況 瑋,孫子豪

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 350000;2.武漢輕工大學(xué) 土建學(xué)院,湖北 武漢 430023)

引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,各大中城市紛紛開發(fā)地下空間,而且發(fā)展速度很快[1-4]。以地鐵工程為例,北京、上海、廣州等多個(gè)城市已擁有多條地鐵,還有多條線路仍正在建設(shè)及規(guī)劃建設(shè)。與此同時(shí),地鐵建設(shè)熱潮已延伸至諸如溫州等眾多二三線城市。由于地鐵沿線的土地在地鐵開通后會(huì)成為黃金地段,后期工程建設(shè)將不可避免地上跨或臨近地鐵隧道,這會(huì)給地鐵的安全運(yùn)營(yíng)帶來嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。當(dāng)基坑上跨地鐵線路時(shí),由于基坑開挖的卸荷及對(duì)土體的擾動(dòng),會(huì)改變地鐵隧道原有的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng),甚至可能造成地鐵隧道管片及注漿體開裂、滲水等嚴(yán)重的安全事故[5]。因此,分析基坑開挖對(duì)下臥盾構(gòu)地鐵隧道影響,是工程建設(shè)中亟待解決的問題之一。

1 工程概況

本基坑開挖項(xiàng)目位于浙江省溫州市,該區(qū)域?qū)儆跊_海積平原區(qū)。沖海積平原區(qū)土體厚度大,普遍是發(fā)育淤泥質(zhì)粘土和淤泥,厚度在60m左右,具有滲透系數(shù)低、天然含水量高、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、排水緩慢、高壓縮性、易觸變性、強(qiáng)度低等特點(diǎn),工程性質(zhì)差,在其中進(jìn)行盾構(gòu)隧道和基坑開挖施工,工程風(fēng)險(xiǎn)大;同時(shí)軟土具有固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)和流變性顯著等特點(diǎn),在盾構(gòu)隧道上方進(jìn)行建筑施工活動(dòng)作用下,運(yùn)營(yíng)隧道會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期沉降和不均勻沉降問題,甚至引發(fā)安全事故。

2 數(shù)值分析

本基坑工程下臥存在一條已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的城市地鐵,該地鐵隧道施工采用盾構(gòu)方式,已知該隧道外徑為8m,下穿基坑正中央,基坑為方形基坑,采用盆式開挖,基坑開挖及隧道位置示意圖如圖1所示。第一階基坑尺寸為140×140×5m,第二階基坑尺寸為100×100×5m,模型的總尺寸為200×200×40m,第二階基坑底部距離隧道頂部距離為10m。隧道管片尺寸為管片厚度3,000mm,內(nèi)徑φ5,400mm,環(huán)寬為1,500mm,示意圖如圖2所示。

圖1 基坑開挖及隧道位置示意圖

圖2 盾構(gòu)隧道管片示意圖

2.1 網(wǎng)格劃分

土體采用線性六面體單元,隧道管片采用殼單元,網(wǎng)格劃分如圖3所示,單元數(shù)共有1,726,384個(gè)。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 基本理論

Kerr地基模型如圖4所示,根據(jù)Kerr地基模型理論知,隧道變形ω(x)滿足:

圖4 Kerr地基模型

ω(x)=ω1(x)+ω2(x)

(1)

式中:ω1(x)為上層彈簧的變形量。利用兩層彈簧的受力特性得到:

p1(x)=cω1(x)=c[ω(x)-ω2(x)]

(2)

p2(x)=kω2(x)

(3)

式中:p1(x)為隧道下方彈簧反力、p2(x)為剪切層下方彈簧反力。

對(duì)于剪切層受力特性有:

(4)

將式(2)-(4)合并可得:

(5)

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí),ω(x)滿足曲率方程:

(6)

式中:M為隧道受到的彎矩、E為隧道結(jié)構(gòu)彈性模量、I為隧道橫截面慣性矩。

模型剪切層滿足:

(7)

式中:Ms為剪切層彎矩。

結(jié)合(5)-(7),可得:

(8)

式(8)為6階平衡微分方程,是將隧道簡(jiǎn)化成Euler-Bernoulli梁擱置在Kerr地基模型上的控制方程。

2.3 計(jì)算參數(shù)

模擬過程中土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道管片的力學(xué)參數(shù),如表2所示。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道管片力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 模型驗(yàn)證

本項(xiàng)目模擬涉及到隧道的管片數(shù)為133個(gè),因此,沿隧道長(zhǎng)度方向布設(shè)133個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面使用靜態(tài)水平儀監(jiān)測(cè)基坑施工對(duì)管片隆起的影響。地鐵盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)布置圖如圖5所示。為了驗(yàn)證所建三維模型的有效性,選定管片67在不同施工階段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出盾構(gòu)隧道管片頂部隆起的監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,這說明本文所建的三維模型是有效的。

圖5 隧道頂板監(jiān)測(cè)斷面布置圖

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)基坑開挖工藝,基坑分為四次開挖。第一次開挖面積140×140m,開挖深度為3m;第二次開挖面積140×140m,開挖深度為2;第三次開挖面積為100×100m,開挖深度為3m;第四次開挖面積為100×100m,開挖深度為2m。開挖后管片頂板隆起位移與管片環(huán)數(shù)變化關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出隧道管片頂板隆起位移呈現(xiàn)中間高,兩邊低且對(duì)稱分布,這符合正態(tài)分布規(guī)律。從圖7還可以發(fā)現(xiàn)。盾構(gòu)地鐵隧道管片隆起大致可以分為二個(gè)階段:

圖7 施工過程中管片隆起量隨管片環(huán)號(hào)變化曲線圖

階段Ⅰ:該階段為基坑第一次和第二次開挖階段對(duì)應(yīng)著第一層開挖,歷時(shí)4個(gè)月。在這個(gè)時(shí)段內(nèi)隧道隆起雖略有波動(dòng),但比較穩(wěn)定。這說明開挖5m的卸荷區(qū)域沒有發(fā)展到管片頂板的范圍內(nèi),管片受到擾動(dòng)影響很小。

階段Ⅱ:為第三次和第四次開挖對(duì)應(yīng)著第二層開挖,該階段歷時(shí)3個(gè)月。該階段隨著基坑開挖深度的變大,隧道管片頂部隆起逐漸變大,隧道管片隆起迅速發(fā)展,可見這個(gè)階段是盾構(gòu)隧道頂板隆起的主要來源。

模擬管片共133個(gè),最大隆起位移均發(fā)生在管片67處。隨著基坑開挖深度的增大,地鐵盾構(gòu)隧道管片隆起位移從1.6mm逐漸增大到9.2mm,從管片頂板隆起位移值可以看出,隧道總體而言是穩(wěn)定的。隧道管片在距離中心點(diǎn)±70m外,頂板隆起變形幾乎為0,這說明距離中心點(diǎn)±70m外的管片不受影響。

此外,從曲線形狀還可以看出第一層開挖管片隆起應(yīng)變速率變化較緩,這說明地層開挖時(shí)隧道受到的擾動(dòng)較小。第二層開挖時(shí),管片隆起應(yīng)變速率變化較陡,這說明第二層開挖時(shí)隧道已經(jīng)受到很大的擾動(dòng)了。由于隧道穿越地基模量較小的軟土地區(qū),且變形速率呈非線性關(guān)系,因此,要通過注漿等措施適當(dāng)增加地鐵隧道的安全性。

4 結(jié)論

通過基坑開挖對(duì)軟土盾構(gòu)隧道管片隆起變形規(guī)律進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:

4.1 基坑開挖導(dǎo)致下臥地鐵盾構(gòu)隧道管片豎向變形呈正態(tài)分布,其最大隆起位移發(fā)生在基坑中部,距離基坑中心越遠(yuǎn)的管片變形越小。

4.2 在其他條件相同的情況下,盾構(gòu)隧道管片隆起位移隨著開挖深度增加,變形速率呈非線性關(guān)系,且這種趨勢(shì)是非收斂的,因此,在軟土地層中進(jìn)行基坑開挖要對(duì)地層進(jìn)行適當(dāng)加固。