基坑开挖卸载对下部地铁的作用分析

2012-10-25王希勇吕小军钱德玲白瑞雪

合肥工业大学学报（自然科学版） 2012年4期

陈震，王希勇，吕小军，钱德玲，白瑞雪

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.中国中铁四局集团，安徽合肥 230023）

我国大部分轨道交通深基坑采取的是地下连续墙或者排桩作为围护结构，明挖放坡开挖法作为一种非常经济快速的施工方法，在我国轨道交通深基坑施工中应用较少，缺乏相关的技术资料。随着越来越多地铁的建成通车，很多基坑工程位于已运行地铁隧道之上或两侧，基坑开挖过程其实是土体的卸荷过程，变形特性具有独特的规律［1］。基坑开挖土体卸荷必然引起周围地层移动，导致位移场和应力场的变化，严重威胁地铁安全，因此掌握基坑开挖过程中既有地铁隧道变形特性及内力分布是至关重要的［2－3］。由于基坑施工边界的复杂性，很难通过解析的方法来求解基坑开挖对地铁隧道的影响，数值方法则为这种问题的求解提供了有力的工具［4］。土与结构共同作用的三维有限元模型［5－6］能体现基坑开挖的时空效应，可适用于施工动态模拟，并在施工过程中可以作为信息反馈指导施工。

本文结合京沪高铁南京南站站前工程，利用弹塑性有限元和实际监测资料相结合的分析方法，构建了基坑放坡开挖法施工的数值模型。基于该数值模型，研究深基坑开挖对下卧地铁的应力应变影响机制，并根据实测资料分析了下卧地铁位移发展的趋势及原因。

1 工程概况

宁芜货线南京南站明挖段先行开工段位于雨花台区农花村，处于在建工程南京南站站房北广场范围，距站房北侧约200m，拟建场地位于长江高阶地区，剥蚀后形成岗地与坳谷地貌，地势略有起伏，坡度平缓，场地总体上呈西北高、东南低，地面标高9.15～19.00m，基坑放坡开挖阶段基坑深度在12.7～13.0m范围之内。

南京宁芜货线放坡开挖段在京沪高铁南京南站北广场正交上跨南京1、3号地铁线，宁芜货线隧道结构为地下一层结构，3、1号地铁线分别为地下二三层结构，其中1号线南延线已建成通车，3号线已完成初步设计，正处于施工图设计阶段。隧道与地铁3号线交点HCK21＋883.65处轨面标高为0.118m。1号线结构在与隧道相交点HCK21＋850和 HCK21＋900处轨面标高为－14.761m，与本隧道结构底净高差仅7.5m。

考虑基坑主要位于硬塑黏土和全、弱风化砂岩中，地质条件较好，设计采用1∶1.5分台阶放坡开挖至隧道结构底标高。

2 工程数值分析的几何建模

MIDAS／GTS的施工阶段分析采用的是累加模型，即对本阶段及上一个阶段的施工的分析结果都进行了累加，也就是说上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响到后续阶段的分析结果。

本文通过三维有限元程序GTS进行分析，莫尔－库仑模型采用了弹塑性理论，以便能较好地描述土体的破坏行为。根据实际基坑开挖施工工况将其抽象为数值分析所采用的施工步，再将所有的土体与结构物划分网格单元后，利用MIDAS／GTS软件提供的对计算单元进行“激活”与“钝化”的处理功能来定义这些网格的起始施工步和终止施工步，在分析时，程序则从初始施工阶段开始，按所定义的施工阶段分步进行分析，实现了动态施工全过程的模拟。

由于数值模拟方法和计算理论的限制，未能全部考虑基坑开挖卸荷的所有影响因素。针对主要的影响因素，在分析过程中对整个模型进行了假定与简化，并以此为基础研究了开挖卸载对下卧隧道隆起的影响规律。针对大面积卸荷，为便于计算，分析中对模型作以下假定：① 同一土层中土是均匀的、连续的；② 土是各向同性的，即在各个方向具有相同的物理性质。

在建模过程中既有隧道初喷混凝土采用板壳单元模拟，二次衬砌采用实体单元。该模型所采用的计算参数来自于京沪高铁南京南站北广场场区场地地质钻孔的资料，计算采用的土层参数见表1所列。

表1 计算采用的土层参数

根据概化后的地质模型，将数值模型相应地分成7层厚度不同的岩土体。模拟范围如下：

x方向80m（基坑中心线向左右各扩展40m），y方向64m，z方向55m（从地表向下扩展55m）。

根据地质模型、围护结构、基坑开挖和支撑的施工工序，对模型进行单元划分，共计19 231单元，三维计算模型如图1所示。

图1 三维计算模型

由于地铁1号线南延线开通运营时间不长，因此计算过程考虑了其开挖引起的应力变化。具体计算步骤如下：

（1）初始地应力。

（2）地铁1号线开挖；施工地铁1号线隧道喷射混凝土；施工地铁1号线二次衬砌，位移清零。

（3）开挖步骤1，土层为素填土。

（4）开挖步骤2，土层为硬塑粉质黏土。

（5）开挖步骤3，土层为软塑粉质黏土。

（6）开挖步骤4，土层为粉质黏土。

（7）开挖步骤5，土层为全风化钙泥质粉砂岩。

（8）开挖步骤6，土层为强风化钙泥质粉砂岩。

（9）开挖步骤7，土层为强风化钙泥质粉砂岩和弱风化钙泥质粉砂岩。

（10）开挖步骤8，土层为弱风化钙泥质粉砂岩。

（11）开挖至基坑底，土层为弱风化钙泥质粉砂岩。

（12）施工宁芜货线主体结构。

（12）回填。

完成所有开挖步骤后做完主体结构的计算模型如图2所示。

图2 开挖后做完主体结构的计算模型

3 三维数值模拟与实际监测对比分析

3.1 数值模拟结果

本工程地铁隧道在开挖基坑的正下方，上部基坑的开挖对下部地铁隧道带来一定的卸载作用，故地铁整体出现上浮现象，图3所示为基坑开挖后隧道竖向位移云图。从基坑开挖步骤来看，随着基坑的开挖，下部地铁累计产生的位移量逐渐增大，当基坑开挖到坑底时地铁隧道达到最不利情况。

图3 基坑开挖后隧道竖向位移云图

通过数值模拟可以发现随着基坑的不断开挖，基坑边坡发生一定程度的水平和竖向位移。基坑开挖卸载，坑底土层产生一定的回弹，下穿宁芜货线基坑的南京地铁1号线隧道会产生一定水平和竖向位移。但是因为宁芜货线基坑对下部地铁1号线而言为对称卸载，从而引起地铁1号线隧道水平方向上的位移量相对较小，竖向方向的位移量相对较大。

图4、图5所示为基坑开挖前后隧道周围土体应变云图。

图4 基坑开挖前隧道附近土体垂直于yy方向应变图

图5 基坑开挖后隧道附近土体垂直于yy方向应变图

当隧道变形超过一定的值时，容易对其正常运营产生影响。地铁对隧道的变形要求极其严格，绝对最大位移不能超过20mm，隧道回弹变形不超过15mm，隧道变形曲率半径必须大于15 000m，相对变形必须小于1／2 500［7］。如图3所示，隧道隆起沿纵向呈不均匀性，在基坑中心线底部隧道的隆起出现极值，达到了14.87mm，并且隆起位移由基坑中点向两边逐渐减小，位移最小值仅为0.92mm，低于地铁保护规范要求。

虽然地铁隧道局部结构刚度相对土层的刚度较大，但是相当长的一段隧道的整体变形刚度较小，基本上随周围土体的位移变化而变化，在小变形位移条件下，地铁1号线隧道变形与土体位移基本一致，因此可以用开挖后土体的位移变化来计算地铁隧道的变形。对比图4、图5发现在基坑开挖后隧道周围土体应力减小，隧道上部应变变化明显，隧道发生一定程度的上抬，隧道衬砌结构的变形基本以拉为主，拱部受拉明显。

3.2 实际变形监测值分析

根据工程的要求，对既有地铁隧道进行了拱顶隆起项目的监测，以控制既有地铁在上方基坑开挖过程中的变形，保证既有隧道的施工和结构安全，在沿地铁纵向上每10m设置1个监测断面，共监测100m范围内的变形情况。在基坑的大开挖期间以及雨水天气每天测2次，未开挖期间每天测1次，遇到特殊情况将适当提高观测频率。

通过对实测数据记录分析，得到了不同开挖条件下的地铁拱顶隆起量变化曲线，图6所示为基坑中心线正下方地铁拱顶隆起实测值。由图6可以看出，既有地铁拱顶上隆的速度在初期很快，最快达到1.5mm／d，在中间阶段是平缓的过渡，之后出现小幅缓慢隆升之后趋向平稳。历时曲线真实反映了在3个时期的开挖方式。在施工初期，由于基坑相对较深，未对基坑进行加固处理，而且在开始出土时，开挖速度相对较快，在短时间内完成了出土量的2／5，基坑开挖深度达到7～8m之多，这是造成早期隧道拱顶上隆快速变化的重要原因。另外一个重要的影响因素是降水的停止。由于基坑开挖的影响，在隧道两侧降水井作业没有及时完成，导致既有地铁外的地下水位回升，也导致了地铁上隆变形。初期的快速卸载导致了下卧地铁隧道的快速隆起，而在中期考虑到上隆位移较大，变化速度较快，而且碰到雨水天气，降低了开挖速度，并采取了一些地基加固措施。因此随着时间的推移，隆起位移发展速度明显降低，在停止出土期间，历时曲线出现了平缓的一段。在最后开挖阶段改变了出土方式，按照分层的开挖方式，控制出土速度，这样，虽然隆起位移出现了一定程度的上升，但与初期相比缓和了很多，隧道的上隆速率在1mm／d之内。历时曲线直接反映了不同开挖条件下卧地铁纵向变形情况。整个基坑开挖施工时间35d左右，由于采取了合理的开挖方式和一系列加固措施，坑底隆起变形基本稳定，同时也保证了下卧地铁的安全运行，由此可见基坑开挖卸荷的速度和方式是直接影响既有地铁变形的关键因素之一。

图6 测点310m处地铁拱顶隆起实测值

3.3 实际监测值与数值模拟值的对比

在基坑开挖过程中，放坡开挖这种方法卸荷面积大，卸荷量也大，不利于下部隧道的安全，是该工程的一个施工难点。将监测位移的最终拱顶隆起值与数值模拟的预测值进行对比，如图7所示。

图7 地铁拱顶隆起实测值与模拟值对比

由图7可见，数值模拟得到的基坑开挖施工所引起的地铁隧道隆起值与实测数据相比较大。原因主要在于本次数值模拟过程没有考虑到实际工程的一些加固措施。在实际工程中，采用了许多地基加固措施，比如通过降水使地基土固结，同时采取了分层分步开挖、掺入早强剂和压板等一系列措施来控制地铁隧道的位移，这些措施对于控制地铁隧道的变形都起到了积极的作用，故数值计算结果与实测结果相比较大。另外，地下结构复杂，尤其是地层结构多变使得地层参数的选择出现一定的偏差也可能引起与实测结果的偏差，因此数值模拟的结果在一定程度上具有随机性，不能精确地反应隧道变形值，在实际工程中，一定要注重现场实际监测，根据实际监测数据来指导工程施工。