孟小偉

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,昆明　650200)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，擬建軌道交通工程不可避免與周邊既有建構(gòu)物發(fā)生相互影響關(guān)系，軌道交通深基坑工程騎跨、緊鄰、下穿既有隧道結(jié)構(gòu)的情況越來(lái)越多，而騎跨于正在運(yùn)營(yíng)公路隧道的基坑工程，由于基坑的開(kāi)挖卸載會(huì)引起坑內(nèi)巖土體的回彈，進(jìn)而導(dǎo)致隧道的上抬變形[1-2]，如何準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)隧道襯砌變形、并制定及時(shí)有效的治理隧道上抬變形方案成為巖土工程近些年來(lái)亟需解決的問(wèn)題[3-4]。

近些年來(lái)，大量學(xué)者專(zhuān)家從定性及定量角度研究了基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有隧道安全性的影響，文獻(xiàn)[5]提出小變形情況下隧道與土層位移一致理論；文獻(xiàn)[6]得出坑內(nèi)加固及基坑時(shí)空效應(yīng)控制基坑下隧道隆起變形結(jié)論；文獻(xiàn)[7]利用Null空間模型研究巖質(zhì)基坑開(kāi)挖對(duì)隧道襯砌變形的規(guī)律；張麗娟等[8]對(duì)比研究抗拔樁、坑底加固及開(kāi)挖方式對(duì)降低隧道隆起變形的影響。

本文依托昆明地鐵3號(hào)線西山公園站深基坑施工對(duì)下方既有公路隧道的工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通過(guò)二維有限元分析，研究深基坑工程下的運(yùn)營(yíng)公路隧道的變形和控制方法，為以后同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)、施工提供了十分寶貴的資料，有很大的理論與實(shí)踐意義。

1　工程概況

西山公園站是昆明地鐵3號(hào)線西延線的起點(diǎn)站，車(chē)站為地下兩層島式站臺(tái)車(chē)站，車(chē)站北臨昆瑞公路，南靠裸露的西山高邊坡(邊坡坡高為20～30 m，近直立)，上跨昆楚高速公路碧雞關(guān)隧道，隧道頂板距車(chē)站底板距離分別為9.48 m和8.84 m。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1　車(chē)站總平面示意

圖2　地鐵車(chē)站基坑與碧雞關(guān)隧道剖面關(guān)系(單位：m)

車(chē)站深基坑開(kāi)挖形狀接近長(zhǎng)方形，長(zhǎng)約252 m，寬約25 m，最大開(kāi)挖深度為18.5 m，根據(jù)周邊環(huán)境的復(fù)雜程度及地鐵的保護(hù)要求，結(jié)合工程地質(zhì)條件，在保證緊鄰高邊坡下深基坑安全前提下最大限度減少深基坑開(kāi)挖對(duì)下方公路隧道產(chǎn)生的影響，針對(duì)深基坑采取如下技術(shù)措施。

(1)在車(chē)站深基坑施工前對(duì)南側(cè)西山邊坡采用錨索框架梁進(jìn)行永久邊坡治理。

(2)車(chē)站深基坑南側(cè)采用抗滑樁支護(hù)，其余各邊采用土釘墻支護(hù)，邊坡坡率為1∶0.5。

(3)基坑開(kāi)挖前隧道周邊巖土體進(jìn)行注漿加固，以提高隧道上部及周邊巖土體的變形模量和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，增加其抵抗變形的能力，以減少隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形。注漿加固方案：①豎向-隧道范圍內(nèi)豎向加固至隧道頂3 m處，隧道兩側(cè)加固至隧道底下1 m處；②水平-注漿加固寬度為隧道兩側(cè)各取1.0倍洞徑范圍；③注漿采用地面袖閥管注漿。注漿采用單雙液結(jié)合，注漿孔間距1.5 m×1.5 m，水灰比(1∶0.8)～(1∶1)，水玻璃濃度為30～40 Be′，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)主要土層為：(1-2)人工填土，(16-1)全風(fēng)化玄武巖，(16-2)強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，(16-3)中風(fēng)化玄武巖。

2　數(shù)值模型及施工工況

采用Midas/GTS進(jìn)行二維數(shù)值分析，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中近鄰公路隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的變化情況，重點(diǎn)對(duì)比分析不加固及加固措施情況下隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)變形和受力的影響。

目前尚缺少地鐵隧道上跨高速公路隧道沉降控制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[9]，本文控制標(biāo)準(zhǔn)參照地鐵隧道保護(hù)條例[10]：累計(jì)變形控制值為20 mm，隧道變形曲線的曲率半徑必須大于15 000 m，相對(duì)彎曲不大于1/2 500；同時(shí)針對(duì)主要影響因素，并以此為基礎(chǔ)研究基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，假定如下[11-15]。

(1)同一土層是均質(zhì)連續(xù)、各項(xiàng)同性，巖土層采用莫爾-庫(kù)倫彈塑性模型，隧道初期支護(hù)和二次襯砌、邊坡支護(hù)及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

(2)既有隧道初期支護(hù)和二次襯砌均采用梁?jiǎn)卧?jì)算，土釘采用植入式桁架單元模擬。

(3)隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)和二次襯砌三階段應(yīng)力釋放率分別為20%、20%和60%；不考慮錨桿等的作用，將其作為對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)的補(bǔ)償。

2.1　計(jì)算參數(shù)(表1)

表1　地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

注：全風(fēng)化加固層參數(shù)取為原土層彈性模量的2.0倍，黏聚力的1.5倍；強(qiáng)風(fēng)化加固層參數(shù)取為原土層彈性模量的1.5倍，其余參數(shù)不變。

2.2　計(jì)算工況

施工模擬主要流程為：(1)計(jì)算場(chǎng)地初始地應(yīng)力場(chǎng)；(2)隧道開(kāi)挖(應(yīng)力釋放20%)；(3)施做初期支護(hù)(應(yīng)力釋放20%)；(4)施做二次襯砌(應(yīng)力釋放60%)；(5)自上至下分層分塊對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖基坑土體，基坑土體共分為6層，每層開(kāi)挖深度分別為2.15、2.15、2.86、3.04、3.04、2.46 m，每層分為8塊(左右兩層對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖)，每塊長(zhǎng)度不超過(guò)30 m。如圖3所示。

圖3　基坑分層分塊開(kāi)挖順序

2.3　計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

2.3.1計(jì)算模型

模型范圍取水平方向236.5 m，模型底部取至隧道底以下48 m。平面有限元計(jì)算整體網(wǎng)格見(jiàn)圖4。計(jì)算模型的邊界條件為：模型底部為Y方向約束，兩側(cè)為X方向約束。

圖4　模型網(wǎng)格

2.3.2未加固計(jì)算結(jié)果及分析(圖5～圖10)

圖5　基坑開(kāi)挖結(jié)束后豎向位移云圖

圖6　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)左線的軸力云圖

圖7　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)左線的彎矩云圖

圖8　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)右線的軸力云圖

圖9　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)右線的彎矩云圖

圖10　隧道位移變化示意

由計(jì)算結(jié)果可知。

(1)基坑開(kāi)挖卸載導(dǎo)致隧道襯砌受力狀態(tài)發(fā)生明顯變化。基坑開(kāi)挖前后，左線隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力降低82.8%，彎矩降低76.3%，右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力降低88.8%，彎矩降低86.0%。

(2)從隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分布看，右線隧道圍巖分布對(duì)稱(chēng)，其內(nèi)力和變形分布呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布；左線隧道左右側(cè)圍巖相差較大，故其內(nèi)力和變形分布極不均勻?qū)ΨQ(chēng)。

(3)基坑開(kāi)挖卸荷引起隧道結(jié)構(gòu)的變形以豎向隆起變形為主。左線隧道最大豎向位移為18.0 mm，右線隧道最大豎向位移為19.6 mm。右線隧道隆起變形值已接近隧道位移控制值。

2.3.3加固后計(jì)算結(jié)果

考慮地層加固下的計(jì)算模型、計(jì)算假定和基本計(jì)算參數(shù)同前，區(qū)別僅在于本工況考慮了隧道上方及周邊一定范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固。

圖11中紅線范圍即為模擬注漿加固范圍。注漿加固深度從全風(fēng)化層底開(kāi)始至強(qiáng)風(fēng)化層，在距離隧道頂部3 m處結(jié)束，若遇到中風(fēng)化層，則不需加固，另外，在隧道兩側(cè)注漿深入至中風(fēng)化玄武巖頂；注漿加固寬度為隧道兩側(cè)各取1.0倍洞徑范圍，即加固寬度48 m，深27 m。加固后計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12～圖17。

圖11　隧道注漿加固范圍

圖12　開(kāi)挖結(jié)束后豎向位移

圖13　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)左線的軸力云圖

圖14　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)左線的彎矩云圖

圖15　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)右線的軸力云圖

圖16　基坑開(kāi)挖前(左)后(右)右線的彎矩云圖

圖17　隧道位移變化

由計(jì)算結(jié)果可知。

(1)地層加固條件下，基坑開(kāi)挖前后，左線隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力降低76.6%，彎矩降低69.5%，右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力降低82.8%，彎矩降低78%。

(2)基坑開(kāi)挖卸荷引起隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形，在基坑開(kāi)挖結(jié)束后襯砌位移達(dá)到最大。左線隧道最大豎向位移為14.8 mm，右線隧道最大豎向位移為15.9 mm，其值均在隧道位移控制值之內(nèi)。

隧道加固前與加固后及監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析見(jiàn)圖18～圖20。

(1)地層加固后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)隆起變形量明顯減少。較未加固情況，加固條件后左、右線隧道襯砌的最大隆起變形量分別減少了3.2 mm和3.7 mm，降幅約為18%。

(2)地層加固后，隧道內(nèi)力襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力有所降低，但隨著開(kāi)挖加深后，隧道加固前后內(nèi)力變化趨于一致。較未加固情況，加固條件后左線隧道襯砌的軸力和彎矩分別降幅約為11.2%、8.7%。右線隧道襯砌的軸力和彎矩分別降幅約為15.3%、14.5%。

圖20　隧道彎矩變化曲線

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果變化趨勢(shì)一致，整體規(guī)律較為吻合，均滿(mǎn)足隧道變形控制要求。但數(shù)值模擬結(jié)果整體大于實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)值。

3　結(jié)論與建議

(1)不考慮地層加固工況，通過(guò)二維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算表明：在基坑開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形量已接近隧道結(jié)構(gòu)對(duì)變形控制的要求。

(2)計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：對(duì)隧道周邊巖土體進(jìn)行注漿加固結(jié)合基坑開(kāi)挖空間效應(yīng)等措施，相對(duì)未加固工況，位移降幅約為18%，軸力最大降幅約為15.3%，彎矩最大降幅為14.5%。

(3)由于地質(zhì)差異以及基坑開(kāi)挖卸荷過(guò)程導(dǎo)致的偏壓效應(yīng)，使得隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布不對(duì)稱(chēng)，基坑開(kāi)挖引起左線隧道的偏壓效應(yīng)較右線隧道明顯。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果略大于實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，但二者變化趨勢(shì)一致，主要因?yàn)閿?shù)值模擬過(guò)程中，尚未考慮巖體地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面、地下水等不利因素。

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