胡瑞青,戴志仁,李儲軍,王天明

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043； 3.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043)

1 概述

近年來，隨著城市軌道交通和城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，地鐵建設(shè)掀起了大規(guī)模的建設(shè)高潮[1-3]，而地鐵沿線高密度、高強(qiáng)度的地產(chǎn)及物業(yè)開發(fā)，不可避免地產(chǎn)生大量近鄰既有地鐵結(jié)構(gòu)的深基坑工程等外部作業(yè)形式[4-5]，由于基坑大范圍的開挖卸荷，必然造成坑周土體原有位移場和應(yīng)力場的改變[6]，且考慮到工程地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，基坑施工期間極易引起地鐵結(jié)構(gòu)自身的開裂破損及滲漏水等病害現(xiàn)象[7-9]，因此，分析研究基坑開挖全過程對側(cè)方近鄰地鐵結(jié)構(gòu)變形特征和受力變化情況就顯得尤為重要[4]。

針對基坑開挖卸荷對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響，國內(nèi)外大量學(xué)者進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了豐富的研究成果。胡海英等[10]通過位移實(shí)測手段，指出基坑開挖對鄰近隧道的影響應(yīng)結(jié)合具體力學(xué)傳遞路徑來確定是卸荷還是增荷；趙瑜[11]基于數(shù)值正交試驗(yàn)方法，研究了基坑開挖深度、基坑與隧道距離等因素對地鐵隧道變形敏感性的影響程度及規(guī)律；杜林[12]運(yùn)用數(shù)值分析和實(shí)測手段，研究了基坑爆破開挖對隧道的影響。趙志強(qiáng)等[13]利用縱、橫向等效剛度原則建立三維等效連續(xù)化模型，研究了基坑開挖期間隧道縱向變形規(guī)律，并利用解析法建立了縱向彎矩與管片接頭環(huán)縫張開量之間的關(guān)系。

目前基坑常采用錨索和地下連續(xù)墻、錨拉式排樁、內(nèi)支撐式排樁及放坡網(wǎng)噴等支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，而關(guān)于斜撐和基底支擋樁支護(hù)方式的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，且既有研究的分析對象多集中于單一均質(zhì)的既有隧道，而對基坑開挖卸荷對側(cè)方地鐵交叉隧道及隧道與車站結(jié)合部等的變形特征和受力變化情況研究尚少。因此，本文基于有限元法，分析研究了砂卵石地層基坑開挖對側(cè)方既有地鐵隧道和車站的影響，重點(diǎn)分析了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的變形特征及受力變化情況，為后續(xù)類似基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供寶貴的參考和借鑒[14]。

2 工程概況

2.1 基坑工程概況

基坑場地位于成都一環(huán)路南四段外側(cè)，北側(cè)緊鄰既有的地鐵3號線、5號線，基坑開挖深度15.0 m，屬深基坑?；颖眰?cè)開挖邊線距地鐵3號線、5號線結(jié)構(gòu)外邊線之間的水平投影凈距分別為13.0 m和5.7 m(5號線隧道拱頂在基坑開挖深度以下)，緊鄰北側(cè)地鐵區(qū)域無高層建筑，地表超載影響較小。

緊鄰基坑工程的地鐵3號線采用盾構(gòu)法施工，影響段隧道覆土厚度約10.3 m，地鐵5號線采用類圓形斷面礦山法隧道近距下穿地鐵3號線，覆土厚度約20.3 m。擬建基坑與鄰近地鐵平面相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與鄰近地鐵平面相對位置關(guān)系

2.2 基坑設(shè)計(jì)概況

根據(jù)不同的地質(zhì)情況及周邊環(huán)境條件，基坑分為8個(gè)支護(hù)段，采用放坡網(wǎng)噴支護(hù)，錨拉樁、內(nèi)支撐樁及雙排樁支護(hù)等支護(hù)方式，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置

(1)AB段采用放坡網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，坡度1∶1，在中間4.0 m深度處設(shè)置2.5 m寬平臺，噴射混凝土C20，厚10 cm，鋼筋網(wǎng)φ8@250 mm×250 mm，并設(shè)置0.5 m長的鋼筋錨釘@1 500 mm×1 500 mm與鋼筋網(wǎng)連接。

(2)BB′段為地鐵5號線附屬用房施工范圍，支護(hù)樁嵌固深度4.5 m，樁徑1.2 m，樁間距2.2 m。

(3)B′C段采用錨拉式排樁支護(hù)，支護(hù)樁嵌固深度5.5 m，樁徑1.2 m，樁間距2.6 m，樁上打設(shè)3排錨索，錨索傾角15°，錨索長度13.0、12.5、12.5 m，錨索末端距地鐵軌道中心線間距大于15 m，滿足外部作業(yè)錨索與地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線凈距控制管理值要求。

(4)CD段采用排樁加斜支撐支護(hù)，支護(hù)樁嵌固深度6.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁上-8 m處設(shè)1排φ609 mm×16 mm鋼管內(nèi)支撐，鋼管支撐軸向施加預(yù)應(yīng)力140 kN，斜支撐水平間距5.4 m，基底支擋樁4根，斜撐架設(shè)采用開槽留土臺方式架設(shè)支撐，施工步序如圖3所示。

(5)DE段采用排樁加內(nèi)支撐支護(hù)，支護(hù)樁嵌固深度7.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁頂冠梁設(shè)置1排φ609 mm×16 mm鋼管內(nèi)支撐，鋼管支撐施加軸向預(yù)應(yīng)力282 kN，內(nèi)支撐水平間距4.0 m，轉(zhuǎn)角處設(shè)置300 mm厚拉梁板。

(6)EF段采用錨拉樁支護(hù)，支護(hù)樁嵌固深度5.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁上設(shè)3排錨索，錨索長度17.0、15.0、14.0 m，錨索傾角15°。

(7)FG段采用雙排樁加錨索支護(hù)，錨索傾角15°，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，前后排距2.5 m。

(8)GH段采用錨拉樁支護(hù)，支護(hù)樁嵌固深度5.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁上設(shè)3排錨索，錨索長度17.0、15.0、14.0 m，錨索傾角15°。

圖3 斜撐架設(shè)步序

3 安全控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 建筑基坑安全控制指標(biāo)

明挖法基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測項(xiàng)目控制值應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、基坑設(shè)計(jì)參數(shù)、工程監(jiān)測等級及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)等確定，考慮到成都砂卵石地層基坑工程經(jīng)驗(yàn)相對欠缺，結(jié)合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》和《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，制定了成都砂卵石地層基坑錨拉式(或支撐式)排樁的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 明挖法基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

注：H為基坑設(shè)計(jì)深度。

3.2 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)的制定和風(fēng)險(xiǎn)管控措施的有效執(zhí)行是確保地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)可控與周邊環(huán)境安全的關(guān)鍵，結(jié)合《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及《北京市軌道交通工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系》等相關(guān)規(guī)范要求，從嚴(yán)制定了成都砂卵石地層既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全控制指標(biāo)值，如表2所示。

表2 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

4 基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)影響數(shù)值分析

4.1 模型建立

運(yùn)用巖土與隧道三維有限元分析軟件MIDAS GTS，結(jié)合基坑規(guī)模(平面尺寸和挖深)且考慮計(jì)算模型邊界效應(yīng)的影響，模型基本尺寸為125 m×80 m×40 m(x×y×z)，由圣維南原理知，模型邊界滿足與地鐵隧道凈距大于3倍洞徑要求。車站梁柱、基坑排樁、冠梁、斜撐及斜撐支擋樁均采用1D梁單元模擬，隧道襯砌、車站與附屬結(jié)構(gòu)板墻以及基坑側(cè)壁噴混凝土、坑底墊層均采用2D板單元模擬，土體采用3D實(shí)體單元模擬，錨索采用植入式桁架模擬，模型四周及底面采用固定邊界條件，頂面采用自由變形邊界條件，整體有限元模型和基坑與側(cè)方地鐵結(jié)構(gòu)的空間相對位置關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 整體有限元計(jì)算模型

圖5 基坑與側(cè)方地鐵結(jié)構(gòu)空間相對位置關(guān)系

4.2 計(jì)算參數(shù)

隧道襯砌、車站梁板柱及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)模型，土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，土層和結(jié)構(gòu)基本物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 土層和結(jié)構(gòu)基本物理力學(xué)參數(shù)

注：考慮到螺栓接頭對管片整體剛度的折減，圓環(huán)抗彎剛度有效率取0.7[15]。

4.3 施工步序模擬

地鐵結(jié)構(gòu)施工及基坑開挖對周邊環(huán)境的影響可采用應(yīng)力釋放的方法來模擬[16]，每個(gè)開挖步采用有限元程序提供的“激活”與“鈍化”功能進(jìn)行處理，模擬過程主要分為兩個(gè)計(jì)算步，第一步，殺死開挖的土體單元，并對開挖輪廓線上的地層進(jìn)行應(yīng)力釋放；第二步，完成剩余應(yīng)力的釋放，并施作地鐵支護(hù)結(jié)構(gòu)或基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。施工模擬主要流程為：計(jì)算初始地應(yīng)力場→隧道開挖及襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)施作→車站主體及附屬結(jié)構(gòu)開挖及襯砌結(jié)構(gòu)施作→基坑土體開挖(自上至下分層分塊對稱開挖，每層開挖深度分別為4.5、3.0、3.0、4.5 m)→基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施作。

4.4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力分析

4.4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

基坑開挖至坑底時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)總位移云圖如圖6所示，由圖6可知，內(nèi)支撐樁支護(hù)段較錨拉樁支護(hù)段變形偏大，且內(nèi)支撐樁支護(hù)段沿基坑深度方向的變形呈“駝峰狀”，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系變形極值發(fā)生在基底斜撐支擋樁樁頂，變形極值為10.64 mm，故基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形量滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)值。

圖6 基坑開挖至坑底圍護(hù)結(jié)構(gòu)總位移云圖

4.4.2 錨索及斜支撐內(nèi)力分析

基坑開挖至坑底時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索及斜支撐的軸力極值如表4所示。由表4可知，錨索拉力極值為242.4 kN，小于錨索承載能力，由于基坑B′C段側(cè)土體位移場受地鐵隧道的阻隔，作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向土壓力相對較小，故B′C段錨索拉力值略小于EF段；斜支撐軸力亦小于鋼管內(nèi)支撐設(shè)計(jì)值，且滿足穩(wěn)定性要求。

表4 錨索及斜支撐軸力極值

4.5 既有地鐵結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力分析

為分析研究基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道的變形特征及受力變化，且考慮到擬建基坑形狀不規(guī)則，與側(cè)方立體交叉隧道走向不平行，故選取近基坑側(cè)隧道控制斷面進(jìn)行分析研究，監(jiān)測斷面間隔1倍洞徑等間距布置于隧道結(jié)構(gòu)上，隧道監(jiān)測斷面布置示意如圖7所示。

圖7 隧道監(jiān)測斷面位置示意

4.5.1 隧道結(jié)構(gòu)變形

由于基坑開挖卸荷，坑底土體發(fā)生隆起變形，基坑側(cè)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平側(cè)移，引起坑周土體產(chǎn)生偏向基坑側(cè)的位移，進(jìn)而導(dǎo)致隧道的上抬變形及水平側(cè)移，基坑開挖側(cè)方地鐵隧道整體變形如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，地鐵隧道的整體變形趨勢表現(xiàn)為偏向基坑側(cè)，隧道的變形分布形態(tài)均呈“鴨蛋”狀，隧道總位移最值均發(fā)生在距基坑凈距最小的隧道監(jiān)測斷面，由于上跨盾構(gòu)隧道較下臥礦山法隧道卸載比較小且距基坑水平凈距較大，因此盾構(gòu)隧道較礦山法隧道變形偏小，其中，盾構(gòu)隧道和礦山法隧道變形最值分別位于隧道近基坑側(cè)拱腰和拱肩附近。

圖8 地鐵3號線監(jiān)測截面位移(單位：mm)

圖9 地鐵5號線監(jiān)測截面總位移(單位：mm)

基坑開挖側(cè)方鄰近地鐵隧道總位移極值如表5所示。由表5可知，盾構(gòu)隧道和礦山法隧道的總位移極值分別為0.72 mm和1.70 mm，遠(yuǎn)小于區(qū)間隧道位移安全控制指標(biāo)值4 mm，即地鐵隧道的絕對變形和不均勻變形均滿足地鐵的正常運(yùn)營要求。

表5 基坑開挖側(cè)方地鐵隧道監(jiān)測斷面總位移極值

4.5.2 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力

選取近基坑側(cè)地鐵隧道最大變形截面進(jìn)行內(nèi)力分析研究，基坑開挖前后盾構(gòu)隧道和礦山法隧道內(nèi)力分布如圖10、圖11所示，其中，軸力以壓力為正，彎矩以隧道襯砌內(nèi)側(cè)受拉為正[17]。

圖10 基坑開挖前后盾構(gòu)隧道內(nèi)力分布

圖11 基坑開挖前后礦山法隧道內(nèi)力分布

由圖10、圖11可知，地鐵隧道內(nèi)力分布形態(tài)基本一致，軸力和彎矩分別呈“橢圓狀”和“花生狀”分布，基坑開挖至坑底工況較基坑未開挖工況隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力值較大，軸力和彎矩最值分別出現(xiàn)在隧道拱腰和拱頂(或拱底)附近，且隧道內(nèi)力最值均位于近基坑側(cè)，隧道受力呈現(xiàn)出一定的偏壓狀態(tài)，同時(shí)，基坑開挖卸荷引起側(cè)方隧道內(nèi)力分布形態(tài)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)(偏向基坑側(cè))，易造成隧道襯砌自身開裂破損和滲漏水等病害現(xiàn)象，從而影響地鐵的結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營。

基坑開挖卸荷前后地鐵隧道內(nèi)力最值如表6所示。由表6可知，基坑開挖卸荷地鐵隧道的附加內(nèi)力增大幅度均在15%以內(nèi)，由于下臥礦山法隧道變形量較大，故礦山法隧道內(nèi)力增大幅度較盾構(gòu)隧道偏大?；娱_挖卸荷均使側(cè)方地鐵隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力，經(jīng)驗(yàn)算襯砌結(jié)構(gòu)均滿足正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)，即滿足地鐵的結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營要求。

表6 基坑開挖前后地鐵隧道內(nèi)力最值

4.5.3 車站及附屬結(jié)構(gòu)變形

基坑開挖卸荷過程中，相較遠(yuǎn)離車站端頭的側(cè)方地鐵隧道，因其襯砌結(jié)構(gòu)相對均勻，使得地鐵隧道整體變形基本一致，隧道走向差異變形較小，對隧道結(jié)構(gòu)危害較小，而地鐵隧道與車站、車站與附屬風(fēng)亭等的結(jié)合部上，二者結(jié)構(gòu)剛度相差較大，大范圍開挖卸荷使地鐵隧道與車站差異變形較大，使結(jié)合部極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，是基坑開挖期間側(cè)方鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

基坑開挖至坑底側(cè)方地鐵隧道與車站結(jié)合部及車站結(jié)構(gòu)總位移云圖如圖12所示。

圖12 地鐵隧道與車站結(jié)合部及車站結(jié)構(gòu)變形云圖

由圖12可知，近基坑側(cè)車站端頭及附屬風(fēng)亭發(fā)生上浮現(xiàn)象，遠(yuǎn)離基坑側(cè)車站結(jié)構(gòu)發(fā)生下沉且變形較小，使車站發(fā)生一定程度的傾斜，在地鐵運(yùn)營期間該沉降差在列車振動(dòng)荷載的交替循環(huán)作用下，極易使地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的附加變形和附加內(nèi)力，對地鐵的正常運(yùn)營帶來安全隱患，因此，基坑大范圍開挖卸荷過程中側(cè)方鄰近車站應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

基坑開挖至坑底地鐵隧道與車站結(jié)合部及車站結(jié)構(gòu)變形極值如表7所示。由表7可知，地鐵車站端頭及附屬風(fēng)亭的變形以豎向隆起變形為主，且變形最值均小于上浮安全控制標(biāo)準(zhǔn)值。

表7 地鐵車站及附屬風(fēng)亭變形極值 mm

5 結(jié)論與建議

本文基于有限元法分析研究了成都砂卵石地層基坑開挖對側(cè)方既有地鐵交叉隧道和車站的影響，主要結(jié)論如下。

(1)考慮到地鐵隧道周邊一定范圍內(nèi)屬建設(shè)控制保護(hù)區(qū)，錨索(桿)等支護(hù)形式往往無實(shí)施條件，而斜撐加基底支擋樁的支護(hù)體系具有形式簡單，受力明確的特點(diǎn)，可為后續(xù)類似基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考，以確保地下結(jié)構(gòu)施工及基坑周邊環(huán)境的安全。

(2)基坑大范圍開挖卸荷使側(cè)方地鐵交叉隧道內(nèi)力增加，附加內(nèi)力增大幅度均在15%以內(nèi)，且隧道內(nèi)力分布形態(tài)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)(偏向基坑側(cè))，呈現(xiàn)出偏壓狀態(tài)，易造成隧道襯砌開裂破損及滲漏水等病害現(xiàn)象，故實(shí)際工程中需加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，以免影響地鐵的結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營。

(3)地鐵隧道與車站、車站與附屬風(fēng)亭等結(jié)合部，因二者結(jié)構(gòu)剛度相差較大，基坑大范圍開挖卸荷使地鐵隧道與車站差異變形較大，易使結(jié)合部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，是基坑開挖期間側(cè)方鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

(4)在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮錨索的工作環(huán)境條件(地層松散及列車振動(dòng)荷載的影響)及斜撐后臂支撐點(diǎn)(基底支擋樁支點(diǎn))的變形效應(yīng)，建議對支撐點(diǎn)處地基進(jìn)行地層加固并預(yù)留一定量的土臺反壓。

(5)近地鐵側(cè)基坑肥槽建議采用素混凝土回填密實(shí)，確保地層與地下室之間水平荷載的有效傳遞，待肥槽回填完畢后方可拆除斜撐。