明挖基坑上跨既有地鐵區(qū)間對既有結構的影響分析

申 奇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

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明挖基坑上跨既有地鐵區(qū)間對既有結構的影響分析

申 奇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

文章利用有限元軟件MIDAS GTS NX建立三維有限元模型，分析了新建明挖結構上跨既有地鐵區(qū)間施工過程中對既有隧道結構的變形規(guī)律。通過分析注漿加固土體和分條幅開挖、僅注漿加固土體、僅分條幅開挖和不注漿加固、不分條幅開挖四種條件下隧道結構的拱頂、拱底的豎向變形，總結出注漿加固土體和分條開挖對既有結構變形的影響。最后，根據(jù)模擬計算結果給出了類似施工情況的建議性措施。

明挖； 上跨既有地鐵區(qū)間； 注漿加固； 分條幅開挖

隨著城市化進程的不斷發(fā)展，各類地下交通設施迅速擴張，城市地下空間被迅速開發(fā)，可利用的地下空間越來越少使得新建結構和既有結構有時不得不共用一處地下空間，在新建結構施工時勢必會對既有結構產(chǎn)生影響，嚴重時甚至會破壞既有結構，影響既有結構的正常使用。本文通過分析新建明挖基坑上跨既有地鐵盾構區(qū)間時新建結構施工對地鐵結構的變形影響，揭示新建明挖結構上跨既有盾構區(qū)間時既有結構的變形規(guī)律并結合分析結果給出相應的設計、施工建議。

1 工程概況

新建快速干道，為雙向6車道的公路隧道，結構沿現(xiàn)狀道路南北向鋪設于道路下方，明挖結構形式為單層雙跨箱型框架結構，結構截面尺寸為20.5 m×6.73 m，覆土厚度約0.575 m，基坑深約7.5 m。

既有地鐵區(qū)間為單洞單線圓形斷面，采用盾構法施作，盾構外徑為6 m，內徑為4.8 m，管片厚度為0.6 m。區(qū)間頂板覆土厚為9.7～10.2 m，線間距為13 m 。既有結構外皮與新建結構豎向凈距2.39～2.44 m，新建結構與既有結構位置關系如圖1、圖2所示。

圖1 結構平面位置關系

圖2 結構剖面位置關系

為減少對既有結構的影響，新建結構施工前對既有隧道基坑周邊4.6 m范圍內土體采用進行地基進行注漿加固。開挖時先開挖隧道兩側的土體，然后開挖隧道正上方的土體，隧道正上方土體沿新建基坑方向分成左、右兩部分進行開挖，該部分上層土體采用一次性開挖完成，下層靠近既有隧道的土體采用分條開挖(圖3)。

圖3 隧道正上方土體開挖順序

2 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場巖土勘察報告和土層加固設計，各土層物理參數(shù)如表1所示,既有、新建結構的材料參數(shù)如表2所示。

3 計算模型

計算利用Midas GTS NX建立三維有限元模型進行數(shù)值模擬分析，考慮圍巖與結構的共同作用。隧道圍巖本構模型采用的摩爾庫倫，以考慮圍巖的非線性變形。盾構管片、混凝土角撐等采用各向同性的板單元模擬，基坑圍護樁、混凝土支撐等采用各向同性的梁單元模擬，土體及加固體采用各向同性的彈塑性實體單元模擬。模型邊界除頂面為自由邊界外，其他面均采取法向約束。計算模型的尺寸為80 m×45 m×30 m，共計99 824個單元。有限元整體模型見圖4。

表1 土層物理力學參數(shù)

表2 結構物理力學參數(shù)

圖4 有限元整體模型

結合實際設計、施工，本次模擬共分析了12種工況。

工況1：打設圍護樁，對區(qū)間周邊土體進行加固。

工況2：開挖區(qū)間兩側土體的上半部分并施做臨時支護結構。

工況3：開挖區(qū)間兩側土體的下半部分并施做臨時支護結構。

工況4：開挖區(qū)間正上方第一層土的第一部分并施做臨時支護結構。

工況5：開挖區(qū)間正上方第一層土的第二部分并施做臨時支護結構。

工況6：開挖區(qū)間正上方第二層土的第一部分。

工況7：開挖區(qū)間正上方第二層土的第二部分。

工況8：分條對稱開挖區(qū)間正上方第三層土第一部分。

工況9：分條對稱開挖區(qū)間正上方第三層土第二部分。

工況10：施做區(qū)間正上方的底板結構。

工況11：施做區(qū)間兩側的頂板結構。

工況12：回填結構頂部覆土。

其中工況1、工況7、工況9、工況11、工況12為關鍵性的施工工況。

4 結果分析

通過模擬整個施工過程的不同工況，最終計算結果表明新建結果施工過程中既有結構變形出現(xiàn)較強的規(guī)律性，既有結構豎向和橫向都出現(xiàn)變形。

根據(jù)計算結果，整個開挖過程中既有結構的豎向變形較為明顯而，結構橫向變形較小。整個模擬計算過程中，既有結構的最大橫向變形僅為0.18 mm，因此本文主要分析新建結構施工過程中既有結構的豎向變形。提取分析過程中幾個關鍵施工步驟的豎向變形(圖5～圖9)。

圖5 工況1既有結構豎向變形

圖6 工況7既有結構豎向變形

圖7 工況9既有結構豎向變形

圖8 工況11既有結構豎向變形

圖9 工況12既有結構豎向變形

根據(jù)模擬計算分析，工況1由于圍護樁的打設及注漿加固增加了隧道上方的土體重量，既有結構出現(xiàn)一定程度的沉降變形，最大沉降變形為0.81 mm，最大沉降發(fā)生在土體加固的區(qū)域打樁圍護樁的位置。隨著開挖的進行既有結構開始向上隆起，當兩側土體開挖完成后既有區(qū)間的最大隆起值為0.75 mm，最大的隆起值發(fā)生在既有隧道結構兩側。當開挖隧道正上方土體時，隧道結構繼續(xù)向上隆起且隆起量迅速增加。當既有結構上方土方開挖完成后，最大隆起位置轉移到隧道既有區(qū)間拱頂，為3.51 mm，這也是整個施工過程中結構的最大變形。土方開挖完成后進行新建結構的主體結構施工，由于新建結構的自重影響使得隧道隆起量隨著新建結構的施工逐漸減小，當主體結構施做完成時，既有隧道的最大隆起量下降到2.2 mm，最大變形位置依然位于拱頂。當主體結構施做完成后回填頂部覆土時隧道的最大隆起量繼續(xù)減小，最終既有結構隆起量為1.89 mm。

因此，整個施工過程中既有結構的變形呈現(xiàn)先沉降后隆起再隆起減小的變化規(guī)律，發(fā)生最大變形的位置隨打樁、開挖土方位置而變化，開挖正上方土體對既有結構豎向變形影響最明顯，當正上方土體開挖完成后既有區(qū)間隧道變形最大。為了進一步分析整個施工過程中既有結構的豎向變形規(guī)律，分別提取左、右線隧道拱頂和拱頂在不同工況下的變形值(圖 10、圖11)。

圖10 左線隧道豎向變形

圖11 右線隧道豎向變形

通過對比圖 10、圖11，整個施工過程中既有結構拱頂和拱底均出現(xiàn)不同程度的變形。拱頂變形和拱底變形規(guī)律基本相同，都呈現(xiàn)出先沉降后隆起，再隆起減小的變化特點。

隧道的拱頂由于更接近基坑底部所以對開挖的擾動更為敏感，拱底由于遠離基坑開挖面并且由于隧道結果整體自身剛度，基坑開挖引起的結構豎向變形較小。

新建結構和既有結構的豎向距離較小，為了避免施工過程中既有結果出現(xiàn)過大的豎向變形，施工前對既有結構周邊土體進行了注漿加固，并在開挖隧道正上方最下面一層土的時候采用對稱分條幅的方式進行開挖。進一步分析這兩項措施對于控制既有結果豎向變形的作用，文章共分析了對土體注漿加固和分條開挖、僅進行注漿加固、僅進行分條幅開挖、不注漿不分條幅開挖四種條件下隧道結構拱頂和拱底的豎向變形，計算結果如圖12～圖15所示。

圖12 左線拱頂變形分析

圖13 左線拱底變形分析

圖14 右線拱頂變形分析

圖15 右線拱底變形分析

圖12～圖15可以看出，各種條件下左、右線拱頂?shù)淖冃我?guī)律相同，注漿加固和分條開挖均有利于減小結構的變形，但由于采取的措施不同拱頂?shù)淖冃蔚闹党霈F(xiàn)了較為明顯的差異。

當僅對既有隧道周邊土體進行注漿加固時，左、右線拱頂最大豎向變形分別減小 7.44 mm和6.49 mm，最終豎向變形分別減小 4.77 mm和 4.7 mm；左、右線拱底最大豎向變形分別減小6.21 mm和6.33 mm，最終豎向變形分別減小 4.62 mm和4.7 mm。因此，對土體進行注漿加固能有效的控制既有結構左、右線拱頂(底)的豎向變形。

當僅分條幅開挖時，左、右線拱頂最大豎向變形分別減小 3.42 mm和2.33 mm，最終豎向變形分別減小3.11 mm和3.05 mm；左、右線拱底最大豎向變形分別減小2.52 mm和 2.48 mm，最終豎向變形分別減小3.16 mm和 3.1 mm。因此，土體進行分條幅開挖能在一定程度上減小既有結構左、右線拱頂(底)的豎向變形。

當兩種措施同時采用時，二者的作用效果出現(xiàn)疊加，既有結構的最大豎向控制在4 mm以內。

綜上所述，注漿加固和分條幅開挖均有利于減小既有結構的變形。其中，注漿加固能明顯減小既有隧道結構的變形，注漿加固在整個施工過程中均能有效控制既有結構變形。分條幅開挖僅能減小分條幅開挖工況下既有結構的變形。

5 結論與建議

(1)新建上跨結構施工會引起既有結構豎向變形，新建結構施工主要影響結構的豎向變形，對橫向變形的影響較小。既有結構各部分變形均呈現(xiàn)出先沉降后隆起再隆起減小的特點，拱頂變形值大于拱底變形值。

(2)當上跨結構設計時，應給既有結構上部保留足夠的頂部覆土，當客觀條件限制使得既有結構頂部覆土較淺時，應考慮其他輔助措施減小既有結構變形，如對既有隧道周邊土體進行注漿加固和分層、分塊、分條幅進行土體開挖。

(3)注漿加固能在整個施工過程中能有效控制既有結構的變形，但注漿過程中需要嚴格控制注漿壓力，以免由于過大的注漿壓力損壞既有結構。

(4)基坑土方開挖應遵循“分層、分塊、分條幅、平衡、對稱、限時”的開挖原則，嚴禁超挖，并及時架設支撐，盡量減小基底暴露時間。

(5)施工過程中拱頂變形比其它部位大，因此施工過程中需要加強對拱頂?shù)淖冃伪O(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果及時調整施工方案。

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申奇(1989～)，男，碩士，助理工程師，從事隧道及地下工程工作。

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[定稿日期]2017-03-03