深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析与对策

裴行凯,倪小东

(河海大学 岩土工程科学研究所,江苏南京210098)

0 引 言

由于基坑开挖使相邻地铁隧道的原有受力平衡被打破,必然引起地应力的重分布,从而引起地铁隧道产生相应的内力和变形,给既有地铁线路的保护提出了诸多难题,而地铁对变形的要求又极为严格,其绝对最大位移不能超过20 mm,隧道回弹变形不超过15 mm,隧道变形曲率半径必须大于15 000 m,相对变形必须小于1/2500[1]。因此在基坑设计和施工过程中,如何有效地控制基坑开挖引起临近地层变形量、下卧地铁隧道的变形特性及内力分布是至关重要的。

一些学者以对此类问题进行了诸多研究,文献[2]提出了通过卸荷模量和分层总和法计算基坑开挖影响土层位移,用开挖卸荷土体位移变化来计算小变形地铁隧道的位移。文献[3]利用Mindlin弹性半空间应力解,推导了基坑开挖引起隧道轴线的附加应力情况,通过弹性地基梁理论,将此附加应力施加在隧道上,得到了该荷载引起隧道任意点的位移情况。文献[4]基于Mindlin弹性半空间应力解,考虑基坑侧向土体开挖的影响,在坑底和四个侧面施加反向荷载,通过叠加计算基坑开挖后地下某点处土体附加应力。文献[5]采用数值方法分析了上海新金桥广场基坑工程的施工对坑底已建隧道的影响,数值模型考虑了隧道周围土体的加固、应用时空效应开挖土方及采用了反映土体应力路径的上海软土卸荷模量。文献[6-7]以上海广场基坑工程为背景,根据开挖工况与隧道监测数据分析影响隧道的主要因素,得出一些初步结论,指出隧道侧移对土方开挖十分敏感且与开挖部位具有比较明确的对应性,如能采取有效措施减小对应于开挖区块的隧道侧移速率和所需的施工时间,必然可以有效控制隧道在各阶段的侧移总量。

由于基坑施工边界的复杂性,很难通过解析的方法来求解基坑开挖对地铁隧道的影响,数值方法则为这种问题的求解提供了有力的工具。本文结合上海宝庆路附近一个毗邻地铁隧道的基坑实际工程,考虑上海软土的特性,土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,运用有限单元方法对防止基坑开挖过程中隧道变形的主要工程措施进行分析,着重研究不同工程措施对抑制隧道变形的敏感性,以得到更为优化的工程措施,从而为工程的设计施工提供明确的理论和计算依据。

1 工程概况

拟建项目工程地块位于上海市宝庆路,地处繁华商业区和交通干道,西侧邻近轨道交通7号线区间隧道。项目基坑开挖总面积4 339.4 m2,基坑形状接近长方形,长约82 m,宽约53 m,开挖深度15.8 m,基坑西侧外边界与邻近隧道平行,最近距离约4.1 m。本地铁隧道为重点保护对象,见图1。该基坑属深基坑工程,基础采用桩筏基础,基础底板厚度均为1 500 mm,桩基采用钻孔灌注桩。

图1 基坑平面图

场地范围内土体从上至下为:①杂填土:主要由碎石类土、砂类土等组成,层厚0.4 m～4 m。②粉质黏土:锰质氧化物及其结核,混少量钙质结核,可塑状态,层厚2.8 m～7.1 m。③淤泥质粉质粘土:高压缩性,夹粉砂薄层,层厚3.5m～11.0 m。④淤泥质粘土:流塑,中压缩性,夹薄层粉砂,层厚5.5 m～27.40 m。⑤粘土:透水性差,层厚5.6 m～13.0 m。

2 地铁重点保护方案

为了最大限度的减小基坑开挖对临近地铁隧道的影响,该工程在设计、施工各个环节必须严格控制基坑开挖对隧道的影响。根据已有设计经验并结合本工程特殊的地质条件和工程环节,采取以下重点设计方案:

(1)围护采用地下连续墙,该基坑采取内支撑顺做开挖,围护结构采用两墙合一的地下连续墙结构,连续墙厚度为800mm,深度为30 mm。同时由于基坑有15.8 m左右的深度,故采用四道水平支撑。

(2)为防止地下连续墙在成槽施工中出现塌孔对邻近的地铁区间隧道造成影响,邻近地铁的地下连续墙设置φ 850@600三轴水泥土搅拌桩作为槽壁加固体,其中地铁侧基坑外设置双排φ 850@600三轴水泥土搅拌桩槽壁加固。

(3)采用“先中间后四周”的盆式挖土方式,做到“分层、分区、分块、对称、平衡、限时”挖土支撑。

(4)基底以下采用水泥搅拌桩满堂加固,提高基坑内被动土体抗力,限制地下连续墙的侧移。对坑底进行满堂加固,水泥掺量为15%,基底以上为8%,深层搅拌桩加固区与地墙的缝隙处进行了压密注浆。

3 基坑工程动态模拟分析

本文主要研究基坑工程开挖对临近地铁隧道的位移和变形影响问题,不考虑基坑引起的过大变形问题,因此运用小变形分析理论进行模拟,采用通用有限元软件ABAQUS可对土体的弹塑性进行有限元模拟分析。

在计算分析中做如下假设:同一土层为均质各向同性的理想弹塑性体,采用Mohr-Coulomb屈服准则及等向硬化规律;隧道衬砌结构的变形和土体变形一致的假定;在基坑开挖前土体已固结问题;隧道开挖引起的土体变形已稳定;不考虑地下连续墙施工过程对周围土体和隧道造成的扰动。

3.1 有限元模型的建立

由于研究的重点在于模拟基坑开挖过程中隧道的位移和变形,为简化计算,取隧道侧一半基坑为研究对象。考虑基坑开挖对周围土体及地铁隧道的扰动,建立90 m×80 m×100 m的三维模型。计算模型的上边界为自由边界,底部为全约束,各个侧面为限制垂直面方向的位移。对整体进行有限单元剖分,单元类型为八结点线性六面体单元(C3D8R)(见图2)。

图2 基坑开挖计算模型

在数值模型中,土体采用ABAQUS提供的Mohr-Coulomb模型,隧道衬砌、地下连续墙及支撑体系均采用各向同性的弹性模型,这些单元的材料性质包括弹性模量和泊松比。对于基坑开挖卸荷的数值模拟,土体的卸荷模量的确定是关键,根据刘国斌[8]提出的考虑土体性质参数和卸荷应力路径等影响的土体模量计算公式来确定,具体土层参数详见表1。计算采用参数见表2。

表1 土体物理力学参数

表2 结构计算参数

3.2 施工工况的模拟

在进行基坑开挖前先进行初始地应力平衡,然后进行隧道和地下连续墙的施工,消除位移,在施工中先整体开挖到第一道支撑标高处,浇筑第一道支撑,然后逐步进行第二次、第三次、第四次开挖至坑底,开挖至底层后浇筑底板,并适当堆载。

工况0:初始地应力平衡;

工况1:隧道开挖,安装衬砌,不计隧道施工产生的位移;

工况2:地下连续墙施工,坑内土体加固 40 MPa,不计该工况产生的位移;

工况3:开挖土体至1.5 m,施作第一道支撑;

工况4:开挖土体至4.8 m,施作第二道支撑;

工况5:开挖土体至8.4 m,施作第三道支撑;

工况6:开挖土体至12.0 m,施作第四道支撑;

工况7:开挖土体至坑底15.8 m,进行垫层和底板施工。

上述工况涉及了土体开挖、土体加固和基础施工,其中为了更好的控制变形,对工况2另采取60 MPa的加固措施以对比分析。

4 模拟结果及分析

4.1 基坑周围位移场分析

坑底未进行土体加固时,基坑开挖卸荷后,由于局部应力释放,地表发生沉降,基坑两侧土体内侧变形,坑底土体发生隆起,其中中部隆起最大为33.6 mm,这些变形必然引发地铁隧道的侧移。不同工况下基坑及隧道位移变形见表3。

表3 不同工况下基坑及隧道位移变形

在地铁衬砌横截面的上半部分周围土体水平位移较竖直位移大,随着深度的增加,土体的水平位移与竖直位移之比逐渐减小,土体的竖向位移成为主导。这是由于基坑开挖引起的水平方向的应力释放随着深度的增加而逐渐减弱。

4.2 隧道纵向位移、受力分析

随着施工步的开挖,右线隧道的最终最大位移为11.16 mm,左线隧道的最终最大位移为6.97mm,可见,土体开挖对右线隧道的影响远大于左侧。

其中右线最大位移出现在隧道衬砌左下端,方向以水平位移为主,并向基坑方向偏移,右线隧道最大水平位移9.57 mm。这是由于基坑开挖卸荷导致侧向土体向基坑变形以及坑底土体隆起,考虑坑底土体加固的缘故,坑底隆起量得到控制,周围土体侧向变形明显,带动隧道向右下方移动。

另外,沿隧道纵向方向,隧道处于基坑中部变形尤为明显,基坑开挖对隧道纵向变形的影响约为平行于隧道的基坑长度的3倍。

在基坑开挖对隧道的应力分析中,应力主要集中在隧道衬砌横断面的上下左右四点,这四点所受应力为其他部位所受最小应力近9倍。可见应力集中现象非常明显,因此,对于地铁隧道的衬砌设计和运营安全应格外重视应力集中部位。

4.3 被动土体加固分析

为减少基坑开挖坑底土体隆起对临近地铁线路的影响,本工程拟采用坑底满堂加固的措施。图3和图4是在考虑不同加固措施的情况下,不同工况对隧道水平和竖向最大位移的对比分析。

图3 右线隧道不同工况下隧道水平最大位移

图4 右线隧道不同工况下隧道竖向最大位移

上述结果表明,当对土体不加固时,基坑开挖会对隧道产生较大的变形,当加固为40 MPa时,可将变形减小为未加固时的60%,当继续加固为60 MPa时,变形继续减小,但抑制幅度也明显减小,可见,对基坑底部土体进行加固可有效抑制临近隧道的变形,但应注意最优化的加固强度。

5 结 论

(1)利用三维有限元数值模拟方法分析基坑开挖对临近既有隧道的影响,发现基坑的开挖对临近隧道有明显的影响,隧道的位移以水平为主。

(2)通过对基坑底部被动区域是否加固进行数值模拟发现,若被动区不经加固直接开挖,将导致地铁隧道发生较大的位移,有可能将使地铁无法正常运营。而经过加固后,可有效的控制基坑开挖对隧道的影响。

(3)地下连续墙、被动土体加固等作为异质体,刚度远大于土体刚度,具有减小位移的屏障作用,对临近基坑开挖引起的位移具有阻断作用。另外,地下连续墙、支撑体系和被动土体加固组成完整的地下受力体系,能够有效的承受基坑侧向和底部土体产生的应力,对基坑开挖引起周围土体的变形起到关键的抑制作用。

[1] 刘国彬,黄院雄,侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩石力学与工程学报,2001,20(2):202-207.

[2] 吉茂杰,刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移的预测方法[J].同济大学学报,2001,29(5):531-535.

[3] 陈 郁,李永盛.基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的计算方法[J].地下空间与工程学报,2005,1(1):91-94.

[4] 张治国,张孟喜,王卫东.基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J].岩土力学,2011,32(7):2085-2092.

[5] 王卫东,吴江斌,翁其平.基坑开挖卸荷对地铁区间隧道影响的数值模拟[J].岩土力学,2004,25(S2):251-255.

[6] 况龙川,李志敏,殷宗泽.地下工程施工影响地铁隧道的实测分析[J].清华大学学报(自然科学版),2000,40(S1):79-82.

[7] 况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响[J].岩土工程学报,2000,22(3),284-288.

[8] 刘国斌,侯学渊.软土的卸荷模量[J].岩土工程学报,1996,18(6),18-23.