蘇 濤

(沈陽地鐵集團(tuán)有限公司,遼寧沈陽 110011)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展,地鐵不僅為人們提供了更加便捷的出行方式,也成為城市發(fā)展的重要標(biāo)志。 如何有效地預(yù)測(cè)地鐵變形并及時(shí)采取有效的控制措施成為了研究的重點(diǎn)。

以沈陽某臨近運(yùn)營(yíng)地鐵的基坑施工項(xiàng)目為例,研究安全評(píng)估及結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)在地鐵運(yùn)營(yíng)過程中起所起的重要作用。

1 項(xiàng)目概述

某基坑項(xiàng)目位于沈陽地鐵一號(hào)線重工街站-啟工街站區(qū)間南側(cè),基坑長(zhǎng)約48 m,深約11.5 m,其邊緣與區(qū)間結(jié)構(gòu)水平凈距為11.5 ～13.8 m,位于沈陽市地鐵運(yùn)營(yíng)保護(hù)區(qū)內(nèi)。 為確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全,需對(duì)既有地鐵隧道進(jìn)行安全評(píng)估和保護(hù)監(jiān)測(cè)[1]。 基坑與地鐵隧道關(guān)系如圖1。

圖1 基坑與地鐵隧道平面關(guān)系

2 安全評(píng)估模型分析

2.1 基坑設(shè)計(jì)參數(shù)

基坑的支護(hù)方式為“鉆孔灌注樁+錨索”,鉆孔灌注樁直徑為0.6 m,間距為1.0 m,混凝土強(qiáng)度為C25,鋼筋混凝土保護(hù)層厚70 mm;錨索鉆孔直徑為0.15 m,錨固體為P. O 42.5 級(jí)或以上標(biāo)號(hào)水泥砂漿,水灰比為0.5 ～0.55;桿體材料為1 860 MPa的鋼絞線。 樁間掛設(shè)鋼絲網(wǎng),噴射50 mm 厚C20 細(xì)石混凝土。 基坑邊2.0 m 范圍內(nèi),堆載不允許超過10 kPa。 基坑與地鐵隧道剖面關(guān)系如圖2。

2.2 計(jì)算范圍

本次安全評(píng)估采用三維計(jì)算模型(基于基坑工程臨近地鐵隧道側(cè)剖面建立[2]),橫向范圍取52 m;豎向范圍:上取至地面,下取至地面以下58 m。 共劃分為13 274萬個(gè)單元,20 494萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。 計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 計(jì)算模型

模型的上表面為地表(自由邊界),其余各外表面均約束(法線方向)。

圖2 基坑與地鐵隧道剖面關(guān)系(單位:mm,高程單位:m)

2.3 計(jì)算參數(shù)

圍巖物性參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 圍巖物性參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 評(píng)估方法

基于Midas/GTS 巖土和隧道結(jié)構(gòu)專用分析系統(tǒng),根據(jù)mohr-coulomb 屈服準(zhǔn)則[34],采用地層—結(jié)構(gòu)模型模擬分析基坑施工引起的地鐵區(qū)間變形[56],評(píng)估區(qū)間線路軌道結(jié)構(gòu)的安全性,并根據(jù)行車安全的要求,綜合各種影響因素,提出施工及監(jiān)控量測(cè)建議。

2.5 計(jì)算假定

(1)既有地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力依據(jù)原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算分析,施工期間僅考慮正常使用工況,不考慮地震、人防工況;

(2)假定既有地鐵結(jié)構(gòu)為線彈性材料;

(3)假定新建結(jié)構(gòu)、既有地鐵結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則[7];

(4)通過剛度等效的方法,將既有地鐵結(jié)構(gòu)等效為一種同剛度材料[8];

(5)假定基坑降水至設(shè)計(jì)高程下1 m,并保證其他施工處于正常的控制條件下。

2.6 基坑開挖施工模擬

根據(jù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì),首先施作圍護(hù)樁,之后的施工順序?yàn)?①開挖第一層土(開挖深度至2.2 m),施工第一道支撐(錨索+噴混+鋼筋網(wǎng));②開挖第二層土(開挖深度至4.7 m),施工第二道支撐(錨索+噴混+鋼筋網(wǎng));③開挖第三層土(開挖深度至6.7 m),施工第三道支撐(錨索+噴混+鋼筋網(wǎng));④開挖第四層土,挖至設(shè)計(jì)基底。 施工模擬見圖4。

2.7 三維模型計(jì)算分析

圖4 基坑開挖至底層

根據(jù)設(shè)計(jì)、施工步驟,分階段模擬計(jì)算基坑、隧道、軌道道床的三維變形[9]。 以下展示隧道及軌道道床三維變形計(jì)算。

(1)水平位移計(jì)算結(jié)果

圖5、圖6 為隧道襯砌、軌道道床不同位置的水平變形情況,其中負(fù)值表示向基坑內(nèi)偏移。

圖5 第四步開挖后隧道襯砌水平位移

圖6 第四步開挖后軌道道床水平位移

由圖5 可以看出,基坑開挖完成后,左側(cè)隧道襯砌變形量遠(yuǎn)大于右側(cè),其中左側(cè)隧道變形量為-5.27 ～-3.52 mm,最大變形量位于隧道底部,最小變形量位于隧道頂部;右側(cè)隧道變形量為-3.52 ～-2.47 mm,其最大、最小變形量對(duì)應(yīng)部位與左線隧道一致。

由圖6 可以看出,基坑開挖完成后,左線軌道道床變形量為-5.27 ～-3.92 mm,右線軌道道床變形量為-3.92 ～-3.12 mm,最大、最小變形量分別位于道床結(jié)構(gòu)的頂部和底部。

(2)豎向位移計(jì)算

圖7、圖8 為隧道襯砌、軌道道床不同位置的豎向變形情況,負(fù)值表示沉降,正值表示隆起。

圖7 第四步開挖后隧道襯砌豎向位移

圖8 第四步開挖后軌道道床豎向位移

由圖7 可以看出,基坑開挖完成后左線隧道襯砌呈隆起趨勢(shì),變形量為+1.79 ～+5.08 mm,左側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)壁變形量遠(yuǎn)大于右側(cè),其隆起量最大位置為左側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)壁的中心位置(離基坑最近位置)。 右線隧道襯砌呈下沉趨勢(shì),沉降量為-2.45 ～-0.56 mm,其最大沉降量也在左側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)壁的中心位置。

由圖8 可以看出,基坑開挖完成后,左線軌道道床呈隆起趨勢(shì),隆起量為+1.74 ～+4.85 mm;右線軌道道床呈沉降趨勢(shì),沉降量為-2.25 ～-0.47 mm;最大隆起量和沉降量均位于道床結(jié)構(gòu)的最左側(cè)位置。

3 地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)

基坑開挖期間,對(duì)地鐵隧道及軌道道床進(jìn)行水平、豎向位移監(jiān)測(cè)及軌道幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)[10],沿隧道方向左右線按5 ～10 m 的間距各布置10 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面設(shè)置2 個(gè)隧道襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1 個(gè)道床監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖9 所示。 圖9 中,1 ～10 代表監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面布置3 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1 個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),其監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào):L 代表左線,R 代表右線,LL 代表左線隧道結(jié)構(gòu)左側(cè),LZ 代表左線道床,LR 代表左線隧道結(jié)構(gòu)右側(cè),RL 代表右線隧道結(jié)構(gòu)左側(cè),RZ 代表右線道床,RR代表右線隧道結(jié)構(gòu)右側(cè)。 水平位移監(jiān)測(cè)采用“自由設(shè)站+小角法”方案[1113],豎向位移采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方案[1415]。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本次監(jiān)測(cè)從2013 年12 月開始,于2014 年9 月結(jié)束,共監(jiān)測(cè)34 期,根據(jù)各期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),最終累計(jì)變化量統(tǒng)計(jì)如下(見表3)。

表3 累計(jì)監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì) mm

由表3 可以看出,在基坑施工期間,監(jiān)測(cè)對(duì)象累計(jì)變形量均較小,地鐵區(qū)間隧道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

4.1 水平位移分析

以各斷面各期累計(jì)變形量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)制作時(shí)間-累計(jì)變形量曲線,如圖10、圖11 所示。

圖10 左線隧道水平位移 時(shí)間曲線

圖11 右線隧道水平位移 時(shí)間曲線

由圖10、圖11 可以看出,在基坑開挖初期,左、右線隧道結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較穩(wěn)定,隨著基坑開挖,隧道結(jié)構(gòu)水平位移處于一個(gè)波動(dòng)狀態(tài),波動(dòng)范圍為-2 ～+2 mm,隨著基坑開挖至底部,監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量收斂至-1 ～+1 mm。 由監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終收斂情況可以看出,基坑開挖期間,隧道結(jié)構(gòu)的水平位移變形較小[16]。

4.2 豎向位移分析

根據(jù)各期監(jiān)測(cè)結(jié)果,分別對(duì)左、右線軌道道床和隧道襯砌累計(jì)變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),制作時(shí)間-累計(jì)沉降量曲線,如圖12 ～圖17 所示。

(1)道床豎向位移分析

由圖12、圖13 可以看出,在基坑開挖初期,左、右線軌道道床豎向位移變形較小,隨著基坑開挖的深入,軌道道床豎向位移處于波動(dòng)狀態(tài),范圍為-2 ～+2 mm,大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈沉降趨勢(shì),且監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)分散比較平均,隨著基坑開挖至底部,左、右線道床豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)均收斂至-1 ～+1 mm。 從監(jiān)測(cè)點(diǎn)收斂情況來看,大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于隆起狀態(tài),且左線隧道隆起量整體大于右線隧道。

圖12 左線道床結(jié)構(gòu)豎向位移 時(shí)間曲線

圖13 右線道床結(jié)構(gòu)豎向位移 時(shí)間曲線

(2)隧道結(jié)構(gòu)豎向位移分析

圖14 左線隧道左側(cè)結(jié)構(gòu)豎向位移 時(shí)間曲線

圖15 左線隧道右側(cè)結(jié)構(gòu)豎向位移 時(shí)間曲線

圖16 右線隧道左側(cè)結(jié)構(gòu)豎向位移 時(shí)間曲線

圖17 右線隧道右側(cè)結(jié)構(gòu)豎向位移 時(shí)間曲線

由圖14 ～圖17 可以看出,在基坑開挖初期,隧道結(jié)構(gòu)豎向位移變形較小,隨著基坑開挖的深入,整體呈波動(dòng)狀態(tài),基坑開挖至底部后,整體呈收斂狀態(tài),與道床豎向位移變形規(guī)律基本一致。 從最終收斂狀態(tài)來看,左線隧道左側(cè)結(jié)構(gòu)、右線隧道左側(cè)結(jié)構(gòu)隆起量大于沉降量,左線隧道結(jié)構(gòu)右側(cè)和右線隧道右側(cè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)位分散比較均勻,且最大沉降量稍大于最大隆起量。

5 結(jié)論

(1)基坑開挖初期,隧道整體變形較小,隨著基坑開挖的深入,變形逐漸增大,基坑開挖至底部及地下結(jié)構(gòu)施工時(shí),整體呈收斂穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)安全評(píng)估和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明:隧道襯砌水平、豎向變形規(guī)律基本一致。

(3)由于基坑位于隧道左上側(cè),基坑開挖對(duì)隧道水平位移影響小于豎向位移。 基坑施工完成后,對(duì)臨近基坑隧道的影響呈隆起趨勢(shì),最大隆起量為+5.08 mm,對(duì)遠(yuǎn)離基坑隧道影響呈沉降趨勢(shì),最大沉降量為-2.45 mm,且左線隧道變形大于右線隧道,左側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)壁變形大于右側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)壁。

(4)合理選定安全評(píng)估模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出變形對(duì)象的變化規(guī)律及變形值,為后續(xù)施工及變形監(jiān)測(cè)控制提供科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),其數(shù)據(jù)還可以反向驗(yàn)證安全評(píng)估預(yù)測(cè)。