近鄰既有地鐵區(qū)間隧道基坑工程支護(hù)方案研究

鐘雪

（沈陽地鐵集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

近年來，地鐵、綜合管廊、地下停車場等地下工程開發(fā)數(shù)量眾多，使得新建工程施工不可避免與其他地下構(gòu)筑物相互影響。例如建筑深基坑開挖對鄰近地鐵的影響[1]，基坑開挖將引起土體卸載[2]，導(dǎo)致基坑底部土體隆起、側(cè)壁土體側(cè)移以及坑外地面沉降等[3]，引起鄰近地鐵隧道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，產(chǎn)生豎向和水平向位移，嚴(yán)重時將出現(xiàn)隧道管片開裂、掉塊等病害。

針對這些近鄰地鐵隧道基坑工程的施工問題，眾多學(xué)者采用數(shù)值分析方法展開了研究。高盟[4]采用FLAC3D建立三維模型模擬緊鄰上海某地鐵車站的基坑開挖工程基坑，討論了設(shè)置托換樁、攪拌樁加固、分塊開挖等控制車站變形的措施。徐長節(jié)[5]運(yùn)用Plaxis有限元軟件對鄰近隧道變形受基坑施工的影響進(jìn)行了數(shù)值分析研究，表明采取加強(qiáng)有關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度能有效控制已建隧道的變形。王衛(wèi)東[6]以上海新金橋廣場基坑工程為案例，建立考慮隧道周圍主體加固、充分利用時空效應(yīng)等因素的數(shù)值模型，動態(tài)模擬了深基坑開挖過程中開挖卸載對鄰近地鐵隧道的影響。可以看出，基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計情況對區(qū)間隧道影響明顯，基坑工程必須采取嚴(yán)格合理的工程措施。

本文以某砂土地層鄰近既有區(qū)間隧道基坑工程為依托，采用數(shù)值分析手段比選基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分析基坑工程施工過程對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，為類似工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒與參考。

1 依托工程概況

依托工程位于沈陽市皇姑區(qū)，基坑工程周長為655m，基坑設(shè)置三層地下室，基坑深度為-15.4m。基坑工程的北側(cè)為地鐵區(qū)間隧道，其中基坑西北側(cè)距離區(qū)間隧道右線最近，北側(cè)西端距離區(qū)間隧道右線約14.4m，北側(cè)東端距離區(qū)間隧道右線約21.3m，基坑北側(cè)由西端至東端長約78m，如圖1所示。既有區(qū)間隧道為盾構(gòu)法施工，線間距13～17m，盾構(gòu)管片采用C50混凝土，襯砌環(huán)外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片寬度1200mm。基坑工程的北側(cè)土方先沿支護(hù)樁邊線向基坑內(nèi)側(cè)開挖10m寬，為噴護(hù)及錨索施工提供施工作業(yè)面，在錨索張拉齡期內(nèi)進(jìn)行基坑中心土方挖運(yùn)施工。

圖1 擬建項目與區(qū)間隧道位置關(guān)系平面圖

在地鐵區(qū)間隧道保護(hù)范圍的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有單排樁+錨索支護(hù)體系：AB段、BC段、FG段，設(shè)計參數(shù)詳見表1；雙排樁+錨索支護(hù)體系：CD/EF段、DE段，其中CD/EF段、DE段擬定有4種設(shè)計方案，設(shè)計參數(shù)詳見表2。

表1 單排樁+錨索支護(hù)體系設(shè)計參數(shù)

表2 雙排樁+錨索支護(hù)體系設(shè)計參數(shù)

依據(jù)勘察資料，場地地層自上而下為：雜填土、粉質(zhì)黏土、中砂、礫砂、圓礫、粗砂、礫砂、含黏性土圓礫、黏土、粗砂。場區(qū)內(nèi)有一層地下水，為孔隙潛水類型，地下水穩(wěn)定埋深為13.4～15.70m。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 模型網(wǎng)格

此次計算的模型以基坑長邊（垂直區(qū)間隧道走向）方向為y軸，豎直方向為z軸，水平垂直于基坑長邊方向為x軸，建模對象為區(qū)間隧道、基坑整體及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)。總體模型在x軸方向長200m，y軸方向?qū)?00m，z軸方向高50m，其中基坑長78m。此次計算模型共生成166996個單元，103545個節(jié)點，模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格軸測視圖

2.2 計算參數(shù)

計算中采用不同的本構(gòu)模型模擬不同的材料，對于襯砌等結(jié)構(gòu)應(yīng)用線彈性模型，而各層土體采用莫爾-庫侖（M-C）模型。車站結(jié)構(gòu)襯砌、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)底板采用板單元模擬，土體采用實體單元模擬，鋼圍檁采用梁單元模擬，錨索采用錨桿單元模擬。基坑北側(cè)采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面處平均壓力值為420kPa。

計算模型中各土層的計算參數(shù)根據(jù)項目巖土工程勘察報告選取，并對物性參數(shù)相近的土層進(jìn)行了合并處理。表3、表4給出了計算所采用的圍巖物性參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表3 地層計算參數(shù)

表4 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

2.3 施工過程模擬

施工步驟主要包括：一是施工圍護(hù)樁；二是先開挖第一層土體；三是第一層鋼圍檁和錨索，并施加預(yù)應(yīng)力；四是開挖第二層土體；五是第二層鋼圍檁和錨索，并施加預(yù)應(yīng)力；以此類推至開挖第五層土體，達(dá)到設(shè)計開挖深度，最后模擬建筑物建成及土體回填引起的附加荷載對地鐵區(qū)間隧道的影響。其中各層土體開挖至錨索下0.3m，共10個施工步。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對比

雙排φ800樁+2排錨索、雙排φ800樁+4排錨索、雙排φ1000樁+4排錨索、雙排φ1200樁+4排錨索等四種設(shè)計方案引起區(qū)間隧道的變形計算結(jié)果匯總見表5。

表5 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形（單位：mm）

由表5看出：

其一，在Z向位移控制方面，φ800樁+2排錨索方案的效果最好，施工過程中隆起最大為1.49mm、沉降最大為-0.87mm。

其二，在Y向位移控制方面，φ1200樁+4排錨索方案優(yōu)于其他方案，其中在施工過程中位移最大值為-1.79mm。

其三，在X向位移控制方面，各方案差距不大，其中φ1200樁+4排錨索方案較好，施工過程中位移最大值為0.50mm。

綜上所述，雙排φ800樁+2排錨索方案的Y向位移控制能力稍差于雙排φ1200樁+4排錨索，但Y向位移最大為-2.11mm，仍在可控范圍之內(nèi)。因此，綜合考慮施工成本，φ800樁+2排錨索方案最優(yōu)。

4 既有隧道結(jié)構(gòu)安全性分析

為進(jìn)一步驗證雙排φ800樁+2排錨索方案的可靠性，對采用雙排φ800樁+2排錨索方案施工對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形

各開挖步的區(qū)間隧道變形量變化曲線如圖3所示。

圖3 各開挖步區(qū)間隧道變形量

由圖3看出：

其一，基坑開挖過程（施工步1～9）中，區(qū)間隧道各個方向位移分量逐漸增大，最大Z向、Y向、X向位移分別為+1.49mm（隆起）、-2.11mm、0.54mm。

其二，建筑物建成及土體回填（施工步10），將引起區(qū)間隧道位移發(fā)生變化。其中，Z向位移受影響最大，由隆起變化為沉降-0.87mm，而Y向位移增大為-2.3mm，X向位移減小為0.39mm。

其三，區(qū)間隧道的變形以Y向位移和Z向位移為主，X向位移較小。其中，在基坑開挖過程中，區(qū)間隧道Z向位移最大；建筑物建成及土體回填后，區(qū)間隧道Y向位移最大，為-2.3mm，并且是基坑工程施工全過程中的最大位移值。

4.2 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

各開挖步時區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力變化曲線如圖4所示。

圖4 各開挖步區(qū)間隧道的應(yīng)力

由圖4看出：

其一，基坑工程施工過程中（施工步1～10）中，區(qū)間隧道最大壓應(yīng)力變化較小，為4.90～4.96MPa。

其二，基坑工程施工過程中（施工步1～9），區(qū)間隧道最大拉應(yīng)力隨開挖深度逐漸增大，拉應(yīng)力范圍為0.80～1.28MPa；在建筑物建成及土體回填（施工步10）施工時，區(qū)間隧道最大壓應(yīng)力受影響較大，增大約0.24MPa。

4.3 安全系數(shù)與裂縫寬度

經(jīng)計算，各施工步（施工步1～10）的最大軸力、最大彎矩與最小彎矩變化不大。限于篇幅，僅以第10步為代表詳述區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)特征點（彎矩最大點、彎矩最小點、軸力最大點、軸力最小點）的安全系數(shù)與裂縫情況（參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）中7.1.2～7.1.4條規(guī)定計算），見表6。

表6 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與裂縫情況

由表6看出，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)最小為9.0，彎矩最大點裂縫寬度最大，為0.05mm；其次為彎矩最小點位置，裂縫寬度為0.03mm。綜上所述，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)所受最大壓應(yīng)力為4.96MPa，最大拉應(yīng)力為1.52MPa，最大豎向變形+1.49mm（隆起），最大豎向變形-0.87mm（沉降），X向位移最大值0.54mm，Y向位移最大值-2.30mm，裂縫寬度最大0.05mm。地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移與受力均小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T202—2013）與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）的相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié)語

通過采用數(shù)值方法對比分析，對于15.0～16.0m深的砂土地層基坑工程，在雙排φ800樁+2排錨索、雙排φ800樁+4排錨索和雙排φ1000樁+4排錨索、雙排φ1200樁+4排錨索等4個支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，雙排φ800樁+2排錨索方案能夠保證既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的安全，并且施工成本較低，具有較高的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。基坑工程施工過程中的監(jiān)測結(jié)果顯示，既有區(qū)間隧道位移量均在設(shè)計控制值（豎向位移與水平位移控制值為6.0mm、預(yù)警值為4.2mm）范圍以內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)表觀病害，該基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對既有區(qū)間隧道的保護(hù)效果良好。