隧道明挖施工與并行地鐵區(qū)間相互影響分析

敬懷珺，馬軍秋，王海林，李騰飛

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410200；2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300308)

隨著城市軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，城市地下空間地鐵網(wǎng)絡(luò)縱橫交織，直接影響新建隧道的設(shè)計(jì)與施工。由于各種原因，在新建隧道線位難以調(diào)整的情況下，會(huì)出現(xiàn)兩線上下并行穿越或多線疊交穿越既有地鐵的情況[1]。當(dāng)前，建立有限元模型，綜合考慮基坑開挖支護(hù)、土體位移、既有構(gòu)（建）筑物變形的耦合分析，成為基坑開挖與鄰接工程相互影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判的重要手段[2～5]。本文采用FLAC3D有限差分計(jì)算軟件對(duì)深大基坑開挖與既有并行地鐵區(qū)間的相互作用進(jìn)行數(shù)值分析并在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)措施指導(dǎo)施工，力求將風(fēng)險(xiǎn)控制在最低，也為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市湘雅路過(guò)江隧道東岸明挖段位于地鐵6號(hào)線區(qū)間隧道上方且與該區(qū)間并行走向，見(jiàn)圖1。

圖1 湘雅路過(guò)江隧道與6號(hào)線區(qū)間平行段平面位置

并行段基坑寬36.2～37.5 m、深19.6～21.6 m，支護(hù)為地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐。地下連續(xù)墻為1 m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，嵌固深度5 m；內(nèi)支撐豎向共設(shè)置6道，其中1～2道為1 m×1 m鋼筋混凝土支撐，3～6道為直徑800 mm鋼管支撐。6號(hào)線區(qū)間為外徑6 m、管片厚度300 mm的盾構(gòu)隧道，左右線間距13 m；最不利位置處，區(qū)間頂面距離基坑底豎向凈距5.85 m，距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小凈距1.2 m。見(jiàn)圖2。

圖2 湘雅路過(guò)江隧道與6號(hào)線區(qū)間平行段剖面位置

2 數(shù)值模擬

計(jì)算模型共分為15個(gè)實(shí)體網(wǎng)格組，分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖、微風(fēng)化板巖、地鐵6號(hào)線左右線開挖區(qū)、地下連續(xù)墻、明挖基坑1～6層。

2.1 計(jì)算假定及邊界條件

土體在計(jì)算域內(nèi)假定各向同性、勻質(zhì)、連續(xù)；采用摩爾-庫(kù)倫模型。地下連續(xù)墻、明挖隧道結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，6號(hào)線區(qū)間隧道襯砌采用殼結(jié)構(gòu)單元，明挖基坑水平支撐采用梁結(jié)構(gòu)單元，中立柱及抗拔樁采用樁結(jié)構(gòu)單元。水平方向按基坑中線向兩側(cè)各外擴(kuò)3倍開挖深度進(jìn)行控制，共計(jì)170 m，豎直方向按基坑坑底向下取3倍開挖深度進(jìn)行控制，共計(jì)85 m。見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

各結(jié)構(gòu)及地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 懸吊系統(tǒng)物理力學(xué)參數(shù)

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工工況模擬

地鐵6號(hào)線為既有運(yùn)營(yíng)線路，模擬過(guò)程中，先施作地鐵6號(hào)線隧道，再對(duì)湘雅路隧道基坑進(jìn)行支護(hù)開挖。

1）工況一：地應(yīng)力平衡階段。對(duì)各地層進(jìn)行參數(shù)賦值，施加模型的邊界條件、初始地應(yīng)力條件并進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算。見(jiàn)圖4。

圖4 工況一

2）工況二：地鐵6號(hào)線開挖及支護(hù)階段。對(duì)地應(yīng)力平衡后模型節(jié)點(diǎn)的位移、速度清零并對(duì)既有地鐵6號(hào)線隧道進(jìn)行開挖、支護(hù)。見(jiàn)圖5。

圖5 工況二

3）工況三：基坑支護(hù)階段。明挖法隧道基坑兩側(cè)成槽并施作地下連續(xù)墻、中立柱及抗拔樁。見(jiàn)圖6。

圖6 工況三

4）工況四：基坑第一層支護(hù)及開挖階段。施作冠梁及第一道混凝土水平支撐并對(duì)基坑進(jìn)行第一層開挖。見(jiàn)圖7。

圖7 工況四

5）工況五：基坑第二層支護(hù)及開挖階段。施作腰梁及第二道混凝土水平支撐并對(duì)基坑進(jìn)行第二層開挖。見(jiàn)圖8。

圖8 工況五

6）工況六：基坑第3～6層支護(hù)及開挖階段。依次進(jìn)行基坑第3～6層的支護(hù)及開挖模擬。見(jiàn)圖9。

圖9 工況六

3 結(jié)果分析

3.1 既有地鐵6號(hào)線區(qū)間隧道穩(wěn)定性

3.1.1 內(nèi)力

當(dāng)上部基坑開挖時(shí)，既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力受到卸荷作用而發(fā)生應(yīng)力重分布。由于地鐵區(qū)間左右線與基坑水平距離差異導(dǎo)致內(nèi)力呈非對(duì)稱分布；其中，襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力為1 491 kN，發(fā)生在右線隧道的右側(cè)邊墻角處；最大正彎矩為30.9 kN·m，發(fā)生在左線隧道拱頂處；最大負(fù)彎矩為43.3 kN·m，發(fā)生在左線隧道左側(cè)拱肩處。見(jiàn)圖10。

圖10 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

區(qū)間隧道受力基本處于安全可控范圍，見(jiàn)圖11。

圖11 隧道最小安全系數(shù)

3.1.2 位移

上部基坑開挖時(shí)，既有隧道結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。最大豎向位移為5.81 mm，發(fā)生在左線隧道左側(cè)拱肩處；隧道襯砌的最大水平位移為2.19 mm，發(fā)生在左線隧道的左側(cè)拱肩處，均滿足CJJT 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中10 mm控制標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)圖12。

圖12 襯砌位移

3.2 新建明挖隧道基坑穩(wěn)定性

3.2.1 坑底及周圍地表位移

明挖基坑上跨既有地鐵隧道，其坑底及周邊地表的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)分布會(huì)受到既有隧道影響。坑底發(fā)生隆起變形，中部最大隆起量為11.94 mm；最大水平位移2.2 mm，發(fā)生在坑底與地鐵區(qū)間重疊一側(cè)；2倍開挖深度外的地表發(fā)生沉降變形，最大沉降值為0.46 mm。基坑處于安全可控范圍，在施工過(guò)程中只需對(duì)部分控制節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。見(jiàn)圖13。

圖13 明挖法基坑位移

3.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

地下連續(xù)墻深層位置發(fā)生趨向基坑內(nèi)側(cè)的水平變形，最大值為1.7 mm，發(fā)生于墻底根部，滿足GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中的10 mm控制要求。見(jiàn)圖14。

圖14 地下連續(xù)墻水平位移

4 結(jié)論與建議

通過(guò)模擬分析隧道基坑開挖卸荷對(duì)既有地鐵6號(hào)線區(qū)間及基坑自身穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論：

1）在開挖卸荷過(guò)程中，既有地鐵隧道安全系數(shù)呈非對(duì)稱分布，其中右側(cè)邊墻角與左側(cè)拱肩處安全余量較小；

2）開挖卸荷影響范圍內(nèi)，既有隧道結(jié)構(gòu)會(huì)向基坑開挖方向發(fā)生水平偏移并出現(xiàn)一定程度的上浮現(xiàn)象；

3）隨著基坑的逐步開挖，地下連續(xù)墻深層會(huì)發(fā)生傾向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移且越靠近既有地鐵區(qū)間側(cè)，水平位移越大。

結(jié)合模型變形趨勢(shì)，建議施工中采用分層、分塊、限時(shí)開挖方式，對(duì)部分節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采取必要加固措施，以確保施工安全。