南宁第三系泥岩深基坑开挖对紧邻地铁隧道影响

李结全,欧孝夺

(1.广西瑞宇建筑科技有限公司,南宁 530003;2.广西大学 土木建筑工程学院,南宁 530004)

0 引 言

随着城市化进程的不断加快,地铁作为现代交通工具在许多二线城市逐渐走进人们的日常生活，地铁隧道的安全成为工程人员关注的焦点。基坑开挖卸荷将引起坑外土体产生变形,由此将导致邻近的地铁隧道产生变形和附加应力,进而威胁地铁线路的安全[1-3]。可以看出,紧邻地铁线路的基坑工程施工,不仅要保证基坑工程自身的安全,还需要控制由于基坑开挖卸荷引起的周围地层的变形,降低开挖对邻近隧道的影响。这说明紧邻地铁隧道的基坑工程的设计计算,需要从稳定性控制设计转变为变形控制设计[4]。

目前基坑开挖对邻近隧道影响的研究主要在以下几方面[5-10]： 胡琦等[11]分析了卸荷扰动对土体工程特性的影响,结合有限元软件分析了软粘土地区基坑工程施工对于邻近地铁隧道的影响, 并提出了坑底及周围土体的加固措施以减小基坑施工对邻近隧道的影响。 左殿军等[12]运用ABAQUS有限元软件, 分析了深圳某基坑土体开挖卸荷对邻近隧道的影响, 并在分析时考虑隧道衬砌与土体的相互作用。 姜兆华等[13]根据重庆临江门岩质深基坑开挖数值模拟计算结果, 认为受连续介质及隧道几何形态的影响, 隧道会改变位移场传递的方向, 并且竖直方向改变大于水平方向, 主要表现为横向变形, 隧道具有明显的偏压效应。 可以看出, 在沿海软粘土地区的基坑开挖对于邻近地下隧道的影响研究方面较为充分, 其变形机理也得到了全面的理解[14-16]。 同时, 相关工程经验也得到了充分的积累,相关地铁隧道的变形控制标准也逐步完善,如上海地区规范要求地铁两侧3 m范围内不能进行任何工程活动,隧道结构绝对沉降量不能超过20 mm。对于软粘土地区基坑,其围护结构一般具有内支撑,且地下水位较高,基坑降水、开挖引起的周围土体变形较大。与这些地区相比,南宁地区的地铁建设工作刚刚起步,且地质、水文条件与软粘土地区有较大差别,基坑围护形式也不同于软土地区, 常采用桩锚或者土钉等支护形式。 由于南宁地区还没有类似工程经验,基坑开挖引起邻近隧道变形的机理尚不明确, 相关的变形控制标准还未见出台。 因此, 研究南宁地区基坑开挖对邻近地铁隧道的影响是保障南宁市地铁建设安全的关键科学问题,对于推进南宁城市建设和城市化进程具有重要意义。

本文结合南宁华丰城深基坑工程项目,采用数值模拟的方法,研究了南宁地区基坑开挖对于地铁区间隧道的影响,着重分析了邻近隧道的变形与受力，这将对隧道基坑工程施工方案优化、减小基坑施工工程量具有重要意义。

1 工程概况及水文地质条件

1.1 工程概况

南宁华丰城项目位于泉南高速(G72)南宁市埌东收费站北侧。 设4层地下室, 地下室开挖形成了深3.1～26.4 m的基坑,基坑形状不规则, 周长976.10 m, 面积25 864.46 m2。 基坑边界线与用地红线间距为2.00～7.22 m。 根据周边环境条件的不同, 本基坑共分为15个剖面进行支护, 采用桩锚、 悬臂桩、 复合土钉墙和土钉墙支护方案, 如图1所示。

南宁轨道交通1号线埌东客运站—百花岭站区间,轨面埋深约为修建后高坡岭路路面下14.5～26.2 m(图2)。区间隧道采用盾构法施工,断面为圆形,管片外径为6.0 m、内径为5.4 m,壁

厚0.3 m,采用C50混凝土。与轨道交通1号线结构较近的基坑段为图1中所示D—G段,其中E—F段基坑距离隧道最近,最小距离为2.23 m。图2中3—3′剖面即为 E—F段中的典型剖面,支护形式为悬臂桩+10排土钉墙支护。支护桩采用直径为0.8 m的旋挖桩,桩间距为1.1 m,桩长为12.0 m,桩顶设1.0 m×0.7 m冠梁。土钉孔径均为110 mm,杆体均采用25 mm的Ⅱ级钢,倾角均为15°。由于该剖面标高为93.75 m处有一既有在用的排水箱渠,故上面第1、2排加密布置,水平间距为1.3 m,竖向间距为1.3 m,土钉长度为9.0 m;第3、4排水平间距为1.5 m,竖向间距为1.3 m,土钉长度为6.0 m;第5～10排水平间距为1.5 m,竖向间距为1.3 m,土钉长度为3.0 m。

1.2 地质条件

3—3′剖面对应岩土层主要为第四系素填土、第四系残积、冲洪积形成的粉质粘土,下伏基岩为古近系强风化粉砂质泥岩、粉砂岩,中风化粉砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩,地质剖面图如图3所示。根据勘测报告和试验结果,确定E-F段剖面具体模型的物理力学参数如表1所示。

地下水主要是基岩裂隙水,对基坑和盾构隧道的影响均较小, 所以在进行数值模拟分析时不考虑地下水的影响。

图1 基坑与地铁隧道平面关系图Fig.1 Plane relationship between deep excavation and subway tunnel

图2 E—F段剖面图Fig.2 Profile of E-F section

图3 E—F剖面地质柱状图Fig.3 Geological columns of E-F section

表1 各土层及结构模拟参数

2 模型建立

本文运用弹塑性有限元软件Midas进行建模。 E—F段3—3′剖面长119.9 m, 基坑开挖宽度为98 m。 考虑边界效应, 计算模型取长326 m、 宽298 m、 自地表60 m厚的岩土体作为分析范围。 岩土体用实体单元进行模拟, 采用莫尔-库仑模型。 边界条件: 顶面为自由边界, 侧面为水平方向固定, 底面为水平和垂直方向都固定。 基坑顶道路上车辆荷载取30 kPa。 模型如图4a所示, 共有49 784个单元, 11 361个节点。 区间隧道均可直接通过析取单元功能来实现,采用平面/板单元模拟(图4b)。土钉采用植入式桁架单元模拟。为了方便建模,将直径为0.8 m支护桩采用等刚度代换成强度为C30厚度为0.457 m的地下连续墙,采用平面/板单元进行模拟。完成网格划分后具体支护结构如图4c所示。根据具体基坑施工步骤,设置施工步如表2所示。

3 结果分析

3.1 基坑及隧道变形

基坑开挖至坑底引起的隧道、基坑土体、围护结构及土钉的变形如图5所示。由于基坑内部土体开挖卸荷,整个底层回弹,造成基坑坑底中心隆起,最大值为53.31 mm,边坡产生向基坑内部的位移,最大值为27.04 mm,支护桩水平位移最大值为11.20 mm,第1、2排土钉的最大变形为29.9 mm。区间左线隧道的最大位移为11.21 mm,X方向的位移为7.96 mm,Z方向的位移为8.69 mm,X、Z方向的位移为主要位移;区间右线隧道的最大位移为5.74 mm。左、右隧道的水平位移、竖向位移值均小于规范要求的报警值10 mm,故基坑挖对隧道的影响符合规范要求;但由于左隧道总位移量为11.21 mm,略大于规范要求的报警值10 mm。为了保证轨道交通隧道安全, 应对此区域加强支护结构,并增设监测点, 在挖到坑底以及回填到101.0 m高程时加大监测频率。

图4 有限元模型建立(3D)Fig.4 Finite element modeling

表2 施工步设置

基坑土体回填引起的隧道、基坑土体、围护结构的变形如图6所示。由于土体回填造成区间左线隧道的最大位移为10.18 mm,X方向的位移为-4.61 mm,Z方向的位移为-9.70 mm,X、Z方向的位移为主要位移;区间右线隧道的最大位移为3.37 mm。基坑坑底中心发生沉降,沉降量为0.44 mm,边坡向外位移为30.48 mm,支护桩水平位移最大值为15.68 mm。左、右隧道的水平位移、竖向位移值均小于规范要求的报警值10 mm,故土体回填对隧道的影响符合规范要求。

本基坑在施工过程中, 土体开挖卸荷、 回填加荷作用对邻近轨道交通隧道结构的位移影响表现为: 开挖阶段,轨道交通结构的位移以竖向位移为主, 水平位移略小, 开挖到基坑底时达到最大值(竖向位移为上浮8.69 mm, 水平位移为向坑内7.96 mm); 回填阶段均改变方向位移, 回填完成后达到最大值(竖向位移为下沉9.70 mm, 水平位移为向坑外4.61 mm),以竖向位移为主。

3.2 裂缝宽度验算

通过数值模型计算, 可以得到隧道拱顶、 侧墙、 仰拱的弯矩和轴力, 根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)[17]可以得到偏心受压情况下隧道管片的产生的裂缝宽度。 左隧道的计算结果如表3所示。

图5 基坑开挖到底变形图(3D)Fig.5 Deformation of foundation pit excavation completion

图6 基坑回填完成变形图(3D)Fig.6 Deformation of foundation pit backfilling

计算结果表明,南宁华丰城深基坑工程施工引起区间左隧道结构裂缝宽度均小于地铁、隧道变形控制标准要求的0.2 mm,满足规范要求。

同时, 本文还建立了3—3′剖面的2D模型进行对比分析, 土体开挖引起的隧道位移云图如图7所示。 2D模型计算得到的土体开挖引起的坑底中心隆起为44.31 mm。 左线隧道的最大位移为9.35 mm, 右线隧道最大位移为4.81 mm, 略小于3D模型计算得到的位移, 这主要是由于2D模型不能反映实际基坑工程的空间效应，同时2D模型计算结果也验证了3D模型的合理性，但由于2D和3D模型计算结果均接近报警值,所以在施工过程中应委托有资质单位对隧道结构进行监测,如位移超过报警值,应立即采取有效措施,确保区间结构安全。

图7 基坑开挖到底变形图(2D模型)Fig.7 Deformation of foundation pit excavation completion

4 结 论

本文基于南宁地区具体工程实例,运用有限元软件,建立了三维弹塑性基坑开挖对邻近隧道影响的有限元模型,分析了基坑开挖及土体回填引起基坑周围土体、基坑围护结构和隧道的变形,得到以下结论:

(1)在基坑施工过程中,土体开挖卸荷、回填加荷作用对邻近轨道交通隧道结构的位移产生显著影响,具体表现为:开挖阶段,隧道的位移以向上的竖向位移为主,向坑内的水平位移略小,开挖到基坑底时达到最大值11.21 mm;回填阶段改变位移方向,回填完成后达到最大值,以竖向位移为主,最大值达到10.18 mm。

(2)深基坑工程施工同时还引起邻近隧道产生附加内力,导致隧道结构产生裂缝,经过计算,南宁华丰城深基坑工程施工引起的隧道裂缝宽度均小于地铁、隧道变形控制标准的要求。

表3 左隧道裂缝宽度验算结果

(3)对于基坑围护结构和邻近隧道变形较大处,应加强支护结构,并增设监测点,在基坑开挖至坑底以及回填到预定高程时加大监测频率，以便于及时全面掌握基坑和隧道变形情况，根据监测结果的反馈情况，及时调整施工措施，确保工程安全。