王木群

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

基坑對(duì)既有地鐵隧道襯砌的影響及變形控制

王木群

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

基坑工程位于地鐵隧道之側(cè)，基坑開挖卸荷導(dǎo)致地鐵隧道襯砌產(chǎn)生位移，水平位移朝向基坑內(nèi)側(cè)，而豎向位移主要表現(xiàn)為隆起，地鐵隧道襯砌豎向隆起量要大于水平位移；地鐵隧道襯砌位移隨著基坑開挖逐漸增大。地鐵隧道離基坑越遠(yuǎn)且地鐵隧道埋深越深，地鐵襯砌豎向隆起量及水平位移就越小。以楓亭隧道明挖基坑為工程實(shí)例，采用地連墻+4道橫撐+2道豎向支撐的支護(hù)方式、盆式開挖方法、合理的地連墻嵌固深度等方式來控制地鐵隧道襯砌的變形，并以“地鐵隧道結(jié)構(gòu)的絕對(duì)豎向位移及水平位移要≤20 mm”為控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示控制措施能保證地鐵隧道正常運(yùn)營(yíng)安全。

基坑； 開挖； 位移； 地鐵； 襯砌； 支護(hù)

0 引言

隨著我國(guó)城市交通的發(fā)展，市政隧道越來越多，而市政隧道大多采用明挖法，這就必然會(huì)產(chǎn)生許多基坑工程，常常會(huì)出現(xiàn)基坑工程位于既有地鐵隧道之側(cè)的問題[1,2]。鄰近地鐵的基坑工程施工必然會(huì)對(duì)已有隧道造成一定的影響，基坑開挖卸荷引起地應(yīng)力的重新分布，進(jìn)而導(dǎo)致緊鄰地鐵隧道的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，影響地鐵隧道的使用和適用性，因此有必要分析基坑開挖對(duì)既有地鐵隧道的影響[3-6]。已運(yùn)營(yíng)的地鐵車輛對(duì)隧道的變形極為敏感，地鐵隧道結(jié)構(gòu)對(duì)變形要求極為嚴(yán)格，一般情況下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的絕對(duì)豎向位移及水平位移要≤20 mm，所以基坑開挖除了要保證自身安全的情況下，還要防止地鐵隧道產(chǎn)生過大的變形[7-9]。

1 基坑對(duì)地鐵隧道的影響

假定基坑深度15 m，見圖1，采用鉆孔樁+橫撐進(jìn)行支護(hù)，鉆孔樁直徑1 m，間距1.3 m，從上而下依次布置1道鋼筋混凝土橫撐、3道鋼管支撐(豎向間距4 m)；地鐵隧道襯砌直徑為6 m，厚30 cm，與基坑的水平距離為D，地鐵隧道埋深為H。假定圍巖為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。采用Midas數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，探討基坑開挖對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，模型見圖2。

圖1 基坑與地鐵位置關(guān)系

圖2 計(jì)算模型

1.1 水平距離D對(duì)隧道變形的影響

為了探討水平方向基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響，假定地鐵隧道埋深H=9 m，基坑與隧道水平距離D分別為5、10、20、30 m，基坑開挖工序?yàn)椋?①施做鉆孔樁及冠梁； ②向下開挖1 m并施做第1道鋼筋混凝土橫撐； ③向下開挖4 m并施做第1道鋼管支撐； ④向下開挖4 m并施做第2道鋼管支撐； ⑤向下開挖4 m并施做第3道鋼管支撐； ⑥最后開挖剩下的2 m。通過計(jì)算得出隧道襯砌在基坑開挖過程中的水平位移及豎向位移，見圖3所示。

圖3 地鐵隧道襯砌位移

從圖3中可以看出，隨著基坑開挖卸荷，地鐵隧道襯砌產(chǎn)生向基坑一側(cè)的水平位移，且水平位移逐漸增大，當(dāng)D逐漸增大時(shí)，地鐵襯砌水平位移在減小；地鐵隧道襯砌位移主要表現(xiàn)為隆起，隨著基坑的開挖，地鐵襯砌豎向隆起量在增大，當(dāng)D逐漸增大時(shí)隆起量在逐漸減??；總體上襯砌隆起量大于水平位移，當(dāng)D大于30 m時(shí)，基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響很小。

1.2 不同埋深H對(duì)地鐵隧道變形的影響

為了探討基坑開挖對(duì)地鐵隧道在不同埋深情況下的影響，假定基坑與地鐵隧道的水平距離為5 m，地鐵隧道埋深分別為7、10、12、15 m，基坑開挖工序同上，通過計(jì)算得出隧道襯砌在基坑開挖過程中的水平位移及豎向位移。如圖4。

圖4 地鐵隧道襯砌位移

從4圖中可以看出，隨著基坑開挖，地鐵襯砌水平及豎向位移均在增大；隨著H的增大，水平位移在減小，當(dāng)H=15 m時(shí)(地鐵隧道在基坑底部之下)水平位移最小；隨著H的增大，地鐵襯砌豎向隆起量逐漸減小，當(dāng)H=15 m時(shí)，襯砌隆起量最小。總體上襯砌隆起量仍舊要大于水平位移。

綜上所述，隨著基坑的開挖，地鐵襯砌的位移在逐漸增大，當(dāng)?shù)罔F隧道離基坑越近且埋深越淺時(shí)，豎向隆起量及水平位移就越大，當(dāng)?shù)罔F隧道在基坑底部之下時(shí)，基坑對(duì)地鐵隧道的影響較小。地鐵隧道襯砌位移主要表現(xiàn)為豎向隆起，因此在基坑設(shè)計(jì)過程中主要考慮地鐵隧道襯砌的隆起量。通過以上分析，可以得出，在地鐵隧道之側(cè)布置基坑時(shí)，應(yīng)盡量使得基坑水平方向上遠(yuǎn)離地鐵隧道，同時(shí)也應(yīng)減小基坑的深度，盡量使基坑底部在地鐵隧道襯砌之上，以減小基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

楓亭隧道為雙向六車道城市隧道，整個(gè)隧道采用明挖法施工，隧道結(jié)構(gòu)寬28.2 m，高7.8 m，見圖5，基坑寬度為28.55 m ，楓亭隧道右側(cè)有地鐵4號(hào)線。由上文分析可以得出，在地鐵隧道之側(cè)布置基坑時(shí)，應(yīng)盡量使基坑遠(yuǎn)離地鐵隧道，同時(shí)盡量減小基坑的深度，不過受整個(gè)線位的影響，K0+200～250段基坑緊鄰地鐵隧道(最近距離僅為4.1 m)，地鐵隧道埋深8.2 m，基坑深18.3 m，基坑與地鐵隧道的位置關(guān)系見圖6所示(只列出地鐵隧道左幅)。

圖5 楓亭隧道斷面

圖6 楓亭隧道基坑與地鐵布置

從上文分析中可以得知，基坑開挖卸荷會(huì)對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生水平及豎向位移，尤其是本基坑開挖寬度大、距離地鐵隧道近且基坑較深，對(duì)地鐵隧道的正常運(yùn)營(yíng)非常不利，因此本段基坑的開挖能否控制住地鐵隧道的位移甚為關(guān)鍵。結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，本段基坑擬采用地下連續(xù)墻+橫撐進(jìn)行支護(hù)，墻厚1 m，采用1道鋼筋混凝土橫撐(截面尺寸為1 m×1 m)、3道Φ609 mm鋼管橫撐，豎向間距為3.5 m；由于基坑寬度大，橫撐容易產(chǎn)生較大的撓度，因此設(shè)置豎向支撐尤為必要，本段基坑設(shè)置2道豎向470 mm×470 mm的格構(gòu)立柱，格構(gòu)立柱距離基坑邊8.55 m，見圖7。對(duì)于緊鄰地鐵隧道面積較大的基坑，選用合適的開挖方法也很關(guān)鍵，另外地連墻的嵌固深度也要合理，較小的嵌固深度對(duì)地鐵隧道襯砌變形不利，嵌固深度過大又導(dǎo)致沒有必要的浪費(fèi)[10，11]。

圖7 基坑支護(hù)(單位： m)

2.2 盆式開挖方法

基坑開挖首先施做兩側(cè)的地連墻，然后逐層開挖并施做內(nèi)部支撐，采用普通的開挖方法容易使地連墻在無支撐的狀態(tài)下暴露過長(zhǎng)的時(shí)間[12，13]，這對(duì)基坑變形不利。本項(xiàng)目擬采用盆式開挖方法，盆式開挖即除基坑中間部分的土方，基坑周邊一定范圍內(nèi)的土?xí)翰婚_挖，按1∶1.25進(jìn)行放坡，利用擋墻四周所留土堤對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，阻止墻體的變形，本項(xiàng)目開挖示意圖見圖8。

圖8 盆式開挖(單位： m)

具體開挖步驟為：(1)施做兩側(cè)地連墻；(2)開挖②部分土體，開挖高度2 m，土堤坡比為1∶1.25；(3)開挖③部分土體并施做內(nèi)支撐；(4)開挖④部分土體，開挖高度3.5 m；(5)開挖⑤部分土體并施做內(nèi)支撐；(6)依次完成以下巖體開挖及內(nèi)支撐的施做。

2.3 地連墻嵌固深度及基坑開挖數(shù)值模擬

在地連墻嵌固深度分別為4、5、6、7、8、9、10 m的情況下，對(duì)基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，分別得出不同嵌固深度情況下地鐵隧道襯砌的位移，并以“地鐵隧道結(jié)構(gòu)的絕對(duì)豎向位移及水平位移要≤20 mm”為控制標(biāo)準(zhǔn)，以確定合理的地連墻嵌固深度[13-15]。圍巖采用實(shí)體單元模擬，采用摩爾庫(kù)倫模型，地鐵隧道襯砌、地連墻、內(nèi)支撐等均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，采用彈性模型。邊界條件為X方向左右固定、Y方向底部固定，模型見圖9所示。地層參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖9 計(jì)算模型

表1 材料參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/(kN·m-2)泊松比ν容重γ/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)雜填土實(shí)體單元摩爾庫(kù)倫400000452000225粘土實(shí)體單元摩爾庫(kù)倫100000039200130全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖實(shí)體單元摩爾庫(kù)倫2000000352101532中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖實(shí)體單元摩爾庫(kù)倫80000003220235

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/(kN·m-2)泊松比ν重量密度/(kN·m-3)厚度或直徑/m地連墻梁?jiǎn)卧獜椥?10000000225厚1砼橫撐梁?jiǎn)卧獜椥?10000000225地鐵隧道襯砌梁?jiǎn)卧獜椥?10000000225厚03鋼管橫撐梁?jiǎn)卧獜椥?000000000258格構(gòu)立柱梁?jiǎn)卧獜椥?000000000258

通過計(jì)算得出在嵌固深度為4 m時(shí)地鐵襯砌位移，只列出基坑開挖完之后的位移，見圖10。

a) 水平位移 b) 豎向位移

從圖10中可以看出，地鐵襯砌向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生水平位移，水平位移最大值發(fā)生在襯砌左側(cè)，最大值為21.2 mm；而豎向圍巖表現(xiàn)為隆起，最大隆起值發(fā)生在襯砌底部，最大值為32.2 mm。另外通過計(jì)算同樣得出其它嵌固深度下地鐵襯砌最大位移值，并匯總成表3。

表3 地鐵隧道襯砌最大位移嵌固深度/m水平位移最大值(位移傾向基坑內(nèi)側(cè))/mm豎向位移最大值(位移表現(xiàn)為隆起)/mm421232251862646153206711716388213595195103253 注：此表列出的位移均為基坑開挖完之后的最終位移。

表3顯示，隨著地連墻嵌固深度的增加，地鐵隧道襯砌水平位移及豎向隆起量均在減小，說明地連墻嵌固深度越大，基坑開挖對(duì)地鐵隧道襯砌的影響就越小。當(dāng)?shù)剡B墻嵌固深度為7 m時(shí)，水平位移最大值為11.7 mm，豎向位移最大值為16.3 mm，均小于20 mm，表明在7 m的嵌固深度下基坑開挖不會(huì)影響地鐵隧道的正常運(yùn)營(yíng)安全，由此得出本項(xiàng)目地連墻嵌固深度為7 m較為合適。

3 結(jié)論

基坑工程位于地鐵隧道之側(cè)，基坑開挖會(huì)對(duì)既有緊鄰地鐵隧道造成影響，本文的結(jié)論有：

1) 基坑開挖卸荷導(dǎo)致地鐵隧道襯砌產(chǎn)生位移，水平位移朝向基坑內(nèi)側(cè)，而豎向位移主要表現(xiàn)為隆起，且隧道基坑不斷向下開挖，地鐵隧道襯砌位移在增大。

2) 當(dāng)?shù)罔F隧道離基坑越近，豎向隆起量及水平位移就越大。當(dāng)?shù)罔F隧道埋深越深時(shí)，地鐵隧道隆起量及水平位移越小，當(dāng)?shù)罔F隧道襯砌位于基坑底部之下時(shí)，基坑開挖對(duì)地鐵隧道襯砌的影響較小。總體上，地鐵隧道襯砌豎向隆起量要大于水平位移。

3) 以楓亭隧道為工程實(shí)例，采用地連墻+4道橫撐+2到豎向支撐的方式對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，并采用盆式開挖方法、增加地連墻的嵌固深度等方式來控制地鐵隧道襯砌的變形，并以“鐵隧道結(jié)構(gòu)的絕對(duì)沉降量及水平位移量要≤20 mm”為控制標(biāo)準(zhǔn)，最終得出地連墻嵌固深度為7 m較為合適。

本文的建議有：在地鐵隧道之側(cè)布置基坑，為了減小基坑開挖對(duì)地鐵隧道襯砌的影響，應(yīng)盡量使基坑遠(yuǎn)離地鐵隧道且盡量減小基坑的深度；在基坑采用盆式開挖的過程中，如果發(fā)現(xiàn)地鐵隧道襯砌變形異常，這時(shí)可以對(duì)基坑擋墻四周所留土堤進(jìn)行加固。

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