基坑開(kāi)挖對(duì)下伏地鐵區(qū)間的影響數(shù)值模擬及控制措施研究

陳策

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 前言

隨著城市地鐵及市政工程的興建，在已建成地鐵區(qū)間隧道上方開(kāi)挖基坑施工地下結(jié)構(gòu)日漸增多。本文基于鄭州地鐵2號(hào)線既有東大街～隴海東路區(qū)間上方市政隧道基坑開(kāi)挖，采用數(shù)值分析方法模擬基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵區(qū)間的影響，達(dá)到指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及施工的目的。

1 工程概況及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

擬建紫荊山路隧道位于隴海東路-紫荊山路節(jié)點(diǎn)，線路呈南北走向，與紫荊山路走向一致，下穿現(xiàn)狀隴海東路。隧道南起K0+220.000，北至K0+700.000，總長(zhǎng)度為480 m，其中主線K0+220～K0+330和K0+600～K0+700為敞開(kāi)段，K0+330～K0+600為暗埋段，隧道內(nèi)僅設(shè)置機(jī)動(dòng)車(chē)道，雙向六車(chē)道。

地鐵東（大街）隴（海東路）區(qū)間右線起止樁號(hào)YDK20+606～YDK21+340.494，左線起至樁號(hào)ZDK20+537.400～ZDK21+340.479，區(qū)間隧道在左線隧道樁號(hào)ZDK21+119.179處設(shè)置區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道。

地鐵區(qū)間在市政隧道樁號(hào)K0+550處與市政隧道小角度斜交穿越，交叉段長(zhǎng)約200 m。地鐵區(qū)間與市政隧道平縱橫相互關(guān)系詳見(jiàn)圖1～圖3。市政隧道與地鐵區(qū)間凈距詳見(jiàn)表1。

圖1 市政隧道與地鐵區(qū)間平面關(guān)系圖

圖2 市政隧道與地鐵區(qū)間縱斷關(guān)系圖

圖3 市政隧道與地鐵區(qū)間橫斷關(guān)系圖（單位：mm）

表1 市政隧道與地鐵區(qū)間凈距表

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)工程巖土工程詳勘報(bào)告，場(chǎng)地范圍內(nèi)地基土按巖性及力學(xué)特征分層，從上到下分別為：第①層：填筑土（Q4ml）、第②層：粉土（Q3al+pl）、第②1層：粉砂（Q3al+pl）、第③層：粉土（Q3al+pl）、第④層：粉砂（Q3al+pl）、第⑤層：細(xì)砂（Q3al+pl）、第⑤1層：粉土（Q3al+pl）、第⑥層：粉質(zhì)黏土（Q3al+pl）、第⑥1層：鈣質(zhì)膠結(jié)（Q3al+pl）、第⑦層：粉質(zhì)黏土（Q3al+pl），見(jiàn)表2。

表2 土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

2 節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及地鐵相關(guān)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

本工程市政隧道與地鐵區(qū)間斜交上下穿越，市政隧道基坑最大深度約10 m，兩構(gòu)筑物豎向最小凈距約4.8 m，地鐵區(qū)間先期實(shí)施，后期市政隧道基坑開(kāi)挖卸荷，不可避免對(duì)已施工地鐵區(qū)間隧道產(chǎn)生不利影響，須考慮該節(jié)點(diǎn)施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

參考已有地鐵隧道相關(guān)保護(hù)要求及與地鐵部門(mén)溝通，提出以下控制標(biāo)準(zhǔn)：

（1）地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)沉降量及水平位移量不大于20 mm，隆起量不大于15 mm；

（2）市政隧道圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)距離地鐵區(qū)間外輪廓凈距不小于1m。

3 基坑內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)前期與地鐵相關(guān)部門(mén)溝通基坑采用鉆孔灌注排樁+內(nèi)支撐的支護(hù)方式，安全等級(jí)一級(jí)。基坑內(nèi)力計(jì)算選取K0+550斷面，最大開(kāi)挖深度約10 m，插入深度4.5 m，圍護(hù)樁插入比1∶0.45，土體不采取加固措施情況下基坑指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，故考慮對(duì)坑底以下4 m深度范圍內(nèi)地層加固，地層加固后圍護(hù)樁內(nèi)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖4、基坑計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

經(jīng)驗(yàn)算，采取坑底及圍護(hù)樁兩側(cè)土體加固措施可滿足一級(jí)基坑各項(xiàng)指標(biāo)要求。

圖4 圍護(hù)樁內(nèi)力包絡(luò)圖

表3 基坑計(jì)算結(jié)果表

4 基坑開(kāi)挖對(duì)既有區(qū)間影響數(shù)值模擬[1]

4.1 模型選取

選取樁號(hào)K0+550（基坑深度h=10 m，基坑底與區(qū)間隧道凈距t=5.6 m）位置斷面作為計(jì)算斷面。市政隧道基坑采用三道支撐，第一道采用混凝土支撐、第二、第三道支撐采用Ф609鋼支撐，坑底4 m范圍土體采用抽條加固。東側(cè)市政隧道圍護(hù)樁須保證距離區(qū)間隧道凈距1.25 m，樁基插入比0.45，對(duì)東側(cè)圍護(hù)樁端部及區(qū)間外側(cè)基坑底至區(qū)間底范圍內(nèi)土層進(jìn)行加固，具體加固詳見(jiàn)圖5。

圖5 計(jì)算斷面及土體加固示意圖

4.2 模型簡(jiǎn)化及計(jì)算參數(shù)選取

考慮基坑尺寸效應(yīng)，模型寬度取基坑寬度的5倍，高度取基坑深度5倍，模型總寬度為180 m、總高50 m，見(jiàn)圖6。采用Plaxis2D進(jìn)行計(jì)算分析。

圖6 計(jì)算模型示意圖

既有地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)采用軟件中襯砌單元模擬，橫撐采用桿單元，市政隧道基坑圍護(hù)排樁采用板單元模擬，其參數(shù)根據(jù)剛度等效換算原則確定。

基坑范圍內(nèi)土體共分為七層，采用Hardening soil模型，考慮基坑開(kāi)挖的卸載作用，土體采用回彈模量。

土體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 土體計(jì)算參數(shù)表

4.3 計(jì)算工況

本工程數(shù)值計(jì)算共分為六個(gè)工況，分別如下：

工況1：自重狀態(tài)下初始平衡，位移歸零。

工況2：開(kāi)挖地鐵區(qū)間，施加管片襯砌結(jié)構(gòu)，迭代平衡后位移歸零。

工況3：施做圍護(hù)樁及坑底加固，市政隧道基坑開(kāi)挖深度0.8 m。

工況4：施加第一道支撐并開(kāi)挖基坑至第二道支撐下0.5 m。

工況5：施加第二道支撐并開(kāi)挖基坑至第三道支撐下0.5m。

工況6：施加第三道支撐并開(kāi)挖基坑至坑底。

5 計(jì)算結(jié)果

工況一、二為市政隧道施工前地鐵區(qū)間施工及受力工況，本工程著重考慮工況3～工況6市政隧道基坑開(kāi)挖對(duì)區(qū)間隧道的影響。

（1）工況三計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 工況3位移云圖（m）

基坑挖深約0.8 m，坑底土體加固后自重增加，基坑中部產(chǎn)生下陷變形：1 mm；加固區(qū)最大下陷變形：4.5 mm，既有地鐵區(qū)間最大下陷變形值：3.8 mm。

（2）工況四計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 工況4位移云圖（m）

基坑挖深約4.3 m，由于開(kāi)挖卸荷，基坑中部最大隆起變形：18 mm；既有地鐵區(qū)間的最大上浮變形值：4.29 mm。

（3）工況五計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 工況5位移云圖（m）

基坑挖深約7.3 m，基坑中部最大隆起變形：26 mm；既有地鐵區(qū)間的最大上浮變形：9.2 mm。

（4）工況六計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 工況6位移云圖（m）

基坑開(kāi)挖深度10 m，基坑中部最大隆起變形：28 mm；既有地鐵區(qū)間的最大上浮變形：11.25 mm。

6 節(jié)點(diǎn)施工保護(hù)性措施[2-3]

市政隧道與地鐵區(qū)間隧道近接斜交段施工，隨著上覆市政隧道基坑土體的開(kāi)挖，地鐵區(qū)間隧道上方土體發(fā)生卸載效應(yīng)，使下臥地鐵區(qū)間隧道周?chē)馏w隆起；施工對(duì)一定影響范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，區(qū)間隧道周?chē)馏w將發(fā)生固結(jié)沉降；由于區(qū)間為狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，柔性較大，因而區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)也會(huì)隨周?chē)馏w位移場(chǎng)的變化而下沉或隆起。

在市政隧道施工過(guò)程中，一方面要控制區(qū)間隧道局部沉降量，使隧道線形滿足曲率變化在1/15 000之內(nèi)，另一方面要嚴(yán)格控制累計(jì)沉降量，使其滿足結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)沉降量及水平位移量不大于20 mm，最大隆起量不大于15 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）。

紫荊山路下穿隧道工程應(yīng)采取合適的設(shè)計(jì)和施工方案，最大程度減少市政隧道基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響。擬采用的主要施工保護(hù)措施有：

（1）土體加固：對(duì)區(qū)間隧道上方及側(cè)面土體進(jìn)行加固。

（2）分段施工：在基坑開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)施工階段，實(shí)行分區(qū)、分段施工方案。結(jié)構(gòu)施工時(shí)，宜先施工非交叉段及交叉段基坑深度較淺段結(jié)構(gòu)，最后施工交叉近接段。

（3）抽條開(kāi)挖：為減少地鐵區(qū)間隧道因市政隧道基坑施工卸載引起的隧道回彈變形，交叉近接段基坑最后一層約3 m厚土體開(kāi)挖實(shí)行分塊抽條開(kāi)挖，每一抽條寬度控制在3 m以內(nèi)，抽條開(kāi)挖到底標(biāo)高后及時(shí)澆筑底板并配重壓載，每一抽條開(kāi)挖至壓重完成后，方可進(jìn)行后續(xù)抽條的開(kāi)挖工作。為提高底板澆筑速度，必要時(shí)結(jié)構(gòu)鋼筋可采用坑外預(yù)制拼裝方案，墊層澆筑后直接吊放底板鋼筋，縮短現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎時(shí)間。

（4）信息化施工：加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)工作，做好信息化施工。對(duì)隧道的沉降變形、徑向變形、整體偏移變形、坑外的水位、基坑的側(cè)向變形、管線變形、周邊建筑沉降變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析隧道、基坑的變形值和變形趨勢(shì)，及時(shí)采用對(duì)應(yīng)措施對(duì)區(qū)間隧道變形進(jìn)行調(diào)控。

7 結(jié)論

本次數(shù)值模擬采用二維模型，基坑土體采用一次開(kāi)挖方式，計(jì)算結(jié)果是偏安全的。

（1）開(kāi)挖過(guò)程由于上方卸荷，引起下臥區(qū)間隧道產(chǎn)生上浮變形，最大變形為11.25 mm，隧道上浮量可控。

（2）實(shí)際施工中分塊抽條開(kāi)挖可減少一次性卸荷量，避免階越式突變，對(duì)保證隧道安全是有利的。

（3）采用土體加固、抽條開(kāi)挖等措施可以保證下伏區(qū)間各項(xiàng)指標(biāo)可控。

[1]JGJ120-2012,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]丁江澍.城市地下結(jié)構(gòu)施工對(duì)臨近構(gòu)筑物影響的研究[D].陜西西安：長(zhǎng)安大學(xué),2013.

[3]上海外灘通道工程初設(shè)報(bào)告[R].上海:上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院,2007.