基坑開挖對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全的影響分析

麻鳳海，宋 帥，董 博

(1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266001)

隨著城市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，地鐵已成為城市軌道交通的重要組成部分，但地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的建筑施工對(duì)已建地鐵線路安全的影響日益凸顯[1-3].章潤(rùn)紅等[4]研究了基坑開挖卸荷作用下臨近地鐵隧道的埋深、隧道和基坑地下連續(xù)墻的距離及剛度比等關(guān)鍵因素對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)附加彎矩和附加位移的影響；徐中華等[5]以上海某緊鄰地鐵9號(hào)線區(qū)間隧道基坑工程為依托，研究了不同開挖措施下基坑的變形規(guī)律；孔俊強(qiáng)[6]分析了雙排樁支護(hù)深基坑工程對(duì)鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，得到了相應(yīng)工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形及受力規(guī)律；宋永彬[7]以徐州中山國(guó)際基坑項(xiàng)目為背景，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)不同因素下地鐵隧道的最大豎向變形及水平變形進(jìn)行敏感性分析，認(rèn)為基坑開挖深度和水平間距是導(dǎo)致隧道豎向變形和水平變形的主要因素.為了實(shí)現(xiàn)既有地鐵線路正常運(yùn)營(yíng)的同時(shí)完成城市發(fā)展其他施工項(xiàng)目的目標(biāo)，本文利用有限元軟件，以青島某鄰近地鐵基坑施工項(xiàng)目為例，通過(guò)模擬不同的工況，研究相應(yīng)工況下基坑周圍土體卸載所帶來(lái)的地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力的變化，判斷其施工是否滿足規(guī)范中規(guī)定的隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)要求，以求為基坑開挖施工方案和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案的制定提供依據(jù).

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

擬建場(chǎng)地內(nèi)包含3幢住宅樓、1幢2層商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)布有2層地下車庫(kù)，基坑周長(zhǎng)約360 m,開挖深度約6.3～13.9 m.基坑南側(cè)及西側(cè)采用“鋼管樁+預(yù)應(yīng)力錨索+格構(gòu)梁”的支護(hù)形式，北側(cè)采用土釘墻作為支護(hù)形式，東側(cè)鄰近地鐵隧道側(cè)采用雙排懸臂灌注樁支護(hù)形式.其中整個(gè)基坑工程的最深開挖深度達(dá)13.9 m，為東側(cè)鄰近地鐵側(cè)基坑.為保證基坑的順利開挖及地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，該側(cè)坡頂線以外1.5 m范圍內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面層：采用HPB300Φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為200 mm，雙向布置鋼筋網(wǎng)，噴面厚度為80 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20.雙排灌注樁間距為2.0 m，排距為2.8 m，樁徑為0.80 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；樁底端嵌入基底以下4.0 m，樁頂端與冠梁連接，鋼管內(nèi)外灌注水灰比為1∶1的水泥漿.

1.2 地鐵隧道概況

地鐵隧道區(qū)間為礦山法暗挖區(qū)間，區(qū)間受影響長(zhǎng)度約為170 m，拱頂埋深為15.2 m，襯砌采用C30混凝土，厚為0.3 m；區(qū)間內(nèi)隧道大部分在微風(fēng)化巖層(Ⅲ級(jí))中穿過(guò)，地層條件相對(duì)單一；基坑施工期間地鐵區(qū)間處于正常使用狀態(tài).

1.3 位置關(guān)系

項(xiàng)目地塊位于地鐵線路西側(cè)，基坑?xùn)|側(cè)外排圍護(hù)樁與區(qū)間最小水平凈距約為8.10 m；基坑底與隧道拱頂最小豎向凈距約為6.70 m，基坑?xùn)|側(cè)外排圍護(hù)樁的樁端與隧道拱頂最小豎向凈距約為2.70 m.基坑與區(qū)間隧道的位置相對(duì)關(guān)系如圖1、圖2所示.

圖1 基坑與區(qū)間隧道水平位置關(guān)系示意圖

圖2 基坑與區(qū)間隧道豎向位置關(guān)系示意圖

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型的基本簡(jiǎn)化和假定

結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，采用MIDAS-GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并做了地層簡(jiǎn)化，即簡(jiǎn)化后的地層從上至下分別為素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖.對(duì)位于保護(hù)區(qū)內(nèi)擬建的3幢住宅樓，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地基反力資料，將上部荷載簡(jiǎn)化為作用在建筑基底的均布荷載300 kPa.同時(shí)，假定施工過(guò)程均為理想施工狀態(tài)，且地鐵初始隧道結(jié)構(gòu)完好.

2.2 參數(shù)的選取

數(shù)值計(jì)算模型中所采用的土層參數(shù)見表1，地層的計(jì)算采用修正摩爾庫(kù)倫模型；結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2，用以計(jì)算采用的彈性模型.

表1 地層物理、力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)參數(shù)

2.3 模型的建立

為了確保三維模型有足夠的計(jì)算精度，并保證計(jì)算效率，模型尺寸取沿隧道方向190 m、寬度方向160 m、垂直方向從地面向下45 m.模型中的地層，采用實(shí)體單元模擬；隧道襯砌、支護(hù)樁、雙排樁及樁頂連系梁，采用等效板單元模擬；錨桿、土釘，采用植入式桁架單元模擬.三維有限元計(jì)算模型如圖3所示.

圖3 三維有限元計(jì)算模型

3 基坑開挖工況模擬

基坑土方開挖是卸荷過(guò)程，隨著基坑土體的開挖，其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)失衡致使周圍土體向基坑開挖方向移動(dòng)，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向位移和水平位移，進(jìn)而影響臨近地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力[8].為更加準(zhǔn)確地模擬基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全所產(chǎn)生的影響，模擬過(guò)程的計(jì)算步驟具體見表3.

表3 模擬工況

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)有限元軟件模擬得到各工況下區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力狀況，下面從基坑開挖與主體結(jié)構(gòu)施工引起的隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分布兩個(gè)方面進(jìn)行分析.

4.1 基坑開挖引起的隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力

基坑開挖施工使土體產(chǎn)生擾動(dòng)，改變?cè)型馏w應(yīng)力平衡狀態(tài)，周圍土體在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)下重新達(dá)到平衡狀態(tài).這一過(guò)程中巖土體應(yīng)力重新分布，致使巖土體產(chǎn)生位移變形[9].土體恢復(fù)平衡狀態(tài)時(shí)由于樁-土的接觸導(dǎo)致區(qū)間隧道產(chǎn)生應(yīng)力重分布，進(jìn)而產(chǎn)生變形.本項(xiàng)目基坑開挖各工況(CS1～CS5)下引起的區(qū)間隧道X、Y、Z各向位移如圖4所示，基坑開挖至坑底隧道區(qū)間總位移如圖5所示.

圖4 各工況下區(qū)間隧道襯砌的各向位移

圖5 基坑開挖至坑底隧道區(qū)間的總位移云圖

通過(guò)圖4可以看出隧道襯砌各個(gè)方向的位移隨著基坑開挖深度的增加而增大，各向最大位移均發(fā)生在工況CS5，即基坑開挖至基底時(shí).其中，隧道最大豎向沉降位移為0.11 mm，最大豎向隆起量為0.85 mm，最大水平側(cè)向位移為2.14 mm.水平位移呈向基坑側(cè)偏移的趨勢(shì)，完全符合基坑開挖土體卸載引起周圍土體側(cè)向偏移的一般規(guī)律.

從圖5可知基坑開挖至基底時(shí)，左側(cè)隧道變形較右側(cè)變形大，最大總位移發(fā)生在隧道靠近基坑的左側(cè)隧道中部位置，為2.30 mm，小于CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中隧道水平、豎向位移建議控制值3 mm[10]的要求，故而能夠保證地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全.

基坑開挖各工況過(guò)程中引起的隧道最大、最小主應(yīng)力值見表4.根據(jù)表4可以看出，隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力值在各開挖工況下變化不大.最大主應(yīng)力值位于鄰近基坑開挖側(cè)隧道仰拱處，為1.420 MPa，小于C45混凝土的抗拉強(qiáng)度值1.80 MPa，滿足抗拉強(qiáng)度要求；最小主應(yīng)力值為-8.118 MPa，其絕對(duì)值小于C45混凝土的抗壓強(qiáng)度值21.1 MPa，滿足抗壓強(qiáng)度要求.所以，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全.

表4 各工況下隧道最大、最小主應(yīng)力

4.2 主體結(jié)構(gòu)荷載引起的隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力

主體結(jié)構(gòu)施工完成后結(jié)構(gòu)荷載作用于基底，對(duì)鄰近地鐵線路隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，故而對(duì)上部結(jié)構(gòu)施加荷載后隧道的位移及結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了分析.主體結(jié)構(gòu)荷載施加后引起的隧道最大位移值見表5.從表5可以看出主體結(jié)構(gòu)施工完成之后隧道最大豎向沉降位移為0.08 mm，最大豎向隆起量為0.77 mm，最大水平側(cè)向位移為1.91 mm.相較于基坑開挖至坑底時(shí)，就結(jié)果而言各向位移均有所減小，說(shuō)明主體結(jié)構(gòu)施工對(duì)隧道變形起到了一定的抑制作用，而這表明了制定施工方案時(shí)各工序之間的時(shí)間銜接緊密的重要性.

表5 工況CS6下隧道區(qū)間的最大位移

工況CS6隧道豎向、側(cè)向位移如圖6所示.從圖6可以看出總位移為2.06 mm，相較于基坑開挖階段有所減小，但位移變形處仍發(fā)生在靠近基坑的左側(cè)隧道中部位置.數(shù)值上均小于規(guī)范中隧道水平、豎向位移建議控制值3 mm的要求，說(shuō)明施工過(guò)程中能夠保證地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全.

圖6 工況CS6隧道區(qū)間云圖

主體結(jié)構(gòu)荷載施加后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力相較于基坑開挖階段變化不大，最大主應(yīng)力值與最小主應(yīng)力值均小于C45混凝土的抗壓強(qiáng)度值，滿足抗壓強(qiáng)度要求.所以，主體結(jié)構(gòu)完成后地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全.

5 結(jié)論

基于青島某鄰近地鐵基坑施工項(xiàng)目，利用有限元軟件模擬不同工況下基坑開挖過(guò)程并對(duì)其分析，得到如下結(jié)果：

1)基坑開挖施工及項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)施工所引起的隧道豎向沉降位移、最大豎向隆起量、最大側(cè)向位移、總位移及其受力情況均滿足規(guī)范要求，因此嚴(yán)格按照現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案和施工方案進(jìn)行施工就能保證地鐵線路的正常運(yùn)營(yíng).

2)計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)豎向及側(cè)向最大位移均發(fā)生在隧道靠近基坑的左側(cè)隧道中部位置，因此東側(cè)圍護(hù)樁的施工過(guò)程中和基坑開挖時(shí)要增加隧道中部襯砌結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)頻率.

3)制定施工方案時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制圍護(hù)樁垂直度，樁基施工中根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整旋挖鉆頭及進(jìn)尺速度，避免樁孔傾斜對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響.同時(shí)，基坑開挖與主體結(jié)構(gòu)施工工序之間的銜接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng).

4)對(duì)于現(xiàn)有地鐵線路，應(yīng)加強(qiáng)隧道臨近基坑側(cè)的日常監(jiān)測(cè)，即采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移、隧道凈空收斂等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證施工過(guò)程中地鐵運(yùn)行的安全.