李永永

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)所在隧道的變形要求極其嚴(yán)格。關(guān)于基坑開挖引起運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形的控制標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)保護(hù)措施，國(guó)內(nèi)尚無系統(tǒng)編制的相關(guān)規(guī)程，僅上海市對(duì)地鐵的變形提出暫行規(guī)定［1］:隧道運(yùn)營(yíng)期間，最大位移一般不能超過20 mm，回彈變形不超過15 mm，隧道變形曲率半徑須大于15 000 m，相對(duì)變形須小于1/2 500。隨著近年來城市建設(shè)的快速發(fā)展，常常會(huì)出現(xiàn)基坑工程騎跨于已建地鐵區(qū)間隧道之上這一新問題。然而基坑開挖卸載會(huì)引起下臥盾構(gòu)隧道隆起，使隧道的使用功能和安全性受到威脅。本文以杭州市某基坑開挖為背景建立了基坑開挖對(duì)下臥盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值模型，根據(jù)不同施工工況進(jìn)行模擬，動(dòng)態(tài)地分析了施工過程中基坑開挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響及變形控制措施的效果。

1 工程概況

金沙湖綠軸下沉廣場(chǎng)工程位于杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)規(guī)劃金沙湖北側(cè)的九沙大道下及其兩側(cè)。九沙大道為快速路，本工程為溝通九沙大道兩側(cè)地塊的下穿九沙大道的人行交通工程。綠軸下沉廣場(chǎng)面積為12 580 m2，基坑開挖深度約為5.25 m，本工程基底(素混凝土墊層底)距離1號(hào)線左線隧道頂3.17 m，距離右線隧道頂4.33 m～5.98 m，開挖階段隧道最小覆土約為0.5倍洞徑。本工程基坑開挖面基本處于粉砂中，基坑影響深度范圍內(nèi)的土層為填土、粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等，開挖過程中地下水降至坑底以下1 m，區(qū)間隧道頂部及以上土層采用水泥土攪拌樁進(jìn)行滿堂加固，在下臥雙線隧道中間及兩側(cè)每間距1.0 m布置直徑為600 mm的鋼筋混凝土鉆孔灌注抗拔樁，形成門式框架以抑制基坑開挖卸荷引起下臥地鐵隧道上浮變形見圖1。

2 計(jì)算模型

整個(gè)模型大小為150 m×55 m×170 m，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度150 m，盾構(gòu)外徑 D=6.2 m，管片壁厚0.35 m，加固區(qū)44.6 m ×35 m。模擬巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌采用線彈性模型，采用板單元模擬襯砌結(jié)構(gòu)，實(shí)體單元來模擬土體及加固土。MIDAS有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2，圖3所示，模型單元個(gè)數(shù)為76 808。計(jì)算時(shí)為了簡(jiǎn)化模型，將相近土層合并成一層進(jìn)行計(jì)算。模型總共分為四個(gè)土層，分別是:砂質(zhì)粉土20 m、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土10 m、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土15 m、粘土20 m。計(jì)算時(shí)假設(shè)圍巖為單一、均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學(xué)性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)勘察和試驗(yàn)資料并結(jié)合規(guī)范來取值，各參數(shù)見表1。該模型計(jì)算考慮土體整層開挖，其分層開挖高度分別為2.2 m，3.05 m。計(jì)算中考慮基坑降水影響，開挖基坑前，地下水位下降至基坑底面以下1 m。由于抗浮樁數(shù)量眾多，無法在3D模型中逐個(gè)建立。本文采用等效剛度法，即規(guī)范中規(guī)定復(fù)合地基的復(fù)合模量進(jìn)行等效換算［2-4］。

圖1 工程結(jié)構(gòu)圖

數(shù)值模擬工況簡(jiǎn)介［5-8］。

工況一:未進(jìn)行加固分析。計(jì)算考慮土體整層開挖，其分層開挖高度分別為2.2 m，3.05 m。模擬過程有如下分析:1)初始狀態(tài)下地層的初始應(yīng)力平衡;2)模擬盾構(gòu)隧道開挖及管片安裝;3)模擬施工降水;4)模擬基坑土體開挖2.2 m;5)模擬基坑土體開挖3.05 m。工況二:攪拌樁加固方案分析。為了減小盾構(gòu)隧道在基坑開挖期間的隆起，在隧道周邊采取門式加固措施，加固體在隧道邊留有1 m的安全距離，隧道頂以上加固高度2.17 m，兩側(cè)加固寬度2 m～15 m。工況三:攪拌樁加抗浮樁分析。為了進(jìn)一步減小盾構(gòu)隧道在基坑開挖期間的隆起，在隧道周邊采取門式加固措施的同時(shí)，在區(qū)間隧道兩側(cè)設(shè)置4排抗浮樁與1.2厚的結(jié)構(gòu)底板相連，抗浮樁直徑1.2 m縱向間距3 m～6 m，樁長(zhǎng)40 m。在開挖方式上采用分塊開挖的方式，先開挖隧道兩側(cè)土體，再開挖區(qū)間隧道上方的土體。

圖2 MIDAS模型網(wǎng)格劃分

圖3 MIDAS區(qū)間隧道與加固措施

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)表

3 模擬結(jié)果分析

整理各工況下模擬結(jié)構(gòu)的位移云圖，選擇直觀明顯地反應(yīng)變形規(guī)律和控制措施效果的關(guān)鍵點(diǎn)和物理量，具體見表2和圖4。

表2 關(guān)鍵點(diǎn)在各工況下的位移 mm

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)在各工況下的位移

從表2和圖4可以看出，3D計(jì)算的結(jié)果要比2D結(jié)果大一些，這是因?yàn)?二維分析中所取的斷面并不是開挖寬度最大地方，從理論上分析開挖斷面越大，坑底隆起越大。三維分析中有限元邊界條件與實(shí)際情況一致，而二維屬于平面應(yīng)變假設(shè)，平面外完全約束，理論上位移會(huì)比3D結(jié)果要小。

從計(jì)算結(jié)果看出攪拌樁門式加固對(duì)盾構(gòu)隧道周邊土體豎向位移有一定限制作用，但作用不大。雖然攪拌樁加固后，土體的剛度有所增大，但基坑開挖回彈影響范圍深達(dá)粘性土層，所以土體回彈會(huì)把加固土體連同隧道一塊頂起。采取加固措施后，盾構(gòu)隧道底部的隆起量有一定的減小，由67.6 mm減小到56.4 mm，但仍不能達(dá)到盾構(gòu)隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

采用滿布抗拔樁，考慮施工的時(shí)空效應(yīng)采用分層分塊開挖，可以明顯的減小基坑底部回彈，同時(shí)也減小了隧道的位移，使隧道位移降至11.8 mm，能夠滿足地鐵隧道要求限值，保障地鐵安全運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)語

本次分析使用MIDAS/GTS軟件對(duì)金沙胡下沉廣場(chǎng)基坑開挖對(duì)杭州地鐵一號(hào)線的影響進(jìn)行了分析。通過對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的整理分析研究，得出以下結(jié)論:1)未經(jīng)過加固，基坑直接整層開挖后，區(qū)間隧道大面積卸荷后上浮達(dá)67.6 mm，嚴(yán)重影響到隧道安全。2)區(qū)間隧道采用門式水泥攪拌樁加固后，整層開挖。雖然可以減小坑底隆起，但隧道上浮達(dá)56.4 mm，大大超過限值。所以僅僅采用攪拌樁加固是不夠的。3)在開挖基坑前，在開挖范圍內(nèi)滿布直徑1.2 m長(zhǎng)度大于40 m的抗浮樁可以大大降低基坑開挖后的隆起。通過分步開挖，可以進(jìn)一步減小基坑底部回彈，最終隧道上浮11.8 mm，滿足限值要求，且與實(shí)際施工動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)基本吻合。

［1］上海市市政工程管理局.上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定［S］.上海：上海市政管理局，1994.

［2］胡 恒，朱厚喜，賈立宏.基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(S1)：116-119.

［3］張玉成，楊光華，姚 捷，等.基坑開挖卸荷對(duì)下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(S1)：109-114.

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