地鐵隧道結構監測與安全評估綜合研究

蘇 濤

(沈陽地鐵集團有限公司,遼寧沈陽 110011)

隨著社會的高速發展,地鐵不僅為人們提供了更加便捷的出行方式,也成為城市發展的重要標志。 如何有效地預測地鐵變形并及時采取有效的控制措施成為了研究的重點。

以沈陽某臨近運營地鐵的基坑施工項目為例,研究安全評估及結構監測在地鐵運營過程中起所起的重要作用。

1 項目概述

某基坑項目位于沈陽地鐵一號線重工街站-啟工街站區間南側,基坑長約48 m,深約11.5 m,其邊緣與區間結構水平凈距為11.5 ～13.8 m,位于沈陽市地鐵運營保護區內。 為確保地鐵運營安全,需對既有地鐵隧道進行安全評估和保護監測[1]。 基坑與地鐵隧道關系如圖1。

圖1 基坑與地鐵隧道平面關系

2 安全評估模型分析

2.1 基坑設計參數

基坑的支護方式為“鉆孔灌注樁+錨索”,鉆孔灌注樁直徑為0.6 m,間距為1.0 m,混凝土強度為C25,鋼筋混凝土保護層厚70 mm;錨索鉆孔直徑為0.15 m,錨固體為P. O 42.5 級或以上標號水泥砂漿,水灰比為0.5 ～0.55;桿體材料為1 860 MPa的鋼絞線。 樁間掛設鋼絲網,噴射50 mm 厚C20 細石混凝土。 基坑邊2.0 m 范圍內,堆載不允許超過10 kPa。 基坑與地鐵隧道剖面關系如圖2。

2.2 計算范圍

本次安全評估采用三維計算模型(基于基坑工程臨近地鐵隧道側剖面建立[2]),橫向范圍取52 m;豎向范圍:上取至地面,下取至地面以下58 m。 共劃分為13 274萬個單元,20 494萬個節點。 計算模型如圖3 所示。

圖3 計算模型

模型的上表面為地表(自由邊界),其余各外表面均約束(法線方向)。

圖2 基坑與地鐵隧道剖面關系(單位:mm,高程單位:m)

2.3 計算參數

圍巖物性參數與結構參數如表1、表2 所示。

表1 圍巖物性參數

表2 結構參數

2.4 評估方法

基于Midas/GTS 巖土和隧道結構專用分析系統,根據mohr-coulomb 屈服準則[34],采用地層—結構模型模擬分析基坑施工引起的地鐵區間變形[56],評估區間線路軌道結構的安全性,并根據行車安全的要求,綜合各種影響因素,提出施工及監控量測建議。

2.5 計算假定

(1)既有地鐵結構內力依據原設計標準進行計算分析,施工期間僅考慮正常使用工況,不考慮地震、人防工況;

(2)假定既有地鐵結構為線彈性材料;

(3)假定新建結構、既有地鐵結構及土體之間符合變形協調原則[7];

(4)通過剛度等效的方法,將既有地鐵結構等效為一種同剛度材料[8];

(5)假定基坑降水至設計高程下1 m,并保證其他施工處于正常的控制條件下。

2.6 基坑開挖施工模擬

根據基坑支護設計,首先施作圍護樁,之后的施工順序為:①開挖第一層土(開挖深度至2.2 m),施工第一道支撐(錨索+噴混+鋼筋網);②開挖第二層土(開挖深度至4.7 m),施工第二道支撐(錨索+噴混+鋼筋網);③開挖第三層土(開挖深度至6.7 m),施工第三道支撐(錨索+噴混+鋼筋網);④開挖第四層土,挖至設計基底。 施工模擬見圖4。

2.7 三維模型計算分析

圖4 基坑開挖至底層

根據設計、施工步驟,分階段模擬計算基坑、隧道、軌道道床的三維變形[9]。 以下展示隧道及軌道道床三維變形計算。

(1)水平位移計算結果

圖5、圖6 為隧道襯砌、軌道道床不同位置的水平變形情況,其中負值表示向基坑內偏移。

圖5 第四步開挖后隧道襯砌水平位移

圖6 第四步開挖后軌道道床水平位移

由圖5 可以看出,基坑開挖完成后,左側隧道襯砌變形量遠大于右側,其中左側隧道變形量為-5.27 ～-3.52 mm,最大變形量位于隧道底部,最小變形量位于隧道頂部;右側隧道變形量為-3.52 ～-2.47 mm,其最大、最小變形量對應部位與左線隧道一致。

由圖6 可以看出,基坑開挖完成后,左線軌道道床變形量為-5.27 ～-3.92 mm,右線軌道道床變形量為-3.92 ～-3.12 mm,最大、最小變形量分別位于道床結構的頂部和底部。

(2)豎向位移計算

圖7、圖8 為隧道襯砌、軌道道床不同位置的豎向變形情況,負值表示沉降,正值表示隆起。

圖7 第四步開挖后隧道襯砌豎向位移

圖8 第四步開挖后軌道道床豎向位移

由圖7 可以看出,基坑開挖完成后左線隧道襯砌呈隆起趨勢,變形量為+1.79 ～+5.08 mm,左側結構側壁變形量遠大于右側,其隆起量最大位置為左側結構側壁的中心位置(離基坑最近位置)。 右線隧道襯砌呈下沉趨勢,沉降量為-2.45 ～-0.56 mm,其最大沉降量也在左側結構側壁的中心位置。

由圖8 可以看出,基坑開挖完成后,左線軌道道床呈隆起趨勢,隆起量為+1.74 ～+4.85 mm;右線軌道道床呈沉降趨勢,沉降量為-2.25 ～-0.47 mm;最大隆起量和沉降量均位于道床結構的最左側位置。

3 地鐵保護監測

基坑開挖期間,對地鐵隧道及軌道道床進行水平、豎向位移監測及軌道幾何形態監測[10],沿隧道方向左右線按5 ～10 m 的間距各布置10 個監測斷面,每個斷面設置2 個隧道襯砌監測點、1 個道床監測點,監測點布置如圖9 所示。 圖9 中,1 ～10 代表監測斷面,每個斷面布置3 個沉降監測點、1 個水平位移監測點,其監測點編號:L 代表左線,R 代表右線,LL 代表左線隧道結構左側,LZ 代表左線道床,LR 代表左線隧道結構右側,RL 代表右線隧道結構左側,RZ 代表右線道床,RR代表右線隧道結構右側。 水平位移監測采用“自由設站+小角法”方案[1113],豎向位移采用二等水準測量方案[1415]。

4 監測結果分析

本次監測從2013 年12 月開始,于2014 年9 月結束,共監測34 期,根據各期監測數據,最終累計變化量統計如下(見表3)。

表3 累計監測值統計 mm

由表3 可以看出,在基坑施工期間,監測對象累計變形量均較小,地鐵區間隧道基本處于穩定狀態。

圖9 監測點布置

4.1 水平位移分析

以各斷面各期累計變形量統計數據制作時間-累計變形量曲線,如圖10、圖11 所示。

圖10 左線隧道水平位移 時間曲線

圖11 右線隧道水平位移 時間曲線

由圖10、圖11 可以看出,在基坑開挖初期,左、右線隧道結構水平位移監測點比較穩定,隨著基坑開挖,隧道結構水平位移處于一個波動狀態,波動范圍為-2 ～+2 mm,隨著基坑開挖至底部,監測點變形量收斂至-1 ～+1 mm。 由監測點的最終收斂情況可以看出,基坑開挖期間,隧道結構的水平位移變形較小[16]。

4.2 豎向位移分析

根據各期監測結果,分別對左、右線軌道道床和隧道襯砌累計變形量進行統計,制作時間-累計沉降量曲線,如圖12 ～圖17 所示。

(1)道床豎向位移分析

由圖12、圖13 可以看出,在基坑開挖初期,左、右線軌道道床豎向位移變形較小,隨著基坑開挖的深入,軌道道床豎向位移處于波動狀態,范圍為-2 ～+2 mm,大部分監測點呈沉降趨勢,且監測點波動分散比較平均,隨著基坑開挖至底部,左、右線道床豎向位移監測點均收斂至-1 ～+1 mm。 從監測點收斂情況來看,大部分監測點處于隆起狀態,且左線隧道隆起量整體大于右線隧道。

圖12 左線道床結構豎向位移 時間曲線

圖13 右線道床結構豎向位移 時間曲線

(2)隧道結構豎向位移分析

圖14 左線隧道左側結構豎向位移 時間曲線

圖15 左線隧道右側結構豎向位移 時間曲線

圖16 右線隧道左側結構豎向位移 時間曲線

圖17 右線隧道右側結構豎向位移 時間曲線

由圖14 ～圖17 可以看出,在基坑開挖初期,隧道結構豎向位移變形較小,隨著基坑開挖的深入,整體呈波動狀態,基坑開挖至底部后,整體呈收斂狀態,與道床豎向位移變形規律基本一致。 從最終收斂狀態來看,左線隧道左側結構、右線隧道左側結構隆起量大于沉降量,左線隧道結構右側和右線隧道右側結構點位分散比較均勻,且最大沉降量稍大于最大隆起量。

5 結論

(1)基坑開挖初期,隧道整體變形較小,隨著基坑開挖的深入,變形逐漸增大,基坑開挖至底部及地下結構施工時,整體呈收斂穩定狀態。

(2)安全評估和監測數據分析表明:隧道襯砌水平、豎向變形規律基本一致。

(3)由于基坑位于隧道左上側,基坑開挖對隧道水平位移影響小于豎向位移。 基坑施工完成后,對臨近基坑隧道的影響呈隆起趨勢,最大隆起量為+5.08 mm,對遠離基坑隧道影響呈沉降趨勢,最大沉降量為-2.45 mm,且左線隧道變形大于右線隧道,左側結構側壁變形大于右側結構側壁。

(4)合理選定安全評估模型可以較為準確地預測出變形對象的變化規律及變形值,為后續施工及變形監測控制提供科學的數據基礎,其數據還可以反向驗證安全評估預測。