基坑開挖施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響分析

摘要：基坑開挖施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響日漸普遍，需要專門對(duì)其進(jìn)行研究分析。依托成都飯店基坑開挖緊鄰地鐵6號(hào)線玉雙路—牛王廟站區(qū)間隧道項(xiàng)目，首先進(jìn)行有效風(fēng)險(xiǎn)分析辨識(shí)，并最終根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定；通過(guò)MIDAS GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：基坑開挖后，現(xiàn)場(chǎng)未施工的第三和第四道錨索采取調(diào)整錨索傾角為5°和長(zhǎng)度增長(zhǎng)到21 m和25 m保護(hù)措施，數(shù)值模擬已建成盾構(gòu)隧道的位移比第三和第四道錨索調(diào)整水平錨索的位移小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的保護(hù)措施，能確保既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間的安全。

關(guān)鍵詞：基坑開挖； 地鐵區(qū)間隧道； 數(shù)值模擬； 保護(hù)措施

中國(guó)分類號(hào)：U452.2+6A

［定稿日期］2022-07-21

［作者簡(jiǎn)介］劉海彎（1989—），女，碩士，講師，從事公路隧道設(shè)計(jì)及科研工作。

0 引言

隨著現(xiàn)代大型基礎(chǔ)工程建設(shè)的發(fā)展，高層和超高層建筑日益增多，新建基坑毗鄰既有地鐵區(qū)間隧道的工程也越來(lái)越多。基坑開挖引起一定范圍內(nèi)土體應(yīng)力場(chǎng)改變，土體中地應(yīng)力重新分布，地層變形向周圍傳遞，影響基坑周圍的盾構(gòu)隧道受力變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起地鐵管片開裂和接頭縫張開甚至破壞［1］。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值分析方法是研究不同施工環(huán)境和施工技術(shù)下基坑與隧道近接施工過(guò)程中相互影響較為常見的方法之一［2-4］。鄭剛等［5］采用單一土層假定，同時(shí)忽略不同土體之間的相互作用，通過(guò)建立三維有限元數(shù)值模型分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同變形模式對(duì)臨近既有隧道的變形影響。伍尚勇、鮑嘯成、馬啟昂等［6-8］采用數(shù)值模擬對(duì)基坑開挖對(duì)近接既有隧道附加內(nèi)力和附加變形的影響進(jìn)行了深入分析。

本項(xiàng)目中的成都飯店高層建筑緊鄰地鐵6號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間，通過(guò)數(shù)值模擬研究成都飯店基坑開挖施工對(duì)地鐵已建盾構(gòu)隧道的影響，并針對(duì)計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的保護(hù)措施。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于成都市錦江區(qū)一環(huán)路與水碾河路交匯處東北側(cè)，由2棟高層和1棟裙房組成，設(shè)4層地下室，基坑深度為20.6 m和23 m 2種深度，基坑支護(hù)采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)（4道預(yù)應(yīng)力錨索支撐），設(shè)計(jì)樁徑1.4 m，樁間距2～2.5 m，樁上錨索長(zhǎng)17～22.5 m。成都飯店項(xiàng)目基坑支護(hù)樁已全部施工完成，AB段的其余樁（位于基坑馬道地段）已施工了1～3道錨索，未施工預(yù)應(yīng)力錨索支撐的間隔樁長(zhǎng)度約74.8 m。成都飯店項(xiàng)目基坑現(xiàn)狀開挖深度約20 m。

地鐵6號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間與成都飯店基坑的關(guān)系：邊線基本平行，平行長(zhǎng)度約158.3 m，成都飯店基坑圍護(hù)樁外邊線距離地鐵6號(hào)線玉雙路—牛王廟站盾構(gòu)區(qū)間隧道外邊線水平距離為13.2～15.1 m，基坑基底與盾構(gòu)隧道管片拱頂豎向凈距為0～2.7 m，基坑第四道預(yù)應(yīng)力錨索與盾構(gòu)隧道管片拱頂豎向凈距為2.4～3.4 m。

根據(jù)地鐵保護(hù)方案專家評(píng)審意見，AB段位于馬道地段，其錨索后于地鐵隧道施工，考慮對(duì)已建成地鐵盾構(gòu)隧道的保護(hù)措施，對(duì)AB段后期擬施工的錨索進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，第三和第四道錨索主要調(diào)整錨索傾角為5°和長(zhǎng)度增長(zhǎng)到21 m和25 m，現(xiàn)場(chǎng)施工見圖1。

2 工程重難點(diǎn)分析

（1）項(xiàng)目基坑位于地鐵6號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間一側(cè)13.2 m，且一直處于停工和長(zhǎng)期暴露狀態(tài)，目前開挖基坑深度20 m，屬重要設(shè)施，且位于6號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間顯著影響區(qū)，接近程度為不接近。

（2）基坑停工約3年和長(zhǎng)期暴露狀態(tài)，超過(guò)基坑支護(hù)使用年限2年期限，預(yù)應(yīng)力錨索支撐的預(yù)應(yīng)力松弛，發(fā)生蠕變，支撐作用減小，第四道預(yù)應(yīng)力錨索支撐距離6號(hào)線盾構(gòu)管片僅2.43 m，基坑預(yù)應(yīng)力錨索支撐位于盾構(gòu)區(qū)間強(qiáng)烈影響區(qū)，接近程度為接近。

（3）既有基坑開挖至最大深度23 m，并且AB段基坑土方開挖施工，基坑圍護(hù)樁外邊線距離6號(hào)線已建成盾構(gòu)區(qū)間隧道外邊線水平距離為13.2～15.1 m，既有地鐵6號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間屬重要設(shè)施，且位于成都飯店基坑開挖強(qiáng)烈影響區(qū)，接近程度為非常接近。

（4）項(xiàng)目基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，基底標(biāo)高與6號(hào)線盾構(gòu)隧道管片拱頂基本一致，離6號(hào)線盾構(gòu)隧道管片最小距離15.3 m（結(jié)構(gòu)輪廓間距離），既有地鐵6號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間屬于重要設(shè)施，并且位于成都飯店高層塔樓豎向和水平荷載傳遞一般影響區(qū)，接近程度為接近。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型建立

采用Midas GTS NX對(duì)成都飯店AB段基坑開挖施工過(guò)程進(jìn)行模擬。考慮到邊界效應(yīng)［9］，建立150 m×80 m（長(zhǎng)×寬）的二維模型進(jìn)行模擬。土體及基坑混凝土支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)管片采用板單元模擬，物理力學(xué)參數(shù)參照表1，約束模型左、右、下3個(gè)面。計(jì)算模型見圖2。

3.2 地層位移結(jié)果分析

根據(jù)GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［10］中的監(jiān)控量測(cè)要求，在基坑開挖施工與支護(hù)過(guò)程中對(duì)既有地鐵6號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

由圖3可知，6號(hào)線盾構(gòu)隧道建成后進(jìn)行成都飯店AB段基坑分層分段盆式開挖，采用預(yù)留土體反壓AB段基坑，AB段盆式開挖預(yù)留土體深度為第四道支撐下面高度，預(yù)留土體為梯形，上邊寬10 m，下邊寬15 m的放坡開挖方式，開挖完成后基底隆起較大，達(dá)到了31.6 mm。建議其他段開挖至基底后，及時(shí)快速施工墊層和主體結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)封底，并用主體結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隔樁，降低深基坑失穩(wěn)或者變形過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

由圖4、圖5可知，AB段基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隔樁最大水平和豎向位移分別為6.3 mm和3.97 mm，錨索端部最大水平和豎向位移分別為4.15 mm和0.98 mm。同時(shí)錨索端部是受拉的，預(yù)應(yīng)力損失較小。

巖土工程與地下工程劉海彎： 基坑開挖施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響分析

由圖6可知，AB段基坑開挖后，樁體最大軸力為1 619 kN；樁體最大彎矩為1 340 kN·m，滿足圍護(hù)樁配筋要求。

3.4 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

由圖7可知，AB段基坑開挖卸荷對(duì)使已建成的左線隧道管片兩側(cè)的最大水平位移為3.12 mm和2.23 mm；右線隧道管片兩側(cè)的最大水平位移為2.16 mm和0.31 mm；左線隧道管片拱頂和仰拱最大豎向位移為-0.23 mm和0.40 mm，右線隧道管片拱頂和仰拱最大豎向位移為-1.34 mm和0.71 mm。

由圖8可知，AB段基坑開挖后，隧道管片最大彎矩由94.8 kN·m增大到107.3 kN·m，隧道管片最大軸力由1 122 kN減小到1 077 kN，管片結(jié)構(gòu)最大彎矩107.3 kN·m，對(duì)應(yīng)截面軸力為475.9 kN，滿足盾構(gòu)隧道A型管片配筋要求。

4 結(jié)論

以成都飯店基坑開挖緊鄰地鐵6號(hào)線玉雙路—牛王廟站區(qū)間隧道項(xiàng)目為工程依托，采用數(shù)值模擬研究了基坑開挖支護(hù)對(duì)既有隧道影響，可以得到主要結(jié)論：

（1）根據(jù)數(shù)值結(jié)果，已建成盾構(gòu)隧道位移比第三、第四道錨索調(diào)整水平錨索的位移小。因此AB段現(xiàn)場(chǎng)未施工的第三、第四道錨索采取調(diào)整錨索傾角為5°和長(zhǎng)度增長(zhǎng)到21 m和25 m保護(hù)措施。

（2）靠近6號(hào)線已建成盾構(gòu)隧道一側(cè)的AB段基坑采用分塊分段盆式開挖，預(yù)留土體反壓AB段基坑，AB段盆式開挖預(yù)留土體深度為第四道支撐下面高度，預(yù)留土體為梯形，上邊寬10 m，下邊寬15 m，其他段開挖至基底后，及時(shí)快速施工墊層和主體結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)封底，并用主體結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隔樁，降低深基坑失穩(wěn)或者變形過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）建議加強(qiáng)對(duì)成都飯店AB段基坑水平位移、豎向位移、水平位移測(cè)斜、基坑周邊地面沉降、預(yù)應(yīng)力錨索軸力、已建6號(hào)線盾構(gòu)隧道位移變形監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查。在AB段基坑再開挖施工期間，基坑位移和預(yù)應(yīng)力錨索軸力及已建隧道管片位移監(jiān)測(cè)頻率和現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查次數(shù)加密，并作好深基坑變形過(guò)大或者失穩(wěn)后的安全應(yīng)急預(yù)案。

參考文獻(xiàn)

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