基坑开挖对邻近既有隧道结构安全性的影响
基坑开挖对邻近既有隧道结构安全性的影响 基坑开挖对邻近既有隧道结构安全性的影响
左 方
(天津市勘察院, 天津 300191)
摘 要:天津黄河医院三期项目,深度超过5 m,紧邻天津市地铁二号线。基于该基坑的施工过程,使用有限元软件MIDAS/GTS进行数值模拟,评估该项目基坑工程对地铁二号线区间结构安全性的影响。结果表明,基坑周围土体和地铁隧道管片的位移随着土体开挖过程而增大,而受楼面载荷的影响较小。此外,地铁隧道管片的竖向位移主要受基坑降水影响,其轴力和弯矩在施工过程中保持稳定,裂缝验算结果在允许范围内。研究成果可以为该项目工程影响评估提供有效的参考依据。
关键词:基坑;地铁隧道;管片;数值模拟;影响评估
随着城市建设的不断发展,既有地铁隧道邻侧或者上方进行建筑施工的活动日益增多。其中,基坑工程对地铁隧道的影响最为突出。基坑工程对邻近地铁隧道的影响主要表现在引起后者的变形,严重时还将引起隧道结构的破坏,威胁到地铁的安全运行。因此,针对基坑开挖对地铁隧道结构安全性影响进行评估具有很重要的工程实际意义。
目前,国内一些研究人员已经就基坑对邻近隧道结构安全性影响这一工程问题进行了研究。分析了不同结构变形模式对既有隧道变形影响的分析,总结得出悬臂式模式对坑外隧道影响范围最小[1-2]。利用数值模拟分析的手段分析了多排桩防护基坑对既有地铁隧道的变形影响,总结了多排桩围护结构和地铁隧道结构变形规律和影响因素[3-6]。采用FLAC3D有限差分方法研究了基坑开挖对隧道变形影响的范围[7-9]。利用ABAQUS有限元软件分析了基坑开挖对下卧地铁的变形位移影响[10-12]。更多的研究人员分析了基坑开挖对邻侧地铁盾构隧道的影响[13-15]。总体来说,大多数分析过程都利用数值软件对实际工程情况进行模拟,然后综合模拟结果及实测数据,给出评价。由此可见,数值模拟在进行基坑开挖对邻侧地铁隧道安全性评价方面具有重要的作用。
本文以天津新建黄河医院三期项目基坑工程为实例,借助于有限元程序MIDAS/GTS进行数值模拟,分析了基坑第一次开挖、第二次开挖和施加楼面载荷后地铁管片结构的位移和受力状况。在这些结果基础上,结合相关规范,给出安全性影响评价。
1 工程概况
新建黄河医院三期项目,位于天津市南开区黄河道北与临潼路西交汇处,主要拟建项目为黄河医院三期10层,采用桩基础,设一层地下车库,基坑面积约2 356 m2,开挖深度5.5 m。整体采用卸土加水泥土重力挡墙,西侧局部位置采用卸土加单排钻孔灌注桩的支护形式。工程场地周边环境复杂,东侧南侧邻路,南侧路面有盾构隧道。基坑水泥土搅拌桩外沿距地铁隧道最近处约18.86 m。地下水静止水位埋深1.2 m。基坑总体平面见图1。
图1 基坑平面示意图
2 影响分析及评估标准
2.1 影响分析
基坑开挖、坑内地下水疏干会对隧道结构产生影响,既有地铁区间结构内力发生变化,导致产生位移、变形等情况,严重时会产生裂缝、甚至结构破坏。根据重叠段落取最不利工况进行定性分析:
(1) 基坑开挖以后,卸载导致周边土体发生位移,隧道发生受力重分布,并伴随变形及位移。
(2) 开挖过程中,隧道衬砌会产生裂缝,但裂缝相对较小,可以满足结构裂缝要求。
2.2 评估标准
参考国内各地地铁保护相关规定及《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[16](CJJ/T202—2013),并结合国内类似工程经验,评估标准如下:
(1) 隧道结构不发生强度破坏,新增裂缝预警值为0.1 mm,控制值为0.2 mm。
(2) 隧道变形控制指标,见表1。
(3) 线路变形记轨道集合形态应满足地铁正常运营要求。
表1 区间隧道变形控制指标
特征值沉降/mm水平位移/mm差异沉降/%L累积值1060.02报警值54—变化速率/(mm·d-1)0.50.5—
3 基坑施工数值模拟
研究施工影响问题所采用的整体分析法,需要依靠专业的有限元软件才能进行。本次评估工作采用岩土与隧道领域专用分析软件MIDAS/GTS。
3.1 模型结构尺寸
根据实际情况,由于地铁2号线与该基坑工程基本平行,故只需选取距离最近的断面计算(即为最危险断面)即可,截取DK6+500处断面进行计算,建立二维平面模型,左边界距离基坑左侧取5倍基坑开挖深度,即27.5 m;右边界距离地铁2号线管片外侧取3倍洞径,本计算取20 m,深度隧道底取5倍洞径,总深度为50.7 m。
土体采用Mohr-Coulomb屈服准则,结构采用线弹性模型,水泥土搅拌桩采用32.5级矿渣硅酸盐水泥,水泥掺量为15%;地铁2号线管片C50混凝土,考虑纵向刚度,折减0.7。结构参数见表2,土体物理力学参数见表3。
表2 结构参数
材料号弹性模量Es/MPa泊松比μ重度γ/(kN·m-3)水泥土搅拌桩4000.222C5032500×0.70.225
表3 土层物理力学参数
土层编号及名称重度/(kN·m-3)变形模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)层厚/m渗透系数垂直水平 1素填土18.316.680.3512.010.02.25—— 2黏性土18.817.880.3518.08.61.306.1×10-81.0×10-8 3粉质黏土20.033.120.3514.614.12.501.6×10-83.7×10-8 4粉土19.325.760.3011.427.24.503.8×10-64.5×10-5 5粉质黏土19.720.560.3511.320.33.203.4×10-62.7×10-6 6粉质黏土20.020.560.3515.115.912.303.6×10-78.5×10-8
3.2 模型建立
建模时土体选用二维平面单元,有限元模型如图2所示。采用位移边界条件,土体模型的顶面为自由边界,底面为竖向约束,四周侧面为法向约束。抗浮设计水位为大沽高程+2.0 m,此水位为初始水头,基坑开挖的水头选在基坑底0.5 m位置。
图2 计算模型示意图
3.3 施工过程模拟
(1) 初始渗流平衡。首先建立初始渗流场。在模型边界加入初始水头,在基坑底部加入第二水头,模拟土层实际渗流过程。
(2) 初始地应力平衡。首先建立初始自重应力场,平衡初始地应力。模型中第一阶段为土体为开挖的初始阶段,计算出土体在自重的作用下的位移场和应力场,通过MIDAS/GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移,并构造初始应力场。
(3) 开挖过程模拟。第一步开挖至地下2 m,待做完护坡,桩头处理好后,进行第二步开挖,本次开挖直接到基坑底部。土体开挖通过钝化和激活单元实现。
(4) 高层建筑施工模拟。本次计算不模拟高层建筑施工,只在基坑底部施加均布楼面荷载,荷载大小为150 kN/m(相当于10层楼的荷载)。
4 数值模拟结果分析
4.1 基坑降水后渗流场变化
基坑降水后,土体总水头如图3所示。由图3可得,左侧隧道附近水位下降约0.5 m~1.0 m,右侧隧道附近水位下降约0.0 m~0.5 m。
图3 基坑降水后总水头
4.2 基坑第一次开挖
基坑第一次开挖以后,基坑内土体及地铁隧道管片结构变形如图4和图5所示。从图4、图5中可看出,由于基坑的开挖引起卸荷,基坑内土体产生隆起,竖直方向最大隆起量约5.60 mm。基坑两侧围护桩向着坑内方向发生位移,最大水平位移量为0.99 mm。地铁区间管片衬砌结构,由于基坑内土体的卸荷,管片结构朝着基坑方向移动,以水平向位移为主,其中以靠近基坑侧的地铁左线管片结构位移最大,最大水平位移为-0.47 mm,出现在左线管片结构的左方。由于降水的影响,地铁区间范围内地下水位下降,管片结构以上有效应力增大,故管片上部位移方向向下,最大竖向位移为-0.13 mm。
图4 基坑第一次开挖土体水平和竖向位移云图
图5 基坑第一次开挖管片水平和竖向位移云图
4.3 基坑第二次开挖
基坑第二次开挖以后,基坑内土体及地铁隧道管片结构变形如图6和图7所示。从图6、图7中可看出,由于基坑的继续开挖,基坑内土体继续向上产生隆起,竖直方向最大隆起量约8.30 mm(较上次增加48%)。基坑两侧围护桩继续向着坑内方向发生位移,最大水平位移量为1.42 mm(较上次增加112%)。地铁区间管片衬砌结构,由于基坑内土体的继续卸荷,管片结构朝着基坑方向移动,以水平向位移为主,其中以靠近基坑侧的地铁左线管片结构位移最大,最大水平位移为-1.14 mm(较上次增加142%),出现在左线管片结构的左方。由于降水的影响,地铁区间范围内地下水位下降,管片结构以上有效应力增大,故管片上部位移方向向下,最大竖向位移为-0.44 mm(较上次增加238%)。
图6 基坑第二次开挖土体水平和竖向位移云图
图7 基坑第二次开挖管片水平和竖向位移云图
4.4 施加楼面荷载
基坑开挖结束后,在坑底施加楼面荷载。施加楼面荷载后基坑内土体及地铁隧道管片结构变形如图8和图9所示。从图8、图9中可看出,由于基坑底施加楼面荷载,抵消了土体向上的位移,基坑内土体向上隆起值较上一步减小,为8.00 mm(较上次减少5%)。同样,由于施加楼面荷载,导致两侧围护桩向坑内的位移量减小,最大水平位移量为1.40 mm(较上次减少2%)。地铁区间管片衬砌结构,管片结构朝基坑方向移动,水平位移较上次基本没有变化,其中以靠近基坑侧的地铁左线管片结构位移最大,最大水平位移为-1.13 mm,出现在左线管片结构的左方。由于在基坑内施加楼面荷载,由于该建筑位于基坑中部,距离隧道较远,故对隧道管片结构的位移影响不大,竖向位移较上次基本没有变化,管片上部位移方向向下,最大竖向位移为-0.44 mm。
图8 基坑施加楼面荷载土体水平和竖向位移云图
图9 基坑施加楼面荷载地铁管片水平和竖向位移云图
4.5 盾构管片弯矩、轴力变化情况
工况各个盾构管片的弯矩、轴力变化情况如图10和图11所示。从图10、图11可以看到,在施工过程中盾构管片的弯矩、轴力未发生明显变化。
图10 施工过程中地铁管片结构轴力图
4.6 计算结论
(1) 位移验算。统计上述模拟过程中得到的各个位移量如表4所示。
图11 施工过程中地铁管片结构弯矩图
表4 计算结果统计表
工况坑内土体竖向位移值/mm围护桩水平位移值/mm管片水平位移值/mm管片竖向位移值/mm第一步开挖 5.6-0.99-0.47-0.13第二步开挖 8.3-1.42-1.14-0.44施加楼面荷载8.0-1.40-1.13-0.44
表4中坑内土体竖向位移值正号表示向上移动,围护桩水平位移值负号表示向基坑移动。参照表1规定,表4计算结果表明,管片水平和竖向位移值均在允许范围内。
(2) 裂缝验算。各个工况盾构管片的弯矩、轴力及裂缝验算如表5所示。
表5 弯矩、轴力及裂缝验算统计表
工况轴力/kN弯矩/(kN·m)裂缝验算/mm第一步开挖 1073990.01第二步开挖 10721070.02施加楼面荷载10721070.02
参照标准,表5中的裂缝验算最大值为0.02 mm,在允许范围之内。
5 结 论
本文以天津新建黄河医院三期项目基坑工程为实例,介绍了基坑开挖对邻近隧道的影响分析和评估标准,利用有限元软件计算,通过对各个工况条件下,土体的水平和竖向位移、隧道管片水平和竖向位移以及隧道管片的轴力和弯矩的分析,得到以下结论:
(1) 由于开挖卸荷,基坑内土体向上隆起,两侧土体向基坑内侧移动,隧道管片以水平位移为主,最大水平位移在左线管片左侧。
(2) 随着基坑的逐次开挖,土体和隧道管片的位移量明显增大;楼面载荷对土体和隧道管片的位移量基本没有影响。整个施工过程中,土体和管片的位移量都在允许范围之内。
(3) 隧道沉降主要是由于基坑降水,地铁范围内地下水位下降,管片以上结构有效应力增大所致。因此,控制基坑降水对控制隧道沉降起到重要作用。
(4) 隧道管片的轴力和扭矩在施工过程中总体维持稳定,裂缝验算在允许范围之内。
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Effect of Excavation of Foundation Pits on Structure Safety of Adjacent Metro Tunnels
ZUO Fang
(Tianjin Institute of Geotechnical Investigation and Surveying, Tianjin 300191, China)
Abstract:The depth of the dip in the third phase engineering project of Huanghe Hospital that adjoining Tianjin Metro Line 2 exceeds 5m. Based on the procedure of this engineering, the finite element method software Midas/GTS was adopted for numerical simulation aiming at conducting assessment on the effect of excavation of dip on the structure safety of Metro Line 2. The results indicates that the displacement of soils around the dip and the tunnel segments increase as the excavation proceeding but are not sensitive to the loading representing the architecture. Besides the vertical displacement of tunnel segments is dominated by excavation perviousness. Furthermore as the axial force and bending moment of the segments change little during the whole process, the results of crack checking is in a permissible range. The conclusion can provide effective reference for the construction influence assessment.
Keywords:foundation pit; metro tunnel; segment; numerical simulation; influence assessment
DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.020
收稿日期:2016-12-07
修稿日期:2017-01-10
作者简介:左 方(1986—),男,天津人,助理工程师,主要从事基坑变形监测方面的工作。 E-mail:[email protected]
中图分类号:TU441+.6
文献标识码:A
文章编号:1672—1144(2017)02—0105—06