申 奇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

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明挖基坑上跨既有地鐵區(qū)間對既有結(jié)構(gòu)的影響分析

申 奇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

文章利用有限元軟件MIDAS GTS NX建立三維有限元模型，分析了新建明挖結(jié)構(gòu)上跨既有地鐵區(qū)間施工過程中對既有隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。通過分析注漿加固土體和分條幅開挖、僅注漿加固土體、僅分條幅開挖和不注漿加固、不分條幅開挖四種條件下隧道結(jié)構(gòu)的拱頂、拱底的豎向變形，總結(jié)出注漿加固土體和分條開挖對既有結(jié)構(gòu)變形的影響。最后，根據(jù)模擬計算結(jié)果給出了類似施工情況的建議性措施。

明挖； 上跨既有地鐵區(qū)間； 注漿加固； 分條幅開挖

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，各類地下交通設(shè)施迅速擴張，城市地下空間被迅速開發(fā)，可利用的地下空間越來越少使得新建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)有時不得不共用一處地下空間，在新建結(jié)構(gòu)施工時勢必會對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時甚至?xí)茐募扔薪Y(jié)構(gòu)，影響既有結(jié)構(gòu)的正常使用。本文通過分析新建明挖基坑上跨既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間時新建結(jié)構(gòu)施工對地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響，揭示新建明挖結(jié)構(gòu)上跨既有盾構(gòu)區(qū)間時既有結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律并結(jié)合分析結(jié)果給出相應(yīng)的設(shè)計、施工建議。

1 工程概況

新建快速干道，為雙向6車道的公路隧道，結(jié)構(gòu)沿現(xiàn)狀道路南北向鋪設(shè)于道路下方，明挖結(jié)構(gòu)形式為單層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)截面尺寸為20.5 m×6.73 m，覆土厚度約0.575 m，基坑深約7.5 m。

既有地鐵區(qū)間為單洞單線圓形斷面，采用盾構(gòu)法施作，盾構(gòu)外徑為6 m，內(nèi)徑為4.8 m，管片厚度為0.6 m。區(qū)間頂板覆土厚為9.7～10.2 m，線間距為13 m 。既有結(jié)構(gòu)外皮與新建結(jié)構(gòu)豎向凈距2.39～2.44 m，新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系

圖2 結(jié)構(gòu)剖面位置關(guān)系

為減少對既有結(jié)構(gòu)的影響，新建結(jié)構(gòu)施工前對既有隧道基坑周邊4.6 m范圍內(nèi)土體采用進(jìn)行地基進(jìn)行注漿加固。開挖時先開挖隧道兩側(cè)的土體，然后開挖隧道正上方的土體，隧道正上方土體沿新建基坑方向分成左、右兩部分進(jìn)行開挖，該部分上層土體采用一次性開挖完成，下層靠近既有隧道的土體采用分條開挖(圖3)。

圖3 隧道正上方土體開挖順序

2 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場巖土勘察報告和土層加固設(shè)計，各土層物理參數(shù)如表1所示,既有、新建結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2所示。

3 計算模型

計算利用Midas GTS NX建立三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用。隧道圍巖本構(gòu)模型采用的摩爾庫倫，以考慮圍巖的非線性變形。盾構(gòu)管片、混凝土角撐等采用各向同性的板單元模擬，基坑圍護(hù)樁、混凝土支撐等采用各向同性的梁單元模擬，土體及加固體采用各向同性的彈塑性實體單元模擬。模型邊界除頂面為自由邊界外，其他面均采取法向約束。計算模型的尺寸為80 m×45 m×30 m，共計99 824個單元。有限元整體模型見圖4。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖4 有限元整體模型

結(jié)合實際設(shè)計、施工，本次模擬共分析了12種工況。

工況1：打設(shè)圍護(hù)樁，對區(qū)間周邊土體進(jìn)行加固。

工況2：開挖區(qū)間兩側(cè)土體的上半部分并施做臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。

工況3：開挖區(qū)間兩側(cè)土體的下半部分并施做臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。

工況4：開挖區(qū)間正上方第一層土的第一部分并施做臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。

工況5：開挖區(qū)間正上方第一層土的第二部分并施做臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。

工況6：開挖區(qū)間正上方第二層土的第一部分。

工況7：開挖區(qū)間正上方第二層土的第二部分。

工況8：分條對稱開挖區(qū)間正上方第三層土第一部分。

工況9：分條對稱開挖區(qū)間正上方第三層土第二部分。

工況10：施做區(qū)間正上方的底板結(jié)構(gòu)。

工況11：施做區(qū)間兩側(cè)的頂板結(jié)構(gòu)。

工況12：回填結(jié)構(gòu)頂部覆土。

其中工況1、工況7、工況9、工況11、工況12為關(guān)鍵性的施工工況。

4 結(jié)果分析

通過模擬整個施工過程的不同工況，最終計算結(jié)果表明新建結(jié)果施工過程中既有結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)較強的規(guī)律性，既有結(jié)構(gòu)豎向和橫向都出現(xiàn)變形。

根據(jù)計算結(jié)果，整個開挖過程中既有結(jié)構(gòu)的豎向變形較為明顯而，結(jié)構(gòu)橫向變形較小。整個模擬計算過程中，既有結(jié)構(gòu)的最大橫向變形僅為0.18 mm，因此本文主要分析新建結(jié)構(gòu)施工過程中既有結(jié)構(gòu)的豎向變形。提取分析過程中幾個關(guān)鍵施工步驟的豎向變形(圖5～圖9)。

圖5 工況1既有結(jié)構(gòu)豎向變形

圖6 工況7既有結(jié)構(gòu)豎向變形

圖7 工況9既有結(jié)構(gòu)豎向變形

圖8 工況11既有結(jié)構(gòu)豎向變形

圖9 工況12既有結(jié)構(gòu)豎向變形

根據(jù)模擬計算分析，工況1由于圍護(hù)樁的打設(shè)及注漿加固增加了隧道上方的土體重量，既有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的沉降變形，最大沉降變形為0.81 mm，最大沉降發(fā)生在土體加固的區(qū)域打樁圍護(hù)樁的位置。隨著開挖的進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)開始向上隆起，當(dāng)兩側(cè)土體開挖完成后既有區(qū)間的最大隆起值為0.75 mm，最大的隆起值發(fā)生在既有隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)。當(dāng)開挖隧道正上方土體時，隧道結(jié)構(gòu)繼續(xù)向上隆起且隆起量迅速增加。當(dāng)既有結(jié)構(gòu)上方土方開挖完成后，最大隆起位置轉(zhuǎn)移到隧道既有區(qū)間拱頂，為3.51 mm，這也是整個施工過程中結(jié)構(gòu)的最大變形。土方開挖完成后進(jìn)行新建結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)施工，由于新建結(jié)構(gòu)的自重影響使得隧道隆起量隨著新建結(jié)構(gòu)的施工逐漸減小，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)施做完成時，既有隧道的最大隆起量下降到2.2 mm，最大變形位置依然位于拱頂。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)施做完成后回填頂部覆土?xí)r隧道的最大隆起量繼續(xù)減小，最終既有結(jié)構(gòu)隆起量為1.89 mm。

因此，整個施工過程中既有結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)先沉降后隆起再隆起減小的變化規(guī)律，發(fā)生最大變形的位置隨打樁、開挖土方位置而變化，開挖正上方土體對既有結(jié)構(gòu)豎向變形影響最明顯，當(dāng)正上方土體開挖完成后既有區(qū)間隧道變形最大。為了進(jìn)一步分析整個施工過程中既有結(jié)構(gòu)的豎向變形規(guī)律，分別提取左、右線隧道拱頂和拱頂在不同工況下的變形值(圖 10、圖11)。

圖10 左線隧道豎向變形

圖11 右線隧道豎向變形

通過對比圖 10、圖11，整個施工過程中既有結(jié)構(gòu)拱頂和拱底均出現(xiàn)不同程度的變形。拱頂變形和拱底變形規(guī)律基本相同，都呈現(xiàn)出先沉降后隆起，再隆起減小的變化特點。

隧道的拱頂由于更接近基坑底部所以對開挖的擾動更為敏感，拱底由于遠(yuǎn)離基坑開挖面并且由于隧道結(jié)果整體自身剛度，基坑開挖引起的結(jié)構(gòu)豎向變形較小。

新建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)的豎向距離較小，為了避免施工過程中既有結(jié)果出現(xiàn)過大的豎向變形，施工前對既有結(jié)構(gòu)周邊土體進(jìn)行了注漿加固，并在開挖隧道正上方最下面一層土的時候采用對稱分條幅的方式進(jìn)行開挖。進(jìn)一步分析這兩項措施對于控制既有結(jié)果豎向變形的作用，文章共分析了對土體注漿加固和分條開挖、僅進(jìn)行注漿加固、僅進(jìn)行分條幅開挖、不注漿不分條幅開挖四種條件下隧道結(jié)構(gòu)拱頂和拱底的豎向變形，計算結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖12 左線拱頂變形分析

圖13 左線拱底變形分析

圖14 右線拱頂變形分析

圖15 右線拱底變形分析

圖12～圖15可以看出，各種條件下左、右線拱頂?shù)淖冃我?guī)律相同，注漿加固和分條開挖均有利于減小結(jié)構(gòu)的變形，但由于采取的措施不同拱頂?shù)淖冃蔚闹党霈F(xiàn)了較為明顯的差異。

當(dāng)僅對既有隧道周邊土體進(jìn)行注漿加固時，左、右線拱頂最大豎向變形分別減小 7.44 mm和6.49 mm，最終豎向變形分別減小 4.77 mm和 4.7 mm；左、右線拱底最大豎向變形分別減小6.21 mm和6.33 mm，最終豎向變形分別減小 4.62 mm和4.7 mm。因此，對土體進(jìn)行注漿加固能有效的控制既有結(jié)構(gòu)左、右線拱頂(底)的豎向變形。

當(dāng)僅分條幅開挖時，左、右線拱頂最大豎向變形分別減小 3.42 mm和2.33 mm，最終豎向變形分別減小3.11 mm和3.05 mm；左、右線拱底最大豎向變形分別減小2.52 mm和 2.48 mm，最終豎向變形分別減小3.16 mm和 3.1 mm。因此，土體進(jìn)行分條幅開挖能在一定程度上減小既有結(jié)構(gòu)左、右線拱頂(底)的豎向變形。

當(dāng)兩種措施同時采用時，二者的作用效果出現(xiàn)疊加，既有結(jié)構(gòu)的最大豎向控制在4 mm以內(nèi)。

綜上所述，注漿加固和分條幅開挖均有利于減小既有結(jié)構(gòu)的變形。其中，注漿加固能明顯減小既有隧道結(jié)構(gòu)的變形，注漿加固在整個施工過程中均能有效控制既有結(jié)構(gòu)變形。分條幅開挖僅能減小分條幅開挖工況下既有結(jié)構(gòu)的變形。

5 結(jié)論與建議

(1)新建上跨結(jié)構(gòu)施工會引起既有結(jié)構(gòu)豎向變形，新建結(jié)構(gòu)施工主要影響結(jié)構(gòu)的豎向變形，對橫向變形的影響較小。既有結(jié)構(gòu)各部分變形均呈現(xiàn)出先沉降后隆起再隆起減小的特點，拱頂變形值大于拱底變形值。

(2)當(dāng)上跨結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)給既有結(jié)構(gòu)上部保留足夠的頂部覆土，當(dāng)客觀條件限制使得既有結(jié)構(gòu)頂部覆土較淺時，應(yīng)考慮其他輔助措施減小既有結(jié)構(gòu)變形，如對既有隧道周邊土體進(jìn)行注漿加固和分層、分塊、分條幅進(jìn)行土體開挖。

(3)注漿加固能在整個施工過程中能有效控制既有結(jié)構(gòu)的變形，但注漿過程中需要嚴(yán)格控制注漿壓力，以免由于過大的注漿壓力損壞既有結(jié)構(gòu)。

(4)基坑土方開挖應(yīng)遵循“分層、分塊、分條幅、平衡、對稱、限時”的開挖原則，嚴(yán)禁超挖，并及時架設(shè)支撐，盡量減小基底暴露時間。

(5)施工過程中拱頂變形比其它部位大，因此施工過程中需要加強對拱頂?shù)淖冃伪O(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工方案。

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申奇(1989～)，男，碩士，助理工程師，從事隧道及地下工程工作。

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[定稿日期]2017-03-03