì)整個(gè)基坑施工的安全性進(jìn)行評(píng)估分析[7-9]，給日后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

南京某建筑工程基坑?xùn)|側(cè)與運(yùn)營(yíng)中的地鐵2號(hào)線元通站一奧體東站區(qū)間隧道相接，最小凈距約56 m，平行該區(qū)間方向基坑長(zhǎng)度約177 m。南側(cè)與運(yùn)營(yíng)中的地鐵10號(hào)線元通站一奧體中心站區(qū)間隧道相鄰，最小凈距約103 m，平行該區(qū)間方向基坑長(zhǎng)度約200 m?；优c地鐵隧道位置關(guān)系詳見圖1。

基坑總面積為44 847 m2，基坑總延長(zhǎng)約835 m，基坑開挖深度為17.50 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻(圍護(hù)樁)+內(nèi)支撐的體系，與地鐵相鄰側(cè)及臨近楠溪江西街側(cè)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，另外一側(cè)采用φ 1 100@1 300鉆孔樁加φ 850@600高壓旋噴樁。內(nèi)支撐采用4層鋼筋混凝土，對(duì)撐、角撐、邊析架體系支撐。第一層支撐標(biāo)高-2.00 m，第二層支撐標(biāo)高-7.00 m，第三層支撐標(biāo)高-11.60 m，第三層支撐標(biāo)高-15.60 m。

基坑內(nèi)對(duì)開挖深度范圍內(nèi)的潛水、第一承壓水采用聯(lián)合疏干井進(jìn)行疏干降水，對(duì)第二承壓水采用獨(dú)立的降壓井疏干降水。

1.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告可知，擬建場(chǎng)地內(nèi)自上而下分布土層為：①-1雜填土、①-2素填土、②-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-2粉質(zhì)黏土、③-1粉細(xì)砂、③-2粉細(xì)砂、④中粗砂混卵礫石、⑤-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖。其中土體的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)地下水的賦存、埋藏條件，本場(chǎng)地的地下水類型主要為孔隙潛水，承壓水次之，基巖裂隙水更少。潛水含水層由①層人工填土、②-1和②-2層新近沉積的黏性土構(gòu)成；弱承壓含水層組由下部的③-1，③-2層粉細(xì)砂及④層中粗砂混卵礫石構(gòu)成。

2 三維有限元數(shù)值模擬

為了研究基坑開挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，選用三維有限差分計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行模擬仿真。充分考慮工程模擬精度與效率，模型尺寸為480 m×550 m×70 m，模型節(jié)點(diǎn)116 613個(gè)，實(shí)體單元數(shù)104 224個(gè)。計(jì)算分析采用M-C模型，地下車站結(jié)構(gòu)、隧道襯砌以及基坑內(nèi)支撐和立柱采用結(jié)構(gòu)殼單元(Shell element)、襯砌單元(Liner element)以及梁?jiǎn)卧?Beam element)模擬。四周邊界約束水平位移底部全約束，立柱底端約束豎向轉(zhuǎn)動(dòng)：模型考慮土體及結(jié)構(gòu)自重荷載，地面超載20 kPa。模型施工圖如圖2所示。

3 安全評(píng)估分析

3.1 基坑開挖的影響分析

基坑分步開挖，第一層開挖深度0.95 m，二層開挖深度6.65 m，三層開挖深度10.55 m，四層開挖深度14.05 m至基坑底部，基底標(biāo)高為15.1 m?？觾?nèi)設(shè)置三道內(nèi)支撐。各層開挖產(chǎn)生的地下結(jié)構(gòu)總位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，地鐵隧道位移值隨著基坑開挖逐漸增大?；娱_挖后地鐵2號(hào)線靠近基坑盾構(gòu)隧道的最大位移值為3.42 mm，遠(yuǎn)基坑盾構(gòu)隧道的最大位移值為2.25 mm；地鐵10號(hào)線最大位移1.81 mm，所以距基坑越近隧道變形越大?；娱_挖結(jié)束后的隧道結(jié)構(gòu)特征位移如表2所示，從表2中可以看出，2號(hào)線近基坑隧道位移量較大，遠(yuǎn)基坑一側(cè)由于隧道的遮攔作用，位移較??；10號(hào)線由于距離基坑較遠(yuǎn)，整個(gè)開挖過程中，隧道位移較小，較為安全。整個(gè)開挖過程中，位移量均未超過控制值，臨近地鐵隧道位移變化不大。

表2 基坑開挖完成后地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移特征值 mm

3.2 坑外降水影響分析

考慮到實(shí)際施工時(shí)如果地連墻的質(zhì)量存在缺陷，在施工過程中存在漏水，則基坑開挖時(shí)必須采取措施降低坑外水位，這必然也會(huì)對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道造成影響。為了研究降低水位的影響，在做地基加固的情況下開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后再降低地下水位至不同標(biāo)高處，采集地鐵盾構(gòu)隧道的位移信息。計(jì)算所得水位降低至不同標(biāo)高處(地下2 m，6 m，9 m，14 m)的地鐵盾構(gòu)隧道的位移情況如圖4所示。

從圖4中可以看出，隧道位移隨坑外水位的下降變化較為明顯，地下水從1 m降低到2 m位置后，2號(hào)線地鐵隧道最大位移值為6.22 mm，已接近預(yù)警，當(dāng)水位繼續(xù)下降，地鐵隧道豎向位移變化明顯。因此必須采取措施保證止水帷幕效果，減小坑外水位下降引起的隧道位移，才能保證地鐵結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論與建議

1)基坑開挖過程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為31.36 mm；地表最大沉降量為5.56 mm；地鐵2號(hào)線兩條隧道的總位移分別為3.40 mm和1.78 mm；10號(hào)線兩條隧道的總位移分別為1.81 mm和1.81 mm；各數(shù)據(jù)均在控制范圍內(nèi)，可說明該基坑開挖過程中，地鐵隧道結(jié)構(gòu)和基坑結(jié)構(gòu)安全。2)從2號(hào)線隧道位移情況和10號(hào)線對(duì)比可知，距離基坑較近的隧道位移變化越大，之后工程應(yīng)盡量控制基坑與隧道結(jié)構(gòu)的距離，保證基坑安全。3)2號(hào)線臨近基坑側(cè)隧道和遠(yuǎn)基坑側(cè)隧道位移差異較大，說明位移地下的隧道結(jié)構(gòu)，由于其自身剛度的影響，會(huì)對(duì)土體的變形起到一定的遮攔作用，因此之后工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注近基坑側(cè)地鐵隧道結(jié)構(gòu)，做好加固處理。4)從坑外降水對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響的模擬計(jì)算中可以看出：隧道位移隨坑外水位的下降變化較為明顯，地下水從1 m降低到2 m位置后，2號(hào)線地鐵隧道最大位移值為6.22 mm，已接近預(yù)警，當(dāng)水位繼續(xù)下降，地鐵隧道豎向位移變化明顯。因此必須采取措施保證止水帷幕效果，減小坑外水位下降引起的隧道位移，才能保證地鐵結(jié)構(gòu)安全。