地铁盾构隧道与邻近深基坑开挖相互影响分析.pdf

EngineeringConstruction2023年6 月51建程设第6 期第55卷地铁盾构隧道与邻近深基坑开挖相互影响分析刘喆（南昌轨道交通集团有限公司，江西南昌3 3 0 0 3 8）摘要：为了研究地铁盾构隧道对邻近深基坑围护结构在不同施工工况下的受力和变形特征的影响，深基坑开挖施工对邻近盾构隧道衬砌结构受力和变形特征的影响，基及坑、周围土体和邻近隧道结构的相互作用机理，本文采用岩土有限元分析软件MIDASGTSNX，对盾构隧道侧穿邻近深基坑开挖工程进行仿真模拟，计算得到了不同工况条件下地下连续墙的水平侧移和受力变化特点、内支撑的受力特点，并将其与无邻近隧道时的计算结果进行对比，对基坑开挖前后邻近隧道衬砌结构的受力特征进行了分析。通过计算分析得到了深基坑开挖与邻近盾构隧道结构相互作用的力学特征，研究结果可以为深基坑和盾构隧道设计施工中的风险控制提供借鉴。关键词：地铁盾构隧道；深基坑；衬砌；有限元分析中图分类号：U231.4;TU753文献标识码：A文章编号：16 7 3-8 9 9 3(2 0 2 3)0 6-0 0 51-0 7doi:10.13402/j.gcjs.2023.06.076Analysis of Interaction between metro shield tunnel andadjacent deep foundation pit excavationLIU Zhe(Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation,Nanchang 330038,Jiangxi,China)Abstract:In order to study the influence of the subway shield tunnel on the stress and deformation characteristics of theretaining structure of the adjacent deep foundation pit under different construction conditions,the influence of the deepfoundation pit excavation on the stress and deformation characteristics of the adjacent shield tunnel lining structure,and theinteraction mechanism of the foundation pit,the surrounding soil and the adjacent tunnel structure,the shield tunnel passingthrough the adjacent deep foundation pit excavation engineering is simulated by using the geotechnical finite elementanalysis software MIDASGTSNX.The horizontal lateral displacement and stress variation characteristics of diaphragm walland the stress characteristics of internal support under different working conditions are calculated,and compared with thecalculation results without adjacent tunnel.The stress characteristics of adjacent tunnel lining structure before and after theexcavation of the foundation pit are analyzed.Through calculation and analysis,the mechanical characteristics of theinteraction between the deep foundation pit excavation and the adjacent shield tunnel structure are obtained.The researchresults can provide reference for the risk control in the design and construction of deep foundation pit and shield tunnel.Key words:subway shield tunnel;deep foundation pit;lining;finite element analysis为缓解交通拥堵、改善城市环境、促进经济发展，各大城市通过修建地铁构建起了现代轨道交通体系，在一定程度上推动了城市现代化进程。地铁采用网络化运营形式以提高交通运输效率，多条线路同时修建、新线建设穿越既有线路的情况已经司空见惯，地铁线路通常经过高楼林立、管线交错、交通密集的城市，在既有盾构隧道附近进行深基坑开挖施工是经常遇到的情况。深基坑开挖施工会对周边土体形成扰动，造成周边土体产生形变和地表沉降，甚至会破坏邻近盾构隧收稿日期：2 0 2 2-11-14作者简介：刘喆（19 8 0 一），男，工程师，从事结构工程方面的研究。52建第6 期设程第55卷道结构的平衡状态，致使隧道结构出现过大的位移从而影响运营安全。邻近盾构隧道同样会对基坑围护结构的受力和变形产生不利影响，给深基坑开挖施工带来安全隐患，因此，邻近盾构隧道侧穿深基坑的情况下两者之间的相互作用机理是值得研究的问题。国内外已有学者对这个问题进行了系统研究，左殿军等 在考虑衬砌与周围土体相互作用的基础上，采用有限元软件对深基坑开挖对邻近盾构隧道的影响进行了数值模拟分析。张莎莎等2 采用数值模拟方法研究了基坑开挖对既有盾构隧道的位移和膨胀变形的影响，并将数值模拟结果和现场实测结果进行了对比分析。王利军等3 通过建立三维有限元模型，研究了在基坑开挖施工过程中基坑周边地表沉降规律、地下连续墙变形和盾构隧道整体变形规律，并分析了基坑与邻近隧道间距对盾构隧道侧移的影响。孙雅珍4 采用岩土有限元软件对深基坑开挖施工对邻近既有隧道和周边土体的影响进行了数值模拟分析，研究了基坑形状、水平尺寸与地表沉降、隧道位移之间的变化关系。王立峰等5 考虑了基坑分块开挖先后顺序的时空效应影响，采用现场实测方法研究分析了基坑开挖对邻近地铁隧道的水平位移和沉降的影响。张兵兵等6 采用有限差分方法对基坑开挖进行了三维数值模拟，研究分析了基坑开挖施工对邻近既有隧道结构的影响规律。许四法等7 利用现场实测数据对邻近深基坑开挖各个施工阶段地铁隧道的变形及沉降进行了全过程分析。陈辉等18-1 基于实际监测数据和理论分析研究了深基坑开挖对邻近地铁盾构隧道受力状态和位移变形特征。目前的研究均集中在深基坑开挖施工对邻近地铁盾构隧道受力和变形的影响，以及对周边土体变形和地表沉降的影响，而对于基坑开挖施工基坑结构和邻近盾构隧道掘进施工衬砌结构之间受力的相互影响机制，以及基坑和隧道结构变形沉降的研究还较为缺乏。本文依托南昌地铁四号线邻近盾构隧道侧穿深基坑开挖工程为背景，研究地铁盾构隧道侧穿对邻近深基坑围护结构在不同施工工况下的受力及变形特征的影响，基坑开挖施工对隧道衬砌结构受力及变形沉降的影响以及基坑、周围土体和邻近隧道结构的相互作用机理。1工程概况深基坑长度为145m，标准段宽度为2 1.9 m，端头井宽度为2 8 m，开挖深度为2 3 m，采用内支撑+地下连续墙围护结构形式，内支撑体系由一道混凝土支撑和三道钢支撑组成。混凝土支撑截面尺寸为8 0 0 mm1000mm，采用C30混凝土，钢支撑采用直径为6 0 9 mm，壁厚为16 mm的Q235B钢管。第一至第四道支撑间距分别为5.6、6.8、5.1m，各道支撑轴力标准值分别为10 47、2807、53 8 9、3 2 42 k N。地下连续墙厚8 0 0 mm，嵌入中风化泥质粉砂岩4m，混凝土强度等级为C35。邻近盾构隧道埋深为12 m，左右线隧道线间距为9 m，盾构管片外径为6 m，内径为5.4m，厚度为0.3 m，衬砌环宽度为1.2 m。衬砌管片采用C50混凝土，管片注浆采用C30混凝土。基坑与盾构隧道剖面、平面相对位置关系如图12所示。2三维有限元仿真模拟2.1有限元仿真模型采用大型岩土有限元分析软件MIDASGTSNX进行仿真建模，建模前需要对原始工程条件作一定简化，假设各层土分界面为水平，不考虑地下水的渗流作用。为避免模型边界效应影响计算结果的准确性，截取的有限元仿真模型为半无限空间体。此处取地下连续墙侧壁边缘到模型两侧边界的距离为5h（h 为基坑开挖深度），端头井顶部边缘到模型两端边界的距离为3 h，基坑底部到模型底面边界的距离为3 h，截取的模型几何尺寸为长宽高2 40 m140m60m。土体采用三维实体单元模拟，土体的本构关系选取修正摩尔库伦模型，该模型可以准确反映基坑开挖和盾构掘进产生的土体沉降及回弹变形。模型四边侧面和底面的边界条件取x、y、z 方向位移固定，模型顶面为自由面，三维有限元仿真模型如图3 所示。m53喆：地铁盾构隧道近深基坑开挖相互影响分析刘2023年第6 期整平地面标高2 3.7 0 0 m冠梁10 0 0 12 0 022.5500s91000008口杂填土第一道混凝土支撑20.750800 x1.000.1S6S，粉质黏土OSL500021第一道0 6 0 9 钢支撑16.505地下水位15.7 4m4+-16f5.20，细砂SSL900%909622型钢格构柱09661第三道0 8 0 0 钢支撑6006001-169.7508.750090S第四道0 6 0 9 钢支撑4.690-16砾砂下行线隧道上行线隧道006强风化泥1000200厚C20素混凝土垫层000ET0007柱基础000901200钻孔桩000中风化泥8002-2质粉砂岩8008006.9506.4006.95080015.0006.0006.0006.00021.900图1基坑与盾构隧道剖面关系mm上行线隧道5下行线隧道8基坑145图2盾构隧道与基坑平面关系基坑隧道图3三维有限元仿真模型2.2基坑围护结构及隧道衬砌模拟与模型参数选取基坑围护结构由地下连续墙和内支撑组成，选用二维壳单元模拟地下连续墙，考虑地下连续墙相邻槽段间施工缝造成的墙体侧向刚度降低，这里对地下连续墙侧向刚度进行一定折减，初始刚度折减2 0%后的弹性模量为2 52 0 0 MPa。选用一维梁单元模拟内支撑，为减小基坑侧向变形需对钢支撑施加预应力，各道钢支撑的预加轴力分别为110 0、150 0、12 0 0 kN。采用二维壳单元模拟盾构隧道管片，考虑衬砌管片间采用弯螺栓连接造成的衬砌刚度不连续，这里需要对衬砌刚度进行一定折减，文献12 提出的方法将隧道衬砌刚度折减2 0%40%，本文将衬砌初始刚度折减3 0%后的弹性模量为2 4150MPa。有限元仿真模型物理力学参数选取如表1所示。2.3基坑开挖与盾构掘进施工模拟建模前需要对现场基坑开挖施工阶段进行一定简化，采用有限元软件MIDASGTSNX中的施工阶段分析模块对基坑开挖施工进行模拟计算。施工阶段分析模块是从初始应力场分析开始，根据基坑开挖实际施工顺序，对整个施工过程依次进行计算分析，从而得到各个施工阶段围护结构及隧道衬砌结构的受力状态及变形。基坑开挖施工阶段分析按下列步骤依次进行：1）对未开挖施工的土体进行初始应力场分析；2）对土体位移场清零；3）施工地下连续墙；4）基坑开挖施工模拟计算根据实际开挖支撑