地鐵盾構(gòu)區(qū)間上方深基坑開挖對隧道的影響分析

陳曉燕

(杭州地鐵集團有限責(zé)任公司 杭州 310020)

地鐵盾構(gòu)區(qū)間上方深基坑開挖對隧道的影響分析

陳曉燕

(杭州地鐵集團有限責(zé)任公司 杭州 310020)

在已建地鐵盾構(gòu)隧道上方近距離開挖深基坑工程中，隧道上浮、基坑回彈隆起和隧道結(jié)構(gòu)變形是施工過程中控制的難點。利用三維數(shù)值計算方法，研究基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，并提出可采取的加固措施，分析如何運用時空效應(yīng)原理，分層、分段開挖基坑，以減小基坑回彈量，確保盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全。

地鐵盾構(gòu)隧道;近距離;深基坑;三維數(shù)值分析

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了不少基坑開挖工程騎跨在已建地鐵隧道的上方，特別是相互間距離很小的情況。由于地鐵隧道變形控制極為嚴(yán)格，如何采取有效措施控制隧道的變形，是值得摸索和研究的課題。

在已建地鐵盾構(gòu)隧道上方開挖大面積的基坑工程，對隧道上浮、基坑回彈隆起和隧道結(jié)構(gòu)變形成為施工過程中控制的難點。筆者試圖通過計算分析研究基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，提出合理的基坑開挖深度，以及運用時空效應(yīng)原理開挖基坑，對基坑開挖的時序和分層、分段、分塊開挖尺寸加以限制，以減小基坑回彈，確保盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模與概況

杭州地鐵1號線某盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿大型地下商業(yè)開發(fā)物業(yè)，原設(shè)計隧道頂部與上部物業(yè)開發(fā)基坑坑底的最小距離為1.8 m，上部基坑開挖深度為14.5 m，盾構(gòu)隧道在物業(yè)開發(fā)基坑下的長度達(dá)300多m。

原工期安排為地下商業(yè)開發(fā)先期實施，預(yù)留地鐵盾構(gòu)隧道后期穿越，后物業(yè)開發(fā)基坑因管線遷改、施工圍擋及分期建設(shè)等原因，其施工工期相對滯后于地鐵1號線，施工時序調(diào)整為地鐵1號線盾構(gòu)隧道先行通過，后期開挖上部物業(yè)深基坑。物業(yè)的基坑采用放坡開挖，自流深井降水。降水后的水位控制在坑底下1 m，抗浮按照地面下0.5 m水位控制。

地鐵盾構(gòu)隧道與物業(yè)開發(fā)地下室結(jié)構(gòu)的平面、縱剖關(guān)系如圖1～圖2所示。

地鐵盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，采用6塊管片拼裝，管片壁厚35 cm。

圖1 1、4號線與物業(yè)開發(fā)地下室的平面關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)條件

本盾構(gòu)大部分位于淤泥質(zhì)黏土中掘進(jìn)，上部為粉砂土，下部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

地層參數(shù)見表1。

圖2 1、4號線與物業(yè)開發(fā)地下室的縱剖關(guān)系圖

2 基坑開挖的抗浮計算分析

盾構(gòu)隧道與物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)底板距離較近，同時地鐵隧道和物業(yè)開發(fā)地下室在空間上存在立體交叉，物業(yè)開發(fā)大基坑開挖暴露范圍大，基坑大面積卸載后對盾構(gòu)隧道的影響不容忽視。為分析基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響，采取三維計算進(jìn)行分析。

2.1 抗浮計算分析

盾構(gòu)抗浮力計算時，為了安全考慮，一般不計算螺栓的抗剪、管片的摩擦及盾構(gòu)橫斷面上部覆土的抗剪。所以在計算抗浮最小埋深時，一般就按照受力平衡，只是考慮向上浮力、向下的管片自重及上覆土重力(見圖3)。

單位長度管片自重G，有

圖3 隧道抗浮計算簡圖

單位長度管片所受浮力F浮，有

單位長度管片上部土體有效質(zhì)量W，有

由力的平衡可知，管片穩(wěn)定的條件為

式中，R為管片外徑，m;r為管片內(nèi)徑，m;γg為水的容重，kN/m3;γC為管片容重，kN/m3;γ'為上覆土體有效容重，kN/m3;

取 γC=24.5 kN/m3，γg=9.8 kN/m3γ'=7.4 kN/m3R=6.2 m，r=5.5 m，根據(jù)原設(shè)計要求，h=1.8 m，由計算可知，管片上覆力為 917.5 kN;管片抗浮力為1 207 kN。

917.5 kN＜1 207 kN，不滿足抗浮條件。

由式(1)～式(3)推導(dǎo)，有

可得隧道最小埋深h為5 m。

2.2 工程措施

考慮通常的降水條件下，基坑開挖中隧道抗浮不能滿足要求，工程采取措施如下:

考慮地鐵盾構(gòu)施工與物業(yè)地下施工工序的調(diào)整，已經(jīng)實施完成的地鐵隧道上方(隧道中心線兩側(cè)30 m)的商業(yè)地下室由地下3層調(diào)整為地下2層，調(diào)整后的商業(yè)地下室開挖深度為9.6 m。

取h=9.6 m，其余數(shù)值不變代入式(1)～(3)，得出:管片上覆力為1 633 kN;管片抗浮力為1 183 kN，管片上覆力大于管片抗浮力。

物業(yè)的基坑支護(hù)、降水方式不變，降水后的水位及抗浮水位控制值不變。

基坑開挖底部時，可滿足地鐵抗浮要求。

3 基坑開挖的數(shù)值計算分析

盾構(gòu)隧道與物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)底板距離較近，同時地鐵隧道和物業(yè)開發(fā)地下室在空間上存在立體交叉，物業(yè)開發(fā)大基坑開挖暴露范圍大，基坑大面積卸載后對盾構(gòu)隧道的影響不容忽視。為分析基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響，采用了卸載模量，取彈性模量的1/3作為卸載模量。采取三維計算進(jìn)行分析。

3.1 計算程序及建模

采用Flac3D巖土專業(yè)軟件，隧道管片采用Liner單元，如圖4所示。土體單元采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。

圖4 Liner單元界面特性

3.2 數(shù)值計算模型

3.2.1 計算模型及工況

Flac3D中模型建立如圖5，模型長150 m，高50 m，寬45 m。盾構(gòu)外徑D為6.2 m，管片壁厚0.35 m。

數(shù)值模擬中采用Flac3D的Liner襯砌單元模擬盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)，土體用Solid45實體單元來模擬。Flac3D有限元模型網(wǎng)格劃分如圖5所示，隧道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖6所示。

圖5 Flac3D模型網(wǎng)格劃分

圖6 Flac3D中盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)單元

3.2.2 計算參數(shù)

該地層上部為15～20 m厚的③層砂質(zhì)粉土地層，下部為20 m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，軟弱層主要有④3、⑥1、⑥2、⑧1層。物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)底板坐落于③6層，盾構(gòu)隧道穿越地層主要為④3層。計算時為了簡化模型，將相近土層合并成一層進(jìn)行計算。模型總共分為4個土層，分別是填土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土。數(shù)值模擬計算的土層參數(shù)見表2。

表2 計算物理力學(xué)指標(biāo)

3.2.3開挖過程的模擬

首先，建立模型。有限元建立模型如圖5所示，橫向長度為150 m，其中邊界距離隧道邊緣均超過了3D(D為隧道直徑):縱向上總長度為45 m，隧道底部至下邊界的距離為23 m，上部邊界取至了地表。

根據(jù)現(xiàn)有成果，滿足前述邊界條件，認(rèn)為邊界的位移為零。因此，有限元模型左右邊界約束水平位移，下部邊界約束豎向位移，上部邊界自由，不進(jìn)行任何約束。

該模型計算考慮多種開挖模式，包括整層開挖和分段開挖。

計算過程中采用分層分塊開挖的方法，施工順序為:

1)大面積分層開挖土方至地表下4 m，即絕對標(biāo)高2.00 m。

2)施工圍護(hù)樁和加固區(qū)域。要求先施工止水帷幕，再施工鉆孔樁，工程樁已先行施工區(qū)域，加固體采用高壓旋噴樁施工。

3)圍護(hù)樁達(dá)到設(shè)計強度且地下水位到位后，沿盾構(gòu)線縱向基坑分槽跳挖施工，分隔成的每一個槽分別沿長邊再次分層分塊施工，挖土至基坑底部。

為了比較基坑分塊施工對盾構(gòu)隧道的影響，本次計算分別假設(shè)每槽寬度分別為:18、12、15、9、6 m 及一次性開挖完成等6種工況。

3.3 數(shù)值計算結(jié)果

3.3.1 未采取分段開挖的計算結(jié)果

當(dāng)采用整體開挖的方式時，隧道整體上浮約28 mm。

3.3.2 采取分段開挖的計算結(jié)果

當(dāng)分塊長度為15 m時，隧道整體最大上浮量僅約18 mm，基本符合隧道上浮安全要求。采用分層分塊開挖的方法可以有效控制隧道管片的上浮量。

基坑開挖時，塊體的長度越小，隧道上浮量也隨之減少，經(jīng)多次試驗，塊體長度低于15 m時，隧道上浮量相對較小。綜上所述，從安全及施工工藝等各個角度考慮，將開挖塊體長度定為15 m，同時采取如在隧道內(nèi)堆載等方式，可以進(jìn)一步有效減少隧道的上浮量，見圖6～圖7。

表3 基坑開挖后盾構(gòu)隧道整體上浮量

圖7 基坑開挖豎向位移云圖

可以看出，基底豎向回彈量隨著開挖步距的增加而增大。開挖到坑底時，基底豎向回彈值達(dá)到了28 mm。采取加固措施后，合理分區(qū)開挖后，基地豎向最大回彈值達(dá)到了18 mm。在實際實施時，分層高度為3 m，分段開挖長度為6 m。利用時空效應(yīng)開挖，有效地控制了隧道上浮。

4 結(jié)論

在已建盾構(gòu)隧道上部開挖深基坑對隧道結(jié)構(gòu)的變形控制是巖土工程領(lǐng)域一個新的研究課題，通過對杭州地鐵已建盾構(gòu)隧道上部開挖深基坑工程的三維有限元計算分析，得出如下結(jié)論:

1)利用三維數(shù)值分析方法建立起來的隧道變形計算模型，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測隧道的隆起變形。

2)運用時空效應(yīng)原理開挖基坑是減小基坑工程下已運行隧道隆起變形的最有效、最經(jīng)濟的措施。

3)適當(dāng)?shù)乃淼兰庸檀胧┯欣跍p小因基坑開挖引起的隧道隆起變形。

4)類似工程均有開挖面積大以及與地鐵隧道距離近的特點，開挖過程中運用時空效應(yīng)原理合理安排開挖土方的尺寸，盡量減小每步開挖無支撐暴露時間，嚴(yán)格按照“分層、分塊、分段、對稱、平衡、限時”開挖基坑，能有效控制隧道變形。

［1］劉國彬，黃院雄，侯學(xué)淵.基坑工程下已運行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實踐［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(2):202-207.

［2］楊挺，王心聯(lián)，許瓊鶴，等.箱型隧道基坑下已建地鐵盾構(gòu)隧道隆起位移的控制分析與設(shè)計［J］.巖土力學(xué)，2005(S1):653-657.

［3］劉國彬，侯學(xué)淵.軟土的卸荷模量［J］.巖土工程學(xué)報，1996(16):18-23.

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［5］詹劍青，劉添俊.深基坑開挖對臨近地鐵隧道影響數(shù)值分析［J］.科技廣場，2011(5):179-181.

［6］羊逸君.地鐵隧道深基坑支護(hù)體系及開挖方案研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

Impact of Excavation of Deep Foundation Pit on the Underlying Metro Running Tunnel

Chen Xiaoyan
(Hangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310020)

Abstract:During the excavation of a deep foundation pit above and adjacent to the constructed shield tunnel of metro，pit uplift，tunnel upheaval and structural deformation in the construction process are difficult to control.Adopting threedimensional numerical analysis，the paper studied the tunnel deformation regulations during pit excavation，and put forward the reinforcement measures to be taken，as well as the application of time-space effect principle，i.e.，excavating the pit by parts and segments，so as to reduce resilience and ensure the safety of underlying shield tunnel structure.

Key words:metro shield tunnel;adjacency;deep foundation pit;three-dimensional numerical analysis

U451

A

1672-6073(2013)02-0084-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.022

收稿日期:2012-10-11

2012-11-28

作者簡介:陳曉燕，女，本科，工程師，從事地鐵設(shè)計管理，cxy@hzmetro.com

(編輯:郝京紅)