深基坑開挖對城際鐵路盾構(gòu)隧道的安全性影響分析

趙法亮

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京市 102600)

隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展，地鐵、城際鐵路路網(wǎng)越來越密集，同時(shí)隨著大量地下空間的開發(fā)利用，不可避免地出現(xiàn)許多臨近地鐵及城際區(qū)間隧道的基坑工程。張莎莎等[1]以地鐵周邊基坑工程為背景,通過數(shù)值模擬的方法對開挖過程中隧道的位移和膨脹變形進(jìn)行研究。汪濤等[2]使用有限元分析軟件MIDAS/GTS研究了基坑開挖及支護(hù)過程中鄰近隧道的最危險(xiǎn)截面位移。孫斌彬[3]分析了基坑支護(hù)體剛度、基坑與隧道間的距離對臨近隧道變形的影響。劉波等[4]分別從基坑開挖對既有隧道的影響機(jī)制、基坑開挖引起隧道變形的影響區(qū)、隧道受基坑開挖影響變形預(yù)測方法以及基坑開挖對隧道影響控制方法四個(gè)方面綜述當(dāng)前最新研究成果,探討有待解決的主要問題以及未來重點(diǎn)研究方向。

1 工程概況

珠海華發(fā)廣場50#地塊基坑支護(hù)工程建設(shè)場地位于珠海市橫琴新區(qū)琴海東路東側(cè)，西側(cè)為琴海東路，下方有較多管線，地下室邊距路邊約20m，南側(cè)為聯(lián)澳路，地下室邊距路邊15m；東側(cè)地下室邊距用地紅線邊21m，用地紅線以東為40m寬綠化地，綠化以東為海；北側(cè)為空地。

珠海華發(fā)廣場50#地塊基坑近似于六邊形，基坑周長約425m，基坑面積約10225m2，基坑深度約12.05m?；庸こ虉龅貥?biāo)高3.8m，底板墊層底標(biāo)高-6.75m，隧道邊至地下室邊線水平距離約9.22～9.31m，隧道拱頂與基坑底部豎向距離約14.45m?；庸こ趟幍貙又饕请s填土和淤泥，盾構(gòu)隧道所處地層主要是淤泥質(zhì)土。珠機(jī)城際鐵路與基坑近接區(qū)段為橫琴北站-橫琴站，對應(yīng)的城際鐵路隧道里程為K10+920～K11+088，長度約為168m。該區(qū)段全部采用盾構(gòu)法施工，管片外徑8.5m，內(nèi)徑7.7m，隧道平均埋深約25m，隧道洞身范圍主要為淤泥質(zhì)土(②4)和粘土(②3)。

圖1 基坑總平面圖圖

2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

隧道變形量與結(jié)構(gòu)形式、連接方式等因素有關(guān)，其結(jié)構(gòu)變形會產(chǎn)生軌道偏差從而影響線路的平順性，嚴(yán)重時(shí)將影響列車的安全運(yùn)行，危及結(jié)構(gòu)安全。

2.1 隧道結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)關(guān)于城際鐵路隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)無明確規(guī)定?！冻鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)是目前最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范中對城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值作出了具體要求，可作為確定城際鐵路隧道的容許變量依據(jù)。除規(guī)范要求之外，還可參考國內(nèi)其他一些城市的規(guī)定。

《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》中規(guī)定，在地鐵工程(外邊線)兩側(cè)的鄰近3m范圍內(nèi)不能進(jìn)行任何工程，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤20mm(包括各種加載和卸載的最終位移量)?！逗贾莸罔F集團(tuán)有限責(zé)任公司軌道交通保護(hù)區(qū)管理辦法》規(guī)定，對于運(yùn)行期隧道，豎向沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為10mm，水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)為5mm。

珠機(jī)城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)的制定應(yīng)依據(jù)其它類似工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，在綜合考慮預(yù)測變形值和結(jié)構(gòu)容許變形值的基礎(chǔ)上考慮一定的安全系數(shù)，確定變形控制值，將控制值的 80%作為報(bào)警值，70%作為預(yù)警值。

表1 珠機(jī)城際鐵路隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)

2.2 軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

軌道變形應(yīng)符合《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10623—2014)10.2條中“正線無砟軌道靜態(tài)鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)”及《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》(鐵運(yùn)〔2012〕83號)，我國高速鐵路(200～250km/h)無砟軌道線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值有關(guān)規(guī)定。

根據(jù)以上規(guī)范及規(guī)則，珠機(jī)城際鐵路軌道變形控制指標(biāo)如表2。

表2 珠機(jī)城際鐵路軌道變形控制指標(biāo)

3 隧道結(jié)構(gòu)及軌道安全性評價(jià)

3.1 分析方法

考慮到基坑施工引起的城際鐵路隧道變形與地層關(guān)系密切，采用地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行變形分析。本次計(jì)算采用Midas軟件，模擬基坑施工全過程對城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響，提供城際鐵路隧道及軌道的變形分析結(jié)果，評估城際鐵路隧道及軌道的安全性。

3.2 數(shù)值模型

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取基坑工程與城際鐵路隧道的有效影響范圍，模型尺寸為350m×350m×80m(X×Y×Z)。重點(diǎn)考察城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)及軌道由于基坑施工產(chǎn)生的位移及受力情況。三維有限元計(jì)算模型如圖2所示，三維有限元計(jì)算模型中基坑與城際鐵路隧道的相對位置關(guān)系如圖3所示，三維有限元計(jì)算模型中混凝土支撐、立柱樁及格構(gòu)柱情況如圖4所示。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

3.3 施工工序

本次評估采用分層施工方式模擬，計(jì)算模型中的施工工序采用11步模擬，計(jì)算步與施工條件如表3所示。

3.4 隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

基坑施工過程使得隧道及地表產(chǎn)生一定程度的附加位移，為節(jié)省篇幅僅給出步驟5、步驟6、步驟7實(shí)施后的位移云圖，如圖5所示。

右線隧道(臨近基坑側(cè))結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中各施工階段沿X方向(水平)和Z方向(豎直)位移曲線，如圖6所示。

圖3 區(qū)間隧道與基坑相對位置關(guān)系

圖4 圈梁、混凝土支撐、立柱樁及格構(gòu)柱

表3 計(jì)算模擬工序

圖5 隧道結(jié)構(gòu)位移云圖

圖6 基坑施工各階段隧道結(jié)構(gòu)位移最大值變化曲線

綜合上述結(jié)果，在基坑開挖過程中，城際鐵路隧道朝基坑所在位置方向發(fā)生位移，同時(shí)結(jié)構(gòu)整體沉降。城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的位移隨著基坑開挖深度加大而增加，在基坑開挖至坑底時(shí)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的總位移達(dá)到最大值4.641mm。在基坑施工過程中，城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)沿X方向(水平)和Z方向(豎直)的位移未超控制值(10mm)，可得珠機(jī)城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.5 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，拆除第二道支撐和拆除第一道支撐施工階段隧道結(jié)構(gòu)在Y方向的最大彎矩云圖，如圖7所示。

圖7 拆除支撐施工階段隧道襯砌彎矩

由計(jì)算結(jié)果可知，基坑拆撐過程中，隧道襯砌彎矩最大值為40.7kN·m。

由于管片剛度與管片接頭的剛度不同，土體卸荷引起的管片位移將產(chǎn)生管片環(huán)縫間的張開。管片接縫張開量由以下理論公式計(jì)算：

其中：kj為接頭彈性剛度；Ac為管段橫截面積；φ為中性軸位置的角度；ls為管段的長度；M為盾構(gòu)隧道所受的最大彎矩值；Ec為管段材料彈性模量；Ic為管段的截面慣性矩；x為受彎中性軸的位置x=rsinφ。

表4 盾構(gòu)隧道部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)公式kj=nEjA/l(n、A分別為縱向螺栓總數(shù)和單個(gè)螺栓的截面積)，計(jì)算單個(gè)螺栓的彈性剛度為6.92×106kN/m。由前述公式，可得最大管片接縫張開量為0.246×10-2mm<2mm(控制值)，故管片接縫張開量滿足規(guī)范要求。

3.6 軌道變形計(jì)算結(jié)果

由于右線隧道距離開挖基坑工程較近，需分析右線隧道內(nèi)軌道的變形。右線隧道在拆除第二道內(nèi)支撐和拆除第一道內(nèi)支撐后的軌道變形結(jié)果見表5和表6。

表5 拆除第二道內(nèi)支撐后軌道變形結(jié)果

表6 基坑第一道內(nèi)支撐拆除后軌道變形結(jié)果

從表5可以看出，右線隧道內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)，第二道內(nèi)支撐拆除后，X方向(水平方向)位移差值的最大值為0.4718mm，Z方向(豎直方向)位移差值的最大值為0.4298mm，左軌道和右軌道軌向差異位移最大值分別為0.2672mm、0.3132mm。

從表6可以看出，第一道內(nèi)支撐拆除后，X方向(水平方向)位移差值的最大值為0.4716mm，Z方向(豎直方向)位移差值的最大值為0.4303mm，左軌道和右軌道軌向差異位移最大值分別為0.2658mm、0.3132mm。

上述計(jì)算結(jié)果均小于控制值(水平、高低5mm，軌向4mm)，不影響軌道的安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本研究采用Midas/GTS NX仿真平臺，建立包含華發(fā)廣場50#地塊基坑工程影響范圍內(nèi)的城際鐵路隧道、華發(fā)廣場50#地塊基坑和地層等工程項(xiàng)目要素在內(nèi)的三維有限元計(jì)算模型，對華發(fā)廣場50#地塊基坑工程的施工所引起的隧道力學(xué)特性及土層位移變形特性進(jìn)行了分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)在基坑施工過程中，城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)總位移最大值約為4.641mm，沿X方向(水平)和Z方向(豎直)的位移最大值分別為4.4638mm、2.5418mm，均小于10mm的控制值。

(2)城際鐵路右線隧道距離基坑近，受基坑開挖影響比左線要大，在三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果中也得到了驗(yàn)證，右線隧道是施工與監(jiān)測控制的關(guān)鍵。

(3)隨著基坑開挖深度的增加，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩有增大的趨勢?；邮┕み^程中，隧道彎矩最大值為40.7kN·m，最大彎矩值較小，最大管片接縫張開量為0.246×10-2mm，小于2mm的控制值。

(4)右線隧道內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)支撐拆除后，左、右軌道軌向差異位移均小于控制值(水平、高低5mm，軌向4mm)。

雖然華發(fā)廣場50#地塊基坑工程與運(yùn)營中的珠機(jī)城際鐵路隧道水平距離較近，但豎直方向凈距大于盾構(gòu)隧道的一倍洞徑，在實(shí)施恰當(dāng)?shù)幕又ёo(hù)方案的前提下，基坑施工過程中，既有城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)變形在控制值內(nèi)，不會對臨近珠機(jī)城際鐵路運(yùn)營安全產(chǎn)生重大影響。