陳思明，歐雪峰，韓雪峰，張學(xué)民，馮涵

(1. 中鐵建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518055；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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臨近既有地鐵隧道新建基坑的數(shù)值計(jì)算分析

陳思明1，歐雪峰2，韓雪峰1，張學(xué)民2，馮涵2

(1. 中鐵建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518055；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

針對(duì)上部及側(cè)方位基坑開挖對(duì)鄰近既有地鐵隧道安全運(yùn)營的影響問題，采用有限元法對(duì)深圳地鐵11號(hào)線站基坑及其風(fēng)道基坑臨近-上跨既有1號(hào)線區(qū)間隧道的施工關(guān)鍵保護(hù)區(qū)域進(jìn)行了三維模擬計(jì)算分析，并通過與實(shí)測(cè)自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證模擬計(jì)算的有效性?；陲L(fēng)道基坑施工中下臥隧道的變形及受力計(jì)算結(jié)果，獲得既有隧道結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中的受力特征和變形規(guī)律，確定施工中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的隧道關(guān)鍵部位，施工中采取了針對(duì)性保護(hù)措施，獲得結(jié)論對(duì)今后類似工程具有參考價(jià)值。

既有隧道；基坑工程；有限元；自動(dòng)化監(jiān)控

近年來，隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，受場地限制等影響使得新建基坑位于既有運(yùn)營隧道上方的工程案例不斷增多。基坑開挖必將產(chǎn)生卸載效應(yīng)，打破原有土體應(yīng)力平衡，使得基坑周圍土體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力重分布。當(dāng)新建基坑底部存在既有隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，基坑開挖必然引起既有隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加變形。當(dāng)既有隧道產(chǎn)生過大附加位移時(shí)，將導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂或滲漏等危險(xiǎn)，直接影響隧道結(jié)構(gòu)安全與地鐵正常運(yùn)行，如臺(tái)北某基坑開挖因周邊地層變形過大，造成臨近隧道出現(xiàn)較大位移而引起了隧道管片結(jié)構(gòu)的脫開，直接影響了既有線路的運(yùn)營安全[1]。因此，圍繞基坑開挖對(duì)下伏既有地鐵隧道安全影響等相關(guān)問題的研究，逐步受到工程界技術(shù)人員的高度重視。針對(duì)此類問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者采用解析計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測(cè)等手段開展了大量研究，如陳郁等[2-3]采用理論解析方法推導(dǎo)出由于開挖卸荷引起隧道結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，進(jìn)而通過彈性地基梁理論給出了隧道隆起變形的定量計(jì)算方法；鄭剛等[4-6]分別采用數(shù)值計(jì)算手段分析了不同位置關(guān)系工況下基坑施工對(duì)下臥隧道變形及受力的影響；魯四平等[9-10]從施工安全控制角度出發(fā)研究了相關(guān)施工方法、加固技術(shù)、監(jiān)控方案及其技術(shù)方案的可行性和有效性。從上述研究可以看出，數(shù)值模擬方法可以有效地分析復(fù)雜地質(zhì)條件基坑開挖引起的卸載作用及其對(duì)下臥既有隧道結(jié)構(gòu)受力和變形規(guī)律。同時(shí)，由于我國地域廣闊，不同地區(qū)地層特性差異較大，類似研究結(jié)論無法直接照搬用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工。為此，本文依托車公廟樞紐工程，采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測(cè)對(duì)比分析相結(jié)合的研究方法，分析了深圳地區(qū)新建基坑對(duì)下臥既有運(yùn)營地鐵隧道的影響，以進(jìn)一步論證設(shè)計(jì)方案的可靠性和合理性，指導(dǎo)工程安全施工并為類似工程提供參考。

1　工程概況

11號(hào)線車公廟站位于深南大道與香蜜湖立交橋交叉口的西側(cè)，其北側(cè)近接1號(hào)線車公廟站，南側(cè)緊鄰豐盛町地下陽光街。與豐盛町地下陽光街平行設(shè)置，與1號(hào)線采用站廳換乘。11號(hào)線車公廟站為地下2層島式站臺(tái)車站，車站長368.17 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬26.8 m，開挖深度為16.6～19.72 m。本站設(shè)東、西兩風(fēng)道，其中西端風(fēng)道位于1號(hào)線車公廟站西側(cè)，本風(fēng)道寬約19.4 m，長約35.8 m，基坑深約8.1 m。工程平面圖如圖1所示。

西風(fēng)道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地連墻，其中左側(cè)與11號(hào)線共用連續(xù)墻，深度為24 m，而右側(cè)連續(xù)墻受下臥1號(hào)線區(qū)間隧道限制，嵌固深度僅2.3 m。風(fēng)道底板下設(shè)兩排抗浮樁，采用直徑1 000 mm鉆孔灌注樁，嵌固深度12 m，單樁抗拔力特征值520 kN。

圖1　工程平面圖Fig.1 Engineering plan

根據(jù)深圳市《深圳城市軌道交通地下工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[11]規(guī)定，當(dāng)近接地鐵隧道施工時(shí)，既有隧道結(jié)構(gòu)最大位移不能超過20 mm，隧道最大上浮位移不能超過 15 mm，相對(duì)彎曲不應(yīng)超過1/2 500。為了減少基坑開挖對(duì)既有隧道的影響，采取φ600@450MJS旋噴樁對(duì)基底進(jìn)行滿堂加固，與抗拔樁一起形成門式抗浮承載體系。上、下行線影響寬度范圍內(nèi)加固深度為2.3 m，其他區(qū)段加固深度為5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地層加固范圍見圖2。

(a)加固范圍平面圖；(b)加固范圍剖面圖圖2　西風(fēng)道加固范圍平面圖Fig.2 Reinforced range plan of the west air duct

2　工程地質(zhì)

11號(hào)線車公廟綜合交通樞紐工程位于深圳市福田區(qū)深南香蜜湖立交附近。所在地區(qū)為海積平原內(nèi)的沖積階地和低臺(tái)地地貌，總體地勢(shì)平緩，其土層分布如表1所示。

3　三維模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)工程概況建立如圖3所示的數(shù)值計(jì)算模型，模型中除重點(diǎn)考慮11號(hào)線車站西風(fēng)道外，同時(shí)還考慮了鄰近新建11號(hào)線車站基坑及既有豐盛町地下商業(yè)街結(jié)構(gòu)的影響，由于現(xiàn)場并無地面起臥情況，模型將地面考慮為水平，考慮到消除邊界的影響，整個(gè)模型長160 m，寬100 m，高50 m；模型周圍采用水平約束，下部采用豎向約束，上部邊界為自由邊界。網(wǎng)格采用6面體網(wǎng)格，構(gòu)筑物周圍網(wǎng)格取為1 m。根據(jù)土層物理力學(xué)性質(zhì)，采用Mohr-Coulomb(MC)本構(gòu)模型；基坑地連墻、車站結(jié)構(gòu)板以及隧道襯砌均采用板單元，立柱及抗拔樁均采用柱單元模擬。有限元模型見圖4，模型包含單元數(shù)為111 278，節(jié)點(diǎn)數(shù)為108 094。

(a)計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分;(b)基坑結(jié)構(gòu)模型圖4　計(jì)算模型Fig.4 Calculation model

3.1模型參數(shù)選取

模擬計(jì)算中土體、地連墻、車站結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道的物理力學(xué)參數(shù)具體如表2所示，其中風(fēng)道基坑底部旋噴樁滿堂加固采用提高隧道上方土體物理力學(xué)參數(shù)的方法處理。

3.2模擬步驟

數(shù)值模擬步序嚴(yán)格按照現(xiàn)場實(shí)際施工步序進(jìn)行，為了獲得上部基坑即西風(fēng)道施工對(duì)下臥既有1號(hào)線隧道的影響，在地應(yīng)力平衡后，進(jìn)行位移清零，然后施工完既有1號(hào)線隧道、11號(hào)線車站立柱、西風(fēng)道抗拔樁、基底旋噴樁滿堂加固及豐盛町地下商業(yè)街后，再進(jìn)行一次位移清零，然后按以下順序進(jìn)行新建車站及西風(fēng)道的施工，具體計(jì)算步序如下：11號(hào)線車站頂板位置土方開挖?11號(hào)線車站頂板施作?11號(hào)線車站頂板上方土方?西風(fēng)道基坑頂部土方開挖?風(fēng)道基坑混凝土支撐的施作?風(fēng)道基坑開挖4 m?風(fēng)道基坑施作鋼管支撐?風(fēng)道基坑開挖至基坑底并施作底板?風(fēng)道基坑拆掉頂部支撐施作頂板?風(fēng)道基坑回填土方，隨后11號(hào)線車站基坑繼續(xù)開挖施作中板，然后開挖底板土方并施作底板，整個(gè)模擬施工過程完成。

表2　土層分布、結(jié)構(gòu)物及其物理力學(xué)參數(shù)

4　基坑開挖對(duì)下臥隧道影響三維結(jié)果分析

4.1基坑分步開挖豎向位移

圖5為風(fēng)道基坑開挖過程中整個(gè)有限元模型風(fēng)道位置的剖面的豎向位移云圖。關(guān)于模型位移的正負(fù)值，本節(jié)約定：位移方向與整體坐標(biāo)系中的正方向相同時(shí)取正值，與整體坐標(biāo)系中的正方向相反則取為負(fù)值，整體坐標(biāo)系指的是結(jié)果云圖的XYZ軸(其中藍(lán)色軸線為Z軸，綠色軸線為Y軸，紅色軸線為X軸)，下同。

(a)11號(hào)線頂板施工完成；(b)風(fēng)道基坑頂部土開挖；(c)施作頂層支撐；(d)風(fēng)道基坑施作鋼支撐；(e)開挖完成施作底板；(f)拆除支撐施作頂板；(g)回填頂板以上土體圖5　計(jì)算模型豎向變形云圖Fig.5 Vertical deformation cloud images of the simulation model

從圖5可以看，西風(fēng)道下臥的2條既有隧道一直處于基坑開挖的影響范圍內(nèi)，變形最大的為基坑底部土體，其最大隆起值達(dá)43.6 mm；豎向變形從基坑底部向外輻射，逐步減小，隨著基坑開挖深度的增加強(qiáng)影響區(qū)范圍不斷下移，土體位移對(duì)下臥隧道影響也逐步增大。在基坑頂板上方進(jìn)行土方回填后，基坑底部的紅色影響區(qū)有些回落，土體的豎向變形，尤其是隧道頂部豎向變形產(chǎn)生了一定的下降。

4.2隧道縱向變形

表3統(tǒng)計(jì)了風(fēng)道基坑施工過程中幾個(gè)施工節(jié)點(diǎn)下臥隧道的豎向變形云圖，從云圖中可以看出風(fēng)道基坑的開挖對(duì)下臥隧道上行線影響較大，變形最大區(qū)段位于風(fēng)道基坑正下方，沿著隧道縱向逐步減小，模擬結(jié)果整體變化趨勢(shì)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的結(jié)果基本一致，模擬施工過程中隧道的大部分變形發(fā)生在基坑開挖到基坑中部，達(dá)到11.3 mm，基坑開挖完成后隧道的變形值達(dá)到最大值，為12.6 mm，超過規(guī)范規(guī)定的10 mm預(yù)警值，接近15 mm的報(bào)警值，在風(fēng)道基坑完成后，回填上部土方變形有一定的回落，降到9.82 mm。

表3隧道襯砌結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖統(tǒng)計(jì)

Table 3 Vertical deformation cloud images of tunnel lining statistics

(a)風(fēng)道基坑頂部土開挖(b)風(fēng)道基坑開挖6m上行線隧道最大上浮為3.76mm上行線隧道最大上浮為11.3mm(c)風(fēng)道基坑開挖完成(d)風(fēng)道基坑土方回填上行線隧道最大上浮為12.6mm上行線隧道最大上浮為9.82mm

根據(jù)圖6中既有隧道的豎向變形曲線，正負(fù)16 m范圍內(nèi)為風(fēng)道基坑施工范圍，從曲線圖可以看出，隧道的上浮變形沿縱向變主要發(fā)生在基坑區(qū)域內(nèi)，沿縱向向兩邊呈”正態(tài)分布曲線”形式向兩側(cè)衰減，影響范圍在沿基坑中心向兩側(cè)各36 m左右，基坑地連墻位置處隧道變形曲率最大。在圖中右端隧道有約1 mm左右的上揚(yáng)是由于前期一旁的11號(hào)線車站基坑的施工造成的。

(a)上行線隧道豎向變形模擬曲線；(b)下行線隧道豎向變形模擬曲線圖6　既有隧道豎向變形-計(jì)算步曲線圖Fig.6 Vertical deformation curve of the simulation tunnel

4.3實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

施工期間采用測(cè)量機(jī)器人無接觸式自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)420 m長區(qū)段內(nèi)既有車站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括隧道結(jié)構(gòu)沉降、變形縫差異沉降、軌道結(jié)構(gòu)沉降等指標(biāo)，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。在地鐵夜間停運(yùn)天窗時(shí)間段，采用人工監(jiān)測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)通過軌檢車對(duì)地鐵線路進(jìn)行檢測(cè)，確保軌道幾何參數(shù)滿足安全運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)。通過提取既有隧道軌面測(cè)點(diǎn)的豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(見圖7～8)，對(duì)比4.2節(jié)中的隧道模擬位移，從變形趨勢(shì)和變形大小均相當(dāng)一致，從而驗(yàn)證了模擬的有效性。

圖7　上行線既有隧道實(shí)測(cè)沉降變形曲線Fig.7 Measured settlement curve of the existing tunnel

圖8　下行線既有隧道實(shí)測(cè)變形曲線Fig.8 Measured deformation curve of the down line

5　結(jié)論

1)既有地鐵隧道上方基坑施工，是一個(gè)多次“卸載—加載”的過程，下臥既有隧道呈現(xiàn)出明顯的變位疊加效應(yīng)。該疊加效應(yīng)與基坑群和既有隧道兩者之間的空間關(guān)系、地層條件、施工步序等有著直接關(guān)系。

2)隧道在基坑范圍內(nèi)變形較大，并沿縱向向兩側(cè)遞減，在基坑兩端位置衰減較快，導(dǎo)致基坑兩端對(duì)應(yīng)的下臥隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的變形曲率，隧道襯砌結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)較大剪力，不利于隧道結(jié)構(gòu)安全，施工中應(yīng)加強(qiáng)該部位的監(jiān)控量測(cè)工作。

3)西風(fēng)井基坑開挖引起下臥隧道最大上浮變形量為10 mm，小于深圳市《深圳城市軌道交通地下工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的近接地鐵隧道施工最大上浮位移不能超過 15 mm的限值，表明現(xiàn)場采取的地層加固措施與土方開挖方案具有較好的技術(shù)效果，可供類似工程參考。

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Numerical analysis of the influence of the excavation ofexcavations upon and beside the existing tunnel

CHEN Siming1, OU Xuefeng2, HAN Xuefeng1, ZHANG Xuemin2, FENG Han2

(1. China Railway Construction Investment Group Co., Ltd.，Shenzhen 518055, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In this paper, the finite element software was used to conduct the three-dimensional simulation analysis for the construction of key protection area in Shenzhen Metro Line 11 Chegongmiao station. The excavations are designed upon and beside the No. 1 line interval tunnel. Through comparison with measured automatic monitoring data, the validity of the simulation was verified. By extracting the calculated results of the deformation of tunnel structure caused by construction of air duct, the deformation behavior of existing tunnel structure in this case was understood, and the affected key part of existing tunnels was given. The conclusions will be helpful for proposing the security protection measures in the process of the construction, and can provide beneficial reference for the similar projects in the future.

existing tunnel; foundation pit engineering; finite element method; automatic monitoring

2016-04-22

中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題(2012-19)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(53178505，51408067)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK24802)

歐雪峰(1990-)，男，湖北鐘祥人，博士，從事地下工程方面研究； E-mail：ouxuefeng@csu.edu.cn

TU91

A

1672-7029(2016)08-1585-08