基坑施工大面積卸荷對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響分析

韓嘉瑋

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710075)

0 引 言

近年來管廊業(yè)務(wù)飛速發(fā)展,但是隨著管廊建設(shè)的發(fā)展,出現(xiàn)了各種各樣的問題,特別是臨近和穿越市政建(構(gòu))筑物的問題越來越多。尤其是伴隨上跨地鐵區(qū)間隧道的案例增多,已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)的地鐵對(duì)于變形極其敏感。在基坑施工期間,如何確保下部地鐵區(qū)間的安全運(yùn)營(yíng)已經(jīng)成為城市發(fā)展建設(shè)中急需解決的難題。地鐵區(qū)間變形一旦過大,輕則影響地鐵運(yùn)營(yíng),重則會(huì)危害人生安全。基于此,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者[1-13]進(jìn)行了大量的研究,給出了一般情況下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移限值。戴軒等[1]利用有限元模型分析了管廊開挖對(duì)上覆在建深基坑的影響;畢成雙[2]通過理論計(jì)算及數(shù)值模擬分析管廊頂進(jìn)施工期間對(duì)既有地鐵隧道的影響,施工采用“卸一還一、土體加固”顯著降低了盾構(gòu)隧道的變形;葉新豐等[3]發(fā)現(xiàn)坑底注漿加固可明顯減少管廊基坑施工對(duì)地鐵的變形影響;蔣新平等[4]提出采用三種方式來控制地鐵隧道的變形;田帥[5]利用有限元軟件計(jì)算分析,并在施工中采用坑底加固和抽條加固的方式保證隧道的正常運(yùn)營(yíng)。王莉等[6]通過計(jì)算表明,采用注漿以及放置鋼錠相結(jié)合的方式可有效控制施工期間對(duì)于地鐵擾動(dòng)的影響;鄧大鵬等[7]針對(duì)綜合管廊上穿區(qū)間隧道推薦了工程類比、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、經(jīng)驗(yàn)分析等方法;劉治寶[8]指出采用坑底加固及分倉、分塊的施工方式可以有效減少區(qū)間隧道的變形。

近年來,對(duì)于地鐵區(qū)間隧道上方進(jìn)行基坑施工的研究越來越多,但是在城市周邊環(huán)境復(fù)雜情況下的研究還是較少。以西安太華路—北二環(huán)立交地下綜合管廊工程上跨地鐵4號(hào)線為背景,采取了坑底換填處理措施來控制地鐵隧道變形,并通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式,得到了在管廊施工過程中地鐵隧道的變形,以此來評(píng)估數(shù)值模擬方法的可靠性。

1 工程概況

1.1 工程背景

西安太華路—北二環(huán)立交地下綜合管廊工程擬建范圍內(nèi)共有三處臨近或者下穿地鐵區(qū)間隧道,根據(jù)物探圖紙及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知,沿著北二環(huán)和太華北路分別有較多管線。選取B段管廊進(jìn)行分析計(jì)算,全長(zhǎng)約508 m。綜合管廊斷面尺寸為(4.2+4.0)m×3.0 m雙艙管廊,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),最大埋深為6.4 m。盾構(gòu)隧道為外徑6 m、襯砌厚度300 mm的圓環(huán),地鐵四號(hào)線某區(qū)間沿太華北路南北向布置,其與B段管廊正交,部分段落位于B段管廊(K9+254.6～K9+310.00)下方,豎向凈距約為7.5 m。

管廊采用明挖順作法施工,由于該項(xiàng)目距離地鐵區(qū)間較近,基坑在開挖的過程中可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響,為了避免地鐵區(qū)間產(chǎn)生較大的變形,本項(xiàng)目采取如下相關(guān)的措施:(1)采用φ0.8 m@1.2 m鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式。(2)地鐵區(qū)間重點(diǎn)保護(hù)范圍內(nèi),在基坑坑底進(jìn)行1 m厚墊層換填,豎向相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 管廊基坑與地鐵隧道斷面圖(單位:mm)

1.2 地層及參數(shù)

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)詳勘報(bào)告,區(qū)間場(chǎng)地地形略有起伏,地面高程介于393.38～396.89 m。本區(qū)間地貌單元屬渭河二級(jí)階地。施工區(qū)域范圍內(nèi)地層的特點(diǎn)主要為:地表之間散布有厚度不一的全新統(tǒng)人工填土;其下主要為上新統(tǒng)風(fēng)積新濕陷性黃土和殘積的古土壤等;再下主要為上新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、中細(xì)粒土壤等。場(chǎng)地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深18.80～20.50 m,相應(yīng)高程為374.39～376.50 m。地下水位年變化幅值為2 m左右。地下水位位于坑底下,施工期間無需降水。根據(jù)地勘內(nèi)插可得,此處抗浮水位為388.4 m,位于管廊以下。因此,對(duì)區(qū)間地鐵而言,運(yùn)營(yíng)階段較施工階段更為安全,抗浮滿足要求。主要參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)匯總表

1.3 工程風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

由于本工程基坑鄰近地鐵四號(hào)線某區(qū)間,通過對(duì)周邊環(huán)境的梳理,開挖過程中可能存在以下風(fēng)險(xiǎn)。

(1)地勘資料顯示場(chǎng)地范圍內(nèi)存在有濕陷性土層,因此圍護(hù)鉆孔灌注樁成孔過程中可能會(huì)發(fā)生塌孔現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致附近地鐵區(qū)間隧道的變形。

(2)基坑開挖過程中,會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)土體向基坑內(nèi)變形及坑底隆起,可能引起地鐵區(qū)間隧道的隆起變形。

(3)因地鐵隧道的側(cè)面變形或地基單側(cè)開挖而產(chǎn)生偏壓效應(yīng),從而引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力作用重分布,進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件的變形、斷裂甚至滲漏水。

(4)地鐵區(qū)間隧道上方由于基坑施工卸載的原因,有可能會(huì)引起地鐵區(qū)間的縱向曲率半徑及相對(duì)變曲超過要求,從而影響地鐵的正常使用。

(5)地鐵區(qū)間隧道的變形會(huì)導(dǎo)致區(qū)間軌道的變形,如果變形過大,一旦超過規(guī)范要求,將對(duì)地鐵的正常運(yùn)行產(chǎn)生很嚴(yán)重的危害。

1.4 變形控制指標(biāo)

地鐵區(qū)間隧道對(duì)變形有著極其嚴(yán)格的要求,因此《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》給出了控制指標(biāo),如表2所示。

表2 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

根據(jù)地鐵公司管理部門的要求,并且結(jié)合西安的案例經(jīng)驗(yàn)以及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》,給出了區(qū)間隧道的變形控制指標(biāo)以及保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)地鐵區(qū)間的絕對(duì)沉降≤20 mm,水平方向的位移≤20 mm,徑向變形≤20 mm。

(2)施工引起的區(qū)間隧道縱向變形的曲率半徑R需>15 000 m,最大差異變形引起的相對(duì)變曲≤1/2 500。

(3)隧道軌道處的差異變形≤4 mm。

(4)盾構(gòu)管片接縫張開量<2 mm。

(5)管片結(jié)構(gòu)裂縫寬度<0.2 mm,且不能有由內(nèi)到外的貫通裂縫及混凝土脫落現(xiàn)象。

(6)基坑施工過程中引起的地鐵區(qū)間外側(cè)超載≤20 kPa。

2 基坑開挖上跨地鐵區(qū)間三維有限元模型

為了能直觀地研究基坑開挖對(duì)下方地鐵區(qū)間隧道的影響,采用有限元軟件midas GTS NX進(jìn)行分析。模型選取基坑開挖邊界2～3倍開挖深度,按照該原則建立模型,模型網(wǎng)格如圖2所示。因此,模型尺寸為97 m×38 m×47 m(長(zhǎng)×寬×深),共劃分單元143 706個(gè)、節(jié)點(diǎn)26 255個(gè)。基坑與地鐵區(qū)間位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 模型網(wǎng)格圖

數(shù)值模擬嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工順序進(jìn)行模擬,基坑施工模擬順序?yàn)?初始地應(yīng)力計(jì)算→位移清零、地鐵區(qū)間開挖以及施加結(jié)構(gòu)計(jì)算→位移清零,施做圍護(hù)樁、冠梁、第一道支撐,開挖至坑底。

本次數(shù)值模擬的工況順序?yàn)椤?/p>

工況1:初始應(yīng)力場(chǎng)平衡。

工況2:地鐵區(qū)間施工,初始應(yīng)力場(chǎng)平衡。

工況3:基坑開挖施工。

圖3 基坑與地鐵區(qū)間位置關(guān)系圖

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

基坑開挖過程中,根據(jù)管廊基坑的實(shí)際施工工況,選取最不利工況,即基坑開挖至坑底,管廊結(jié)構(gòu)還未施做完畢,此時(shí)對(duì)于地鐵區(qū)間卸載最大,盾構(gòu)區(qū)間管片變形最大,基于此,只給出了開挖到坑底的隆起值,如圖4、圖5所示。

圖4 地鐵區(qū)間水平位移圖

圖5 地鐵區(qū)間豎向位移圖

通過數(shù)值模擬可知,受到基坑的開挖影響,地鐵區(qū)間隧道管片產(chǎn)生了豎向的隆起變形,且變形最大的位置發(fā)生在中部,最大值為8.7 mm,水平向基本沒有產(chǎn)生位移,表明在卸載作用下,區(qū)間隧道主要以豎向變形為主。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

鑒于管廊基坑距離地鐵4號(hào)線區(qū)間非常近,是本工程施工的最大風(fēng)險(xiǎn)源。因此,基坑施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控測(cè)量,并對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,確保基坑自身及地鐵結(jié)構(gòu)的安全。在基坑開挖之前,需對(duì)現(xiàn)狀地鐵布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)其做到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),一旦在基坑施工過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)值突變或者超過警戒值,則應(yīng)馬上暫停施工,做好相應(yīng)處理措施。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑施工過程中地鐵區(qū)間隧道的變形數(shù)據(jù),需要在隧道不同部位設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn),一旦發(fā)現(xiàn)變形過大,則應(yīng)立即停止施工,采取相應(yīng)措施來確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全。從開工至掘進(jìn)到該里程完成時(shí)對(duì)沉降點(diǎn)位累計(jì)沉降值統(tǒng)計(jì)如下:370D1點(diǎn)位最大累計(jì)沉降15.19 mm(隧道左側(cè)10 m),373D2點(diǎn)位最大累計(jì)沉降12.74 mm(隧道左側(cè)5 m),373D3點(diǎn)位最大累計(jì)沉降14.37 mm(隧道中間),385D1點(diǎn)位最大累計(jì)沉降13.21 mm(隧道左側(cè)10 m),415D5點(diǎn)位最大累計(jì)沉降13.29 mm(隧道右側(cè)10 m),小于20 mm控制指標(biāo)。

地鐵區(qū)間的縱向變形的曲率半徑為15 820 m>15 000 m,滿足要求;軌道的相對(duì)變曲為1/6 667<1/2 500,滿足預(yù)評(píng)估提出的控制指標(biāo)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),隧道軌道處的差異變形為1.5 mm<4 mm,滿足要求。

3.3 小結(jié)

基坑位于區(qū)間隧道的正上方,由于卸荷效應(yīng),在基坑施工后,地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)朝著基坑方向變形,但是基本沒有水平位移,豎向位移最大值為8.7 mm,既有變形最大值為-15.19 mm,疊加計(jì)算值后為-6.49 mm,小于預(yù)評(píng)估提出的控制指標(biāo)20 mm,滿足相關(guān)要求。

4 地鐵保護(hù)措施及應(yīng)急預(yù)案

由于本基坑開挖規(guī)模大,對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)影響范圍廣,應(yīng)嚴(yán)格按照要求分塊分層開挖及施工,嚴(yán)禁一次開挖邊界過大,每層開挖深度≤2 m,每段施工長(zhǎng)度≤18 m。管廊交叉段節(jié)點(diǎn)處,應(yīng)遵循先深后淺的原則開挖施工。

基坑開挖過程中應(yīng)建立經(jīng)地鐵公司同意的應(yīng)急預(yù)案,備足應(yīng)急材料;施工過程中若出現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超限情況,應(yīng)立即停止施工,及時(shí)通知業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位和地鐵公司,經(jīng)過討論確定有效措施后方可繼續(xù)施工和運(yùn)營(yíng)。在工程施工開始前兩周測(cè)定初始值,將初始值成果上報(bào)業(yè)主及地鐵公司,然后進(jìn)行正常的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)持續(xù)至工程完成,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形穩(wěn)定后結(jié)束。

5 結(jié) 論

以西安太華路—北二環(huán)立交地下綜合管廊工程上跨既有地鐵4號(hào)線區(qū)間為研究背景,通過三維數(shù)值模擬分析計(jì)算,并利用現(xiàn)狀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,得出如下結(jié)論。

(1)基坑施工橫跨地鐵區(qū)間時(shí),應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)并選取適當(dāng)?shù)膰o(hù)方案,由于管廊位于濕陷性黃土層,需采取合理的處理措施,來保證結(jié)構(gòu)的安全可靠,故在坑底進(jìn)行換填處理;如有必要,可以在基坑施工過程中采取分層、分塊開挖方式,以顯著減少基坑施工過程中對(duì)地鐵區(qū)間的影響。

(2)通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,表明數(shù)值模擬方法可行,具有一定的參考價(jià)值。

(3)隨著基坑開挖卸載的作用,地鐵區(qū)間的變形不斷增大,水平向位移基本為0 mm,豎向隆起數(shù)值為8.7 mm,并且其他相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足要求,整體施工安全。