基坑开挖施工对既有地铁隧道的影响分析_吴斌.pdf

2023 年第 02 期总第 296 期福建建筑Fujian Architecture ConstructionNo 022023Vol296基坑开挖施工对既有地铁隧道的影响分析吴斌(广州地铁设计研究院股份有限公司广东广州510010)摘要:随着城市地下空间建设的快速发展，临近地铁隧道的基坑开挖情况越来越多，必然对既有隧道产生影响，给既有地铁的保护提出了诸多挑战。因此，合理的基坑设计、施工工艺，成为项目成功实施的关键。结合临近地铁隧道的桥梁基坑开挖施工的实际工程，对临近既有地铁隧道进行了相关力学性能分析，并将结果与实测情况进行对比与讨论。分析结果表明，通过采取必要的加固与保护措施后，临近地铁隧道的基坑开挖具备实施的可行性。关键词:基坑开挖;地铁隧道;数值模拟;地铁保护中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:1004 6135(2023)02 0067 05Influence On Metro Tunnels Due To Excavation Of Foundation PitWU Bin(Guangzhou Metro Design esearch Institute Co Ltd，Guangzhou 510010)Abstract:With the high development of the underground space，more and more excavation of foundation pits were built adjacent to or abovethe operating tunnels，which will bring many difficulties to the metro protection Its necessary to choose sound design and constructiontechnology in the Excavation of foundation pit According to the project of excavation of foundation pit near the metro tunnel，the mechani-cal analyses were completed in this paper，and the results with the Measured data were compared The analytical results showed that bytaking necessary reinforcement and protection measures，the foundation pit project near metro tunnels is technically feasibleKeywords:Excavation of foundation pit;Metro tunnels;Numerical simulation;Metro protection作者简介:吴斌(1989 01)，男，工程师。E-mail:505106008 qq com收稿日期:2022 07 050引言随着社会经济的进步，城市轨道交通建设也得到了快速的发展，而地铁隧道周边建构筑物的建设，尤其是基坑的开挖，必然会引起周围地层移动，导致隧道位移场和应力场的变化1，对地铁隧道可能产生致命的影响。如何处理周边基坑开挖对既有隧道的影响，已经成为紧迫的课题。随着城市建设的发展，现在的基坑设计不仅仅要考虑自身基坑的安全，更要关注分析基坑工程对周边建(构)筑物的影响。因此，需将基坑工程和周边环境作为整体进行考虑2 3。基坑支护体系本质是空间结构。在二维分析中，支护被人为拆分为水平的内支撑分析和竖向的围护分析，只能做到点位移协调，无法真实模拟基坑开挖过程中的空间影响。目前在实际工程运用中，趋向于采用能得到更符合实际内力和位移结果的三维数值模拟方法，来分析基坑开挖对临近地铁隧道的安全性影响。王卫东等人4 应用数值模拟的方法，分析基坑开挖对下卧隧道的影响;陈锦剑等人5 采用数值模拟，分析了深基坑开挖对穿越期间的浅埋隧道的影响;胡琦等人6 研究了深基坑开挖土体扰动对临近地铁隧道的影响;张治国等人7 考虑基坑开挖引起的坑底和四周坑壁土体同时卸荷产生的影响，提出基坑开挖对临近地铁隧道纵向变形影响的两阶段分析方法。由于地区地质的不同、项目情况的不同，不同的项目不可避免具有各自的特点。本文结合福州市某桥梁基坑开挖的实际工程，采用数值模拟该基坑开挖对已完成的福州地铁 6 号线区间隧道的影响，为今后的工程实践提供参考。1工程概况桥梁基坑邻近福州市轨道交通 6 号线潘墩站 林浦站区间，该桥梁单孔跨度 20 m，总跨度为 40 m，场地整平标高约 5.50 m 8.50 m。工程原计划基坑由远及近朝隧道上方一次性开挖，工程开挖量及结构工程量较大，施工时间较长。为减少基坑开挖对既有隧道的影响，对原设计方案及68福建建筑2023 年施工方案进行了调整。考虑如若先开挖远离隧道区域的基坑，则对既有隧道的影响从一开始就存在且历经时间较长，故决定对施工工序进行如下调整:整体将基坑分为两期，同时一期基坑分为 2 个阶段实施。总体施工顺序为先开挖一期基坑，待一期基坑内部结构施工完成后施工二期基坑，待二期基坑内部结构完成之后施工桥面盖板。其中，一期基坑分为 2 个阶段实施。先施工隔离桩南侧基坑。即先施工临近隧道的基坑，后实施隧道正上方基坑，由于分期后的基坑平面尺寸较小，同时第一道支撑标高相对较高，可满足一期基坑的开挖需求，可通过加快施工进度，以减少对隧道的影响时间。项目一期场地整平标高约6.00 m 8.50 m，规划河底标高为 2.50 m，基础底标高 1.00 m，底板底设 200 mm 厚垫层，坑底标高为0.80 m，开挖深度为 5.20 m 7.70 m;二期场地整平标高约 5.50 m 8.50 m，坑底标高为 1.10 m，开挖深度为 6.60 m 9.60 m。一期北侧基坑支护桩位于潘墩站 林浦站区间隧道上方，支护桩桩底距离(垂直距离)潘墩站 林浦站区间盾构隧道主体结构约0.75 m 0.97 m，如图 1 图 2 所示。图 1基坑平面布置图图 2基坑典型剖面示意图基坑开挖范围从上至下的土层分别为:填石层、淤泥层、粉质粘土层、(含泥)中细砂层。其中，淤泥层为流塑状，属高压缩性土层，层厚较大，承载力低，工程力学性质差。基坑支护方案采用 8001000 灌注桩+一道钢筋混凝土内支撑支护，有效桩长 8.0 m 21.7 m。为减少基坑开挖对既有隧道的影响，一期基坑分为 2 阶段实施。内隔离桩采用 800 1000 灌注桩，隔离桩桩顶采用 1200 800 砼冠梁，采用植筋连接与围护结构冠梁相连，植筋钢筋型号与冠梁钢筋一致。由于基坑开挖范围及底部存在深厚淤泥层，为减少基坑开挖引起的隧道上浮影响，同时考虑施工场地有限，基底采用高压旋喷桩满堂加固，其水泥掺量不少于20%，且控制隧道正上方加固距离隧道顶部不少于2 m。2数值模拟与分析2.1模型建立分析采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GTS NX 进行计算。在基坑开挖中，基坑底部的土体主要承受卸载，围护边的土主要承受剪切应力。为了研究施工过程中各结构构件的荷载效应，以便指导设计，土体材料本构模型取用修正摩尔 库伦模型，其剪切屈服面与压缩屈服面是独立的，在剪切方向和压缩方向采用了双硬化模型，既较好地描述了岩土材料的强度特性，提高了计算的收敛性。其相关输入参数为泊松比、粘聚力 c、内摩擦角、三轴试验的割线刚度 E50ref、主压密试验的切线刚度 Eoedref及卸载/加载刚度 Eurref。衬砌结构材料按线弹性考虑，如图 3 所示。图 3土层模型有限元模型尺寸为 228 m 204 m 40 m，约为 5倍基坑开挖深度。有限元模型的边界条件为:模型底部约束竖向位移，模型四周约束水平向位移。2023 年 02 期 总第 296 期吴斌基坑开挖施工对既有地铁隧道的影响分析69相关材料的主要参数具体如表 1 和表 2 所示。表 1土体物理力学参数土层重度kN/m3含水率/%摩擦角/()粘聚力c/kPaK0填石17.5/22.0/淤泥15.958.912.86.60.7粉质黏土19.522.934.315.70.4(含泥)中细砂18.5/3.028.00.4加固土18.5/40.030.00.5表 2土体本构参数土层泊松比割线刚度E50ref(MPa)切线刚度Eoedref(MPa)卸载/加载刚度 Eurref(MPa)填石0.304.504.5022.50淤泥0.423.153.1515.75粉质黏土0.289.759.7548.75(含泥)中细砂0.309.009.0045.00加固土0.3022.5022.50112.5根据本基坑与邻近地铁结构立体关系，以及基坑工程支护结构设计及施工特点，对该桥梁项目基坑的施工全过程进行模拟。采用三维实体单元模拟土层，采用板单元模拟该中桥项目工程围护结构、承台板、桥面盖板、喷射混凝土护坡及地铁结构，采用粱单元模拟支撑及冠梁，如图 4 所示。图 4基坑与隧道轴视图根据实施工况，大致按以下工况进行施加:初始地应力形成隧道施工完成支护桩的建立及土层加固完成1 期 1 阶段基坑开挖、结构完成1 期 2阶段基坑开挖、结构完成2 期基坑开挖、结构完成桥面板结构完成。根据城市轨道交通结构安全保护技术规范(CJJ/T202 2013)及相关经验，地铁隧道的主要变形控制指标，可采取表 3 指标。表 3地铁隧道变形控制安全控制指标预警值/mm控制值/mm隧道水平位移1020隧道竖向位移1020隧道变形曲率半径/15 0002.2基坑开挖变形分析为考虑基底加固的影响，通过数值计算，对加固和未加固分别得出基坑开挖的土体变形情况。图 5一期基坑开挖到底(未加固)图 6一期基坑开挖到底(加固后)图 5 和图 6 分别为一期基坑(隧道上方)在未加固和加固情况下，开挖至底时土体 Z 向(竖向)变形情况。根据有限元计算结果，基坑开挖后，坑底土变形以卸荷回弹变形为主，基坑周围的土层出现较为明显的沉降槽，即在基坑壁表现为指向基坑内的法向变形和竖直向上的回弹变形，在基坑底部表现为回弹变形。未加固时，一期 1 阶段基坑基底隆起最大竖向位移为 29.3 mm，一期 2 阶段基坑基底隆起最大竖向位移为 22.2 mm;加固后，一期 1 阶段基坑基底隆起最大竖向位移为 18.3 mm，一期 2 阶段基坑基底隆起最大竖向位移为 16.5 mm。一期 1 阶段基坑加固土体厚度为 4 m，一期 2 阶段加固土体厚度为 3 m。加固后，一期 1 阶段基底隆起量减少约 37.5%，一期 2 阶段基底隆起量减少约 25.7%。说明地基加固的效果对控制土体隆起较明显，大大减少了基坑土体隆起变形。同时，加固厚度越大，对控制基坑隆起越有利，对控制下方的隧道变形也更为有利。70福建建筑2023 年2.3隧道数值分析图 7 为隧道在支撑拆除与桥梁结构施工完成后的总位移云图。结构最大径向水平位移为0.7 mm(X向)，最大侧向水平位移为 2.1 mm(Y 向)，最大竖向位移为 6.80 mm(Z 向，上浮)。图 7开挖卸荷后隧道位移云图图 8 及图 9 为隧道在 2 期基坑开挖至底时的弯矩云图。管片的 X 向(绕局部坐标 Y 轴)最大弯矩为约为 166 kNm，管片的 Y 向(绕局部坐标 X 轴)最大弯矩为约为 89 kNm。图 8基坑开挖到底时隧道在 X 方向的弯矩云图图 9基坑开挖到底时隧道在 Y 方向的弯矩云图对隧道结构附加纵向变形的最小曲率半径进行计算。图7 表明，下行线=161 000 m 15 000 m，满足地铁保护的要求。3实施建议及监测情况3.1现场实施建议从计算结果看，中桥基坑采用明挖法施工，围护结构采用灌注桩，该中桥侵入地铁隧道安全保护区范围，但与既有隧道在空间位置上不冲突。通过采取必要的加固与保护措施