超宽深基坑开挖对邻近既有地铁隧道安全影响研究_栗晓龙.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 8收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 4第一作者:栗晓龙(1 9 8 8-),男,工程师,硕士。超宽深基坑开挖对邻近既有地铁隧道安全影响研究栗晓龙(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 4 3 0 0 6 3)摘 要 为研究超宽深基坑开挖对邻近既有地铁隧道安全的影响,文中依托武汉市邻近既有地铁隧道的某地产项目超宽深基坑工程,对邻近隧道侧基坑支护方案进行设计优化,采用m i d a sG T SN X三维有限元软件分析基坑开挖对隧道的安全影响。计算结果表明,超宽深基坑采用“灌注桩+斜抛撑”支护体系,可有效控制围护变形,降低对既有地铁隧道的影响。关键词 超宽深基坑 地铁隧道 变形指标 斜抛撑 数值分析 影响研究中图分类号 U 4 5 5.4 近年来,随着城市化进程的不断推进,中心城市的地铁线网不断加密,地铁线网周边地块成为城市建设开发热点,越来越多超宽深基坑工程邻近既有地铁隧道施工。基坑施工不可避免会打破土体原有平衡的应力和位移场,进而对埋置其中的既有地铁隧道产生不良影响1。超宽深基坑由于其卸荷范围广、回弹变形大、支护刚度弱等特点,更易对邻近隧道产生不良影响。目前,国内外关于基坑开挖对邻近地铁隧道影响研究的方法主要有:实测分析、理论解、有限元模拟、离心模型试验等2。基于具体工程设计角度,多以有限元分析为主。针对超宽深基坑邻近既有隧道的影响分析,刘栋3、段忠辉等4基于具体工程研究了开挖方式对既有隧道的影响,彭智勇5、岳云鹏等6基于具体工程研究了分块开挖参数对既有隧道的影响。以上研究主要集中在开挖过程,较少关注支护方式的选择研究,而邻近隧道侧支护方式的选择是控制超宽深基坑对隧道影响的根本所在,需重点进行关注。文中拟对邻近既有地铁隧道的超宽深基坑工程,合理选择邻近隧道的基坑支护形式,通过数值建模研究分析基坑开挖对既有地铁隧道的影响,以确保既有地铁隧道的安全和正常运营。1 工程概况1.1 工程简介项目位于武汉市汉阳区两主干道交汇东北角,由2栋2 7层住宅楼、3栋1 52 8层办公楼、4栋25层商业楼组成,其中办公楼区域下设2层连通地下室,基础埋深约9.0m;住宅及商业区域下设1层连通地下室,基础埋深约6.0m。地下室基坑长约2 3 5m,宽约1 2 7m,基坑支护周长约7 1 4m,基坑支护面积约3 03 3 0m2。邻近既有地铁隧道侧二层地下室基坑,基坑开挖深度约9.0 5m,采用“灌注桩+斜抛撑”支护体系;基坑边与既有地铁隧道长距离(约2 3 5m)并行布置,与区间隧道结构的最小水平净距约2 1.4m。地铁隧道单线长约1.1 6k m,线间距1 41 5m,平面最小曲线半径为10 0 0m,设置1处联络通道(兼泵房)。隧道两端车站均为地下二层站,最大纵坡1.5%,隧顶覆土厚度约1 0.2 21 4.8 7m。隧道采用土压平衡盾构建造,C 5 0钢筋混凝土通用楔形环管片。隧道管片外径6.0m、内径5.4m、厚0.3m、环宽1.5m,采用错缝拼装。该地铁隧道已于2 0 1 5年投入使用;截止至2 0 2 1年3月,该项目附近左线隧道整体表现为上浮,最大累计上浮值为1.1mm,右线隧道最大累计沉降为0.2mm,最大累计上浮值为1.0mm。截止至2 0 2 1年9月,该项目附近左线隧道水平收敛最大值为5 5 mm,右 线 隧 道 水 平 收 敛 最 大 值 为8 3mm,隧道结构变形较大,需从严控制地铁保护范围周边新建工程对其的影响。基坑与既有地铁隧道平面位置关系见图1。图1 基坑与既有地铁隧道平面位置关系1.2 工程地质与水文地质场地所在地貌单元属I I I I I级河湖阶地剥蚀垄岗,现状地势较平坦。地层由上至下依次为杂填土1-1(松散)、素填土1-2(中密)、粉质黏土6-2 A(软塑)、粉质黏土6-2 B(可塑)、粉质黏土6-2(硬塑)、粉质黏土1 0-2(硬塑)、含砾粉质黏土1 0-3(硬塑)等。基坑侧壁土层主要为1-1、1-2、6-2 A、6-2 B、6-2层,隧道主要位于1 0-2、1 0-3层。场地地下水类型有上层滞水、岩溶裂隙水2种;其中,与本工程有关的为上层滞水,主要赋存于填土中。1.3 隧道变形控制指标根据C J J/T2 0 2-2 0 1 3 城市轨道交通安全保护技术规范,隧道结构安全控制值见表1。表1 隧道结构安全控制值mm参数水平位移竖向位移径向收敛数值2 02 02 0 根据G B5 0 9 1 1-2 0 1 3 城市轨道交通工程监测技术规范,城市轨道交通既有线隧道结构变形累计控制值见表2。表2 隧道结构变形累计控制值mm参数结构沉降结构上浮结构水平位移数值31 0535 隧道变形控制指标应基于隧道现状,结合规范要求及类似工程经验进行综合取值,以满足地铁隧道的结构安全及正常运营要求。结合本工程特点及既有隧道监测情况,地铁隧道结构主要控制指标如下。1)隧道结构沉降累计值1 0mm。2)隧道结构上浮累计值5mm。3)隧道结构水平位移5mm。4)隧道结构水平收敛5mm。2 基坑支护选型研究目前,深基坑工程支护形式种类较多7-8,根据支护原理的不同大致可分为自然放坡、土钉墙、悬臂桩、桩锚、桩撑等形式。针对邻近既有地铁隧道的具体工程,选用何种支护形式,需要综合考虑基坑深度、工程及水文地质条件、周边地下管线及重要建构筑物、场地布置等因素。本项目综合考虑基坑深度、工程及水文地质条件、周边环境等因素,在总结既有基坑工程施工经验基础上,经计算,拟定适合本工程的支护结构形式为:双排桩(悬臂);桩锚;桩撑。经现场踏勘,本项目场地相对局促,邻近地铁隧道侧基坑边线至项目红线范围需依次设置渣土运输通道、项目办公用房等。采用双排桩(悬臂)地表变形相对较大,对渣土运输和办公用房存在安全隐患,且该方案占地相对较大,造价相对较高,均不利于该项目实施。考虑到该工程基坑宽度大,采用桩锚支撑可有效节约工期和工程造价,但由于其受力机制,锚索拉力由基坑外锚索周边区域土体提供,会对土体内地下构筑物产生明显不利影响,且锚索使用后如不拔除会对地下空间形成一定污染。原基坑设计拟采用锚索支护体系,考虑到基坑邻近的既有隧道变形相对较大,提供锚索反力的岩土体一旦发生大变形,会对既有隧道变形造成难以估量的影响,严重影响地铁的安全运营。桩撑支护体系为深基坑工程最常用支护体系。但针对超宽深基坑工程,常规支撑体系由于跨度大导致整体刚度偏弱,如支撑道数增加和间距加密,则不利于土方开挖运输,经济性差,工期长。根据本项目特点,采用斜抛撑方案,在基坑开挖过程中根据斜抛撑特点进行坑边留土,可确保支护体系整体刚度,减小基坑支护体系变形。斜抛撑支护剖面见图2。582 0 2 3年第1期栗晓龙:超宽深基坑开挖对邻近既有地铁隧道安全影响研究图2 斜抛撑支护剖面(单位:高程,m;尺寸,mm)3 数值分析3.1 计算模型根据该项目基坑与既有地铁隧道的相对位置关系及地质条件,结合基坑实施方案,采用m i d a sG T S/N X软件建立三维计算模型,模拟基坑开挖对邻近隧道的影响,研究分析基坑施工期间隧道的变形情况,进而评估邻近隧道的安全状态。基坑开挖的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度和地质条件等因素。计算边界范围的大小对数值计算结果精度影响较大,结合圣维南理论与实际工程经验,选取模型尺寸为2 3 0m3 1 0m6 0m(XYZ)。模型侧面水平约束,底面竖向约束,顶面为自由边界。三维计算整体模型见图3,基坑与邻近隧道空间关系见图4。图3 三维计算整体模型(单位:m)图4 基坑与邻近隧道空间关系(单位:m)3.2 计算参数选取岩土体采用修正摩尔-库仑模型,结构采用线弹性模型;岩土体采用实体单元,围护结构和盾构管片采用板单元,斜抛撑和冠梁等采用梁单元模拟。岩土体物理力学参数见表3,主要结构物理力学参数见表4。表3 岩土体物理力学参数土层重度/(k Nm-3)内摩擦角/()黏聚力c/k P a压缩模量Es/MP a1-1杂填土2 0.02 0.04.04.01-2素填土1 7.79.01 2.04.26-2粉质黏土1 8.71 5.03 1.71 1.51 0-2粉质黏土2 0.21 5.53 6.61 3.5 1 0-3含砾粉质黏土2 0.21 5.63 8.81 4.51 3-2黏土1 9.81 5.93 3.62 2.8表4 主要结构物理力学参数结构名称材料重度/(k Nm-3)弹性模量E/MP a泊松比灌注桩、冠梁C 3 0钢筋混凝土2 531 040.2 3盾构管片C 5 0钢筋混凝土2 63.4 51 040.2 3斜抛撑Q 2 3 5 B钢 7 8.521 050.3 03.3 计算工况本文主要分析基坑开挖过程中支护结构及岩土体自身变形,以及对既有地铁隧道的影响,本质为基坑开挖引起的支护结构变形,以及周围岩土体应力场位移场重分布,进而引起邻近隧道的响应。针对基坑开挖全过程进行计算模型施工过程模拟,主要分为7个施工步骤,基坑开挖计算工况见表5。表5 基坑开挖计算工况序号工况描述1初始地应力平衡 激活土体单元,进行应力平衡计算,位移清零2地铁隧道施工 隧道土体开挖,拼装管片,位移清零3围护桩施工 激活围护桩结构单元,模拟围护桩施工4第一层土体开挖 钝化第一层土体,激活相应支护结构5第二层土体开挖 近隧道侧坑边留土,钝化其它开挖土体6斜抛撑施作 激活底板、斜抛撑牛腿、斜抛撑单元7基坑完成开挖 钝化坑边留土,基坑完成开挖3.4 计算结果分析基于上述相关参数以及施工工况,进行数值计算分析。基坑开挖完成后,岩土体及隧道的水平位移见图5。68栗晓龙:超宽深基坑开挖对邻近既有地铁隧道安全影响研究2 0 2 3年第1期图5 岩土体(含支护)计算结果显示,基坑开挖前,隧道处于受力平衡状态;基坑开挖过程中,土体应力释放,基坑围护结构向坑内变形,从而引起隧道邻基坑侧水平侧压力减小,隧道整体产生向坑内的水平合力,进而使隧道产生向坑内的水平位移。1)基坑开挖完成后,围护桩水平位移相对较小,最大水平位移约7.1 9mm,满足设计规范7-8要求。2)基坑开挖引起隧道水平位移相对较大,左线最大水平位移为0.8 4mm,右线最大水平位移为1.4 8mm,水平位移均未超过限值,在可控范围内;隧道水平位移主要发生在临近基坑开挖卸载区段,右线隧道由于靠近基坑,水平位移量相对较大。基坑开挖完成后,隧道竖向位移见图6。图6 隧道竖向位移根据文献1 的研究,超宽深基坑开挖对地铁隧道竖向位移的影响相对复杂:当基坑开挖较浅、小于某临界深度时,基坑开挖卸荷会使隧道产生一个向上的合力,进而使隧道上浮;当基坑开挖较深、大于某临界深度时,基坑开挖卸荷会使隧道产生一个向下的合力,进而使隧道沉降。计算结果显示,根据隧道所处的位置,隧道可能出现沉降或上浮2种变形特征。邻近基坑的右线隧道由于更靠近基坑,基坑开挖卸载使其产生向上合力的作用更为明显,故其表现为上浮的特征也更为明显,但总体上浮量均较小。基坑开挖引起隧道竖向位移相对较小,结合既有监测数据可知,基坑开挖后,左线隧道最大累计上 浮 值 为1.1 3 mm,最 大 累 计 沉 降 为0.0 8mm,右线隧道最大累计上浮值为1.3 4mm,最大累计沉降为0.3 3mm,累计竖向位移均未超过限值,在可控范围内。基坑开挖完成后,隧道水平收敛见图7。图7 隧道水平收敛计算结果显示,基坑开挖前,隧道处于受力平衡状态,由于竖向水土压力大于侧向水土压力,隧道通常表现为“横鸭蛋”变形;基坑开挖过程中,隧道竖向土压力不变,靠近基坑一侧的水平侧压力减小,使得隧道“横鸭蛋”变形会进一步发展,且近基坑侧隧道变形相对更为明显。基坑开挖引起