李結(jié)全,歐孝奪
(1.廣西瑞宇建筑科技有限公司,南寧 530003;2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004)
隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,地鐵作為現(xiàn)代交通工具在許多二線城市逐漸走進(jìn)人們的日常生活,地鐵隧道的安全成為工程人員關(guān)注的焦點(diǎn)?;娱_挖卸荷將引起坑外土體產(chǎn)生變形,由此將導(dǎo)致鄰近的地鐵隧道產(chǎn)生變形和附加應(yīng)力,進(jìn)而威脅地鐵線路的安全[1-3]。可以看出,緊鄰地鐵線路的基坑工程施工,不僅要保證基坑工程自身的安全,還需要控制由于基坑開挖卸荷引起的周圍地層的變形,降低開挖對(duì)鄰近隧道的影響。這說明緊鄰地鐵隧道的基坑工程的設(shè)計(jì)計(jì)算,需要從穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂圃O(shè)計(jì)[4]。
目前基坑開挖對(duì)鄰近隧道影響的研究主要在以下幾方面[5-10]: 胡琦等[11]分析了卸荷擾動(dòng)對(duì)土體工程特性的影響,結(jié)合有限元軟件分析了軟粘土地區(qū)基坑工程施工對(duì)于鄰近地鐵隧道的影響, 并提出了坑底及周圍土體的加固措施以減小基坑施工對(duì)鄰近隧道的影響。 左殿軍等[12]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件, 分析了深圳某基坑土體開挖卸荷對(duì)鄰近隧道的影響, 并在分析時(shí)考慮隧道襯砌與土體的相互作用。 姜兆華等[13]根據(jù)重慶臨江門巖質(zhì)深基坑開挖數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果, 認(rèn)為受連續(xù)介質(zhì)及隧道幾何形態(tài)的影響, 隧道會(huì)改變位移場(chǎng)傳遞的方向, 并且豎直方向改變大于水平方向, 主要表現(xiàn)為橫向變形, 隧道具有明顯的偏壓效應(yīng)。 可以看出, 在沿海軟粘土地區(qū)的基坑開挖對(duì)于鄰近地下隧道的影響研究方面較為充分, 其變形機(jī)理也得到了全面的理解[14-16]。 同時(shí), 相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)也得到了充分的積累,相關(guān)地鐵隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)也逐步完善,如上海地區(qū)規(guī)范要求地鐵兩側(cè)3 m范圍內(nèi)不能進(jìn)行任何工程活動(dòng),隧道結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量不能超過20 mm。對(duì)于軟粘土地區(qū)基坑,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般具有內(nèi)支撐,且地下水位較高,基坑降水、開挖引起的周圍土體變形較大。與這些地區(qū)相比,南寧地區(qū)的地鐵建設(shè)工作剛剛起步,且地質(zhì)、水文條件與軟粘土地區(qū)有較大差別,基坑圍護(hù)形式也不同于軟土地區(qū), 常采用樁錨或者土釘?shù)戎ёo(hù)形式。 由于南寧地區(qū)還沒有類似工程經(jīng)驗(yàn),基坑開挖引起鄰近隧道變形的機(jī)理尚不明確, 相關(guān)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)還未見出臺(tái)。 因此, 研究南寧地區(qū)基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響是保障南寧市地鐵建設(shè)安全的關(guān)鍵科學(xué)問題,對(duì)于推進(jìn)南寧城市建設(shè)和城市化進(jìn)程具有重要意義。
本文結(jié)合南寧華豐城深基坑工程項(xiàng)目,采用數(shù)值模擬的方法,研究了南寧地區(qū)基坑開挖對(duì)于地鐵區(qū)間隧道的影響,著重分析了鄰近隧道的變形與受力,這將對(duì)隧道基坑工程施工方案優(yōu)化、減小基坑施工工程量具有重要意義。
南寧華豐城項(xiàng)目位于泉南高速(G72)南寧市埌東收費(fèi)站北側(cè)。 設(shè)4層地下室, 地下室開挖形成了深3.1~26.4 m的基坑,基坑形狀不規(guī)則, 周長(zhǎng)976.10 m, 面積25 864.46 m2。 基坑邊界線與用地紅線間距為2.00~7.22 m。 根據(jù)周邊環(huán)境條件的不同, 本基坑共分為15個(gè)剖面進(jìn)行支護(hù), 采用樁錨、 懸臂樁、 復(fù)合土釘墻和土釘墻支護(hù)方案, 如圖1所示。
南寧軌道交通1號(hào)線埌東客運(yùn)站—百花嶺站區(qū)間,軌面埋深約為修建后高坡嶺路路面下14.5~26.2 m(圖2)。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工,斷面為圓形,管片外徑為6.0 m、內(nèi)徑為5.4 m,壁
厚0.3 m,采用C50混凝土。與軌道交通1號(hào)線結(jié)構(gòu)較近的基坑段為圖1中所示D—G段,其中E—F段基坑距離隧道最近,最小距離為2.23 m。圖2中3—3′剖面即為 E—F段中的典型剖面,支護(hù)形式為懸臂樁+10排土釘墻支護(hù)。支護(hù)樁采用直徑為0.8 m的旋挖樁,樁間距為1.1 m,樁長(zhǎng)為12.0 m,樁頂設(shè)1.0 m×0.7 m冠梁。土釘孔徑均為110 mm,桿體均采用25 mm的Ⅱ級(jí)鋼,傾角均為15°。由于該剖面標(biāo)高為93.75 m處有一既有在用的排水箱渠,故上面第1、2排加密布置,水平間距為1.3 m,豎向間距為1.3 m,土釘長(zhǎng)度為9.0 m;第3、4排水平間距為1.5 m,豎向間距為1.3 m,土釘長(zhǎng)度為6.0 m;第5~10排水平間距為1.5 m,豎向間距為1.3 m,土釘長(zhǎng)度為3.0 m。
3—3′剖面對(duì)應(yīng)巖土層主要為第四系素填土、第四系殘積、沖洪積形成的粉質(zhì)粘土,下伏基巖為古近系強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖,地質(zhì)剖面圖如圖3所示。根據(jù)勘測(cè)報(bào)告和試驗(yàn)結(jié)果,確定E-F段剖面具體模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
地下水主要是基巖裂隙水,對(duì)基坑和盾構(gòu)隧道的影響均較小, 所以在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)不考慮地下水的影響。
圖1 基坑與地鐵隧道平面關(guān)系圖Fig.1 Plane relationship between deep excavation and subway tunnel
圖2 E—F段剖面圖Fig.2 Profile of E-F section
圖3 E—F剖面地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Geological columns of E-F section
表1 各土層及結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)
本文運(yùn)用彈塑性有限元軟件Midas進(jìn)行建模。 E—F段3—3′剖面長(zhǎng)119.9 m, 基坑開挖寬度為98 m。 考慮邊界效應(yīng), 計(jì)算模型取長(zhǎng)326 m、 寬298 m、 自地表60 m厚的巖土體作為分析范圍。 巖土體用實(shí)體單元進(jìn)行模擬, 采用莫爾-庫侖模型。 邊界條件: 頂面為自由邊界, 側(cè)面為水平方向固定, 底面為水平和垂直方向都固定。 基坑頂?shù)缆飞宪囕v荷載取30 kPa。 模型如圖4a所示, 共有49 784個(gè)單元, 11 361個(gè)節(jié)點(diǎn)。 區(qū)間隧道均可直接通過析取單元功能來實(shí)現(xiàn),采用平面/板單元模擬(圖4b)。土釘采用植入式桁架單元模擬。為了方便建模,將直徑為0.8 m支護(hù)樁采用等剛度代換成強(qiáng)度為C30厚度為0.457 m的地下連續(xù)墻,采用平面/板單元進(jìn)行模擬。完成網(wǎng)格劃分后具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4c所示。根據(jù)具體基坑施工步驟,設(shè)置施工步如表2所示。
基坑開挖至坑底引起的隧道、基坑土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土釘?shù)淖冃稳鐖D5所示。由于基坑內(nèi)部土體開挖卸荷,整個(gè)底層回彈,造成基坑坑底中心隆起,最大值為53.31 mm,邊坡產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移,最大值為27.04 mm,支護(hù)樁水平位移最大值為11.20 mm,第1、2排土釘?shù)淖畲笞冃螢?9.9 mm。區(qū)間左線隧道的最大位移為11.21 mm,X方向的位移為7.96 mm,Z方向的位移為8.69 mm,X、Z方向的位移為主要位移;區(qū)間右線隧道的最大位移為5.74 mm。左、右隧道的水平位移、豎向位移值均小于規(guī)范要求的報(bào)警值10 mm,故基坑挖對(duì)隧道的影響符合規(guī)范要求;但由于左隧道總位移量為11.21 mm,略大于規(guī)范要求的報(bào)警值10 mm。為了保證軌道交通隧道安全, 應(yīng)對(duì)此區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu),并增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn), 在挖到坑底以及回填到101.0 m高程時(shí)加大監(jiān)測(cè)頻率。
圖4 有限元模型建立(3D)Fig.4 Finite element modeling
表2 施工步設(shè)置
基坑土體回填引起的隧道、基坑土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形如圖6所示。由于土體回填造成區(qū)間左線隧道的最大位移為10.18 mm,X方向的位移為-4.61 mm,Z方向的位移為-9.70 mm,X、Z方向的位移為主要位移;區(qū)間右線隧道的最大位移為3.37 mm?;涌拥字行陌l(fā)生沉降,沉降量為0.44 mm,邊坡向外位移為30.48 mm,支護(hù)樁水平位移最大值為15.68 mm。左、右隧道的水平位移、豎向位移值均小于規(guī)范要求的報(bào)警值10 mm,故土體回填對(duì)隧道的影響符合規(guī)范要求。
本基坑在施工過程中, 土體開挖卸荷、 回填加荷作用對(duì)鄰近軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的位移影響表現(xiàn)為: 開挖階段,軌道交通結(jié)構(gòu)的位移以豎向位移為主, 水平位移略小, 開挖到基坑底時(shí)達(dá)到最大值(豎向位移為上浮8.69 mm, 水平位移為向坑內(nèi)7.96 mm); 回填階段均改變方向位移, 回填完成后達(dá)到最大值(豎向位移為下沉9.70 mm, 水平位移為向坑外4.61 mm),以豎向位移為主。
通過數(shù)值模型計(jì)算, 可以得到隧道拱頂、 側(cè)墻、 仰拱的彎矩和軸力, 根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)[17]可以得到偏心受壓情況下隧道管片的產(chǎn)生的裂縫寬度。 左隧道的計(jì)算結(jié)果如表3所示。
圖5 基坑開挖到底變形圖(3D)Fig.5 Deformation of foundation pit excavation completion
圖6 基坑回填完成變形圖(3D)Fig.6 Deformation of foundation pit backfilling
計(jì)算結(jié)果表明,南寧華豐城深基坑工程施工引起區(qū)間左隧道結(jié)構(gòu)裂縫寬度均小于地鐵、隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求的0.2 mm,滿足規(guī)范要求。
同時(shí), 本文還建立了3—3′剖面的2D模型進(jìn)行對(duì)比分析, 土體開挖引起的隧道位移云圖如圖7所示。 2D模型計(jì)算得到的土體開挖引起的坑底中心隆起為44.31 mm。 左線隧道的最大位移為9.35 mm, 右線隧道最大位移為4.81 mm, 略小于3D模型計(jì)算得到的位移, 這主要是由于2D模型不能反映實(shí)際基坑工程的空間效應(yīng),同時(shí)2D模型計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了3D模型的合理性,但由于2D和3D模型計(jì)算結(jié)果均接近報(bào)警值,所以在施工過程中應(yīng)委托有資質(zhì)單位對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè),如位移超過報(bào)警值,應(yīng)立即采取有效措施,確保區(qū)間結(jié)構(gòu)安全。
圖7 基坑開挖到底變形圖(2D模型)Fig.7 Deformation of foundation pit excavation completion
本文基于南寧地區(qū)具體工程實(shí)例,運(yùn)用有限元軟件,建立了三維彈塑性基坑開挖對(duì)鄰近隧道影響的有限元模型,分析了基坑開挖及土體回填引起基坑周圍土體、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道的變形,得到以下結(jié)論:
(1)在基坑施工過程中,土體開挖卸荷、回填加荷作用對(duì)鄰近軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的位移產(chǎn)生顯著影響,具體表現(xiàn)為:開挖階段,隧道的位移以向上的豎向位移為主,向坑內(nèi)的水平位移略小,開挖到基坑底時(shí)達(dá)到最大值11.21 mm;回填階段改變位移方向,回填完成后達(dá)到最大值,以豎向位移為主,最大值達(dá)到10.18 mm。
(2)深基坑工程施工同時(shí)還引起鄰近隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力,導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,經(jīng)過計(jì)算,南寧華豐城深基坑工程施工引起的隧道裂縫寬度均小于地鐵、隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。
表3 左隧道裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果
(3)對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近隧道變形較大處,應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu),并增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),在基坑開挖至坑底以及回填到預(yù)定高程時(shí)加大監(jiān)測(cè)頻率,以便于及時(shí)全面掌握基坑和隧道變形情況,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的反饋情況,及時(shí)調(diào)整施工措施,確保工程安全。