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基坑卸荷引起下卧既有地铁隧道竖向变形的规律研究*

2022-06-18王晓华贾文彪张凤鸣

施工技术(中英文) 2022年10期
关键词:卸荷形状基坑

王晓华,贾文彪,刘 林,张凤鸣

(1.中铁一局集团建筑安装工程有限公司,陕西 西安 710054; 2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)

0 引言

随着城市车辆的增多,为有效克服出行拥堵,越来越多的城市陆续开通了轨道交通线路。据统计,截至2020年底,全球已有538座城市开通了超过3万km的城市轨道交通线路,其中地铁占53%;国内也有45个城市开通了约8 000km城市轨道交通线路,其中运营地铁里程超过6 300km[1]。由于沿线的土地规划总是滞后于地铁线路,地铁开通后该区域成为黄金开发地段,因而运营地铁会不可避免地受到新建工程的影响。另一方面随着地下空间的不断开发与利用,除了地铁线路,还有地下通道、综合管廊、地下室、人防工程等的涌现,基坑工程具有规模大、开挖深度深、周边环境复杂等特点[2]。在日益复杂的环境下,地下工程建设给建设单位带来了新的挑战。不少学者对该领域展开了研究,并取得研究成果。

李志高等[3]通过分析工程现场实测数据,总结了基坑开挖导致下卧隧道的纵向变形规律,并在考虑基坑开挖时空效应的基础上,推导出隧道隆起变形的经验预测方法。Ye 等[4]研究了开挖对邻近地铁隧道变形的影响。魏纲等[5]统计分析了国内14个基坑上跨既有隧道工程的变形实测数据,发现60%以上的隧道最大竖向位移超过警戒值(10mm),最终通过数据拟合,得到隧道最大隆起量的经验计算公式。郭鹏飞等[6]统计了39例类似工程,并分类总结隧道纵向最大隆起变形与基坑面积、基坑开挖深度、基坑形状系数等因素的关系,通过拟合曲线得到不同土质地区隧道最大隆起位移的经验预测公式。温科伟等[7],黄戡等[8],岳云鹏等[9]为研究基坑降水的影响,建立考虑流固耦合的三维有限元数值模型,分析不同工况下基坑开挖对围护结构及邻近地铁隧道的变形影响。Lu等[10]以北京地铁区间隧道为背景,采用现有的地下水位上升数值模拟方法,对与既有隧道相适应的均质土层进行数值模拟。张强等[11]对注浆上方开挖卸荷引起的既有地铁隧道竖向变形进行分析研究。本文将结合实测数据和数值计算,对该工程问题进行深入研究,相互验证,以保证研究结果的正确性。

1 理论分析

1.1 基坑开挖对下卧既有地铁隧道变形影响机理

基坑开挖是一个复杂的过程,目前关于这类问题的分析也较粗略[12]。隧道变形主要是基坑底面的土方卸荷产生回弹,进而导致隧道向上隆起,基坑中心位置处隧道位移最大,沿轴线方向变形曲线呈正态分布。

1.2 影响隧道变形的主要因素

基坑开挖导致既有地铁隧道变形是一个多因素耦合的作用,通过阅读大量相关文献,总结出影响既有隧道变形的主要因素有:土层性质、隧道结构力学参数、基坑尺寸、隧道与基坑的相对位置关系、加固措施、开挖时空效应、水文地质等。

2 实例统计与分析

查阅文献,收集国内24个类似基坑上跨既有地铁隧道施工案例[13],通过对实测数据进行整理归纳,研究基坑开挖卸荷下各因素对既有地铁隧道竖向变形的影响,具体实例统计如表1所示。

表1 实例统计

2.1 土层性质对既有隧道变形的影响

郭鹏飞等[14]将最大隆起位移Smax与基坑开挖深度H的比值定义为隆起率,代表单位开挖深度隧道的变形量。本节收集的案例中,粉砂地区隆起率为0.04%~0.24%,平均值为0.11%;砾质土地区隆起率为0.06%~0.21%,平均值为0.11%;软土地区(软土、淤泥质黏土)隆起率为0.07%~1.28%,平均值为0.36%。

2.2 基坑形状系数对既有隧道变形的影响

郭鹏飞等[14]引入了基坑的形状系数α:

(1)

式中:a为基坑长度(m);b为基坑宽度(m)。

对于粉砂土地区,隧道隆起位移与形状系数的比值为0.6~2.4,均值1.6。粉砂土地区基坑形状系数与隧道隆起率关系如图1所示,从拟合结果来看,两者之间存在显著的正相关关系。

图1 粉砂土地区基坑形状系数与隧道隆起率关系

对于砾质土地区,隧道隆起位移与形状系数的比值为0.6~2.2。砾质土地区基坑形状系数与隧道隆起率关系如图2所示。相对于粉砂土地区而言,所收集案例中砾质土地区点较分散,拟合结果不理想,但不难看出两者间存在一定的正相关关系。

图2 砾质土地区基坑形状系数与隧道隆起率关系

对于软土地区,其隧道隆起位移与形状系数的比值为0.9~2.7。软土地区基坑形状系数与隧道隆起率关系如图3所示,相对于粉砂土地区和砾质土地区而言,所收集案例中软土地区的点分布较有规律,拟合结果较理想。

由图1~3可知,基坑形状系数与隧道隆起率具有明显的线性或非线性关系,隧道隆起率随着基坑形状系数的增大而增大,即正方形基坑引起隧道的隆起率大于长方形基坑。

2.3 基坑卸荷比对既有隧道变形的影响

魏纲[15]将基坑开挖深度H与隧道顶部埋深Z0的比值定义为基坑卸荷比N,工程实践表明,卸荷比是影响隧道隆起变形的重要因素之一。在郭鹏飞等[14]的基础上,通过对基坑开挖面积A取对数,将Smax/lgA/α作为因变量(此处定义为单位面积隆起M),基坑卸荷比N为自变量,进行统计分析。

对于粉砂土地区,仅从本文所收集的案例,较难直接看出粉砂土地区隧道单位面积隆起M与基坑卸荷比N的关系。而砾质土地区,其基坑卸荷比为0.55~0.72,隧道单位面积隆起M与基坑卸荷比N的比值为3.6~11.4。砾质土地区基坑卸荷比与隧道单位面积隆起的关系如图4所示。

图4 砾质土地区基坑卸荷比与隧道单位面积隆起关系

对于软土地区,其有效基坑卸荷比为0.58~0.69,隧道单位面积隆起与基坑卸荷比的比值为4.0~9.4,均值为7.2,软土地区基坑卸荷比与隧道单位面积隆起的关系如图5所示,相较前2种土质,软土地区的拟合结果更理想。

图5 软土地区基坑卸荷比与隧道单位面积隆起关系

由图4,5可知,基坑卸荷比与单位面积隆起间存在一定的正相关关系,基坑开挖深度越大,隧道埋深越浅,卸荷比越大,隧道的竖向位移越大,即隧道的竖向单位面积隆起率随着基坑卸荷比的增大而增大。

2.4 开挖面积对既有隧道变形的影响

张俊峰[16]对隧道最大隆起位移与基坑开挖面积间的关系进行了数值模拟研究,结果表明隧道隆起位移随基坑开挖面积的增大而增大。对本文收集案例中的实测数据进行统计,得到不同土质地区隧道最大隆起率与基坑开挖面积(自变量取lgA)的拟合结果,如图6所示。由图6可知,虽然各点分布较离散,但从有效点的拟合结果可看出,隧道的隆起变形随开挖面积的增大而增大。

图6 不同土质地区开挖面积与隧道隆起率的关系

3 案例分析

3.1 工程概况

西安地铁6号线换乘通道四期工程上跨地铁2号线,基坑平面为异形,开挖深度约9m,基坑长约34m,宽约13m,基坑围护采用围护桩+混凝土支撑,围护结构埋深10.4m,沿开挖深度范围内设置2道支撑,分别位于-1,-5.4m处。地铁2号线隧道埋深为12m,隧道顶部距基坑底最小距离为3.1m,隧道与基坑长边夹角为90°,其位置关系如图7所示。

图7 基坑与隧道位置关系

3.2 数值模拟结果分析

隧道竖向变形如图8所示。由图8可知,工况1开挖第1层土体时(开挖1m),由于围护结构、搅拌桩等工况的施工,导致隧道发生下沉,而土方开挖引起隧道隆起,因此隧道的竖向位移几乎为0;工况2开挖第2层土体时(开挖4.4m),隧道位移增加7.2mm,约占最大竖向位移的91.1%;工况3开挖第3层土体时(开挖2.76m),隧道位移增加0.7mm,约占最大竖向位移的8.9%。

图8 隧道竖向变形云图(单位:m)

沿隧道轴线方向建立路径,提取隧道顶部的最大竖向位移,其变形曲线如图9所示。由图9可知,隧道竖向位移呈抛物线形,在基坑土方开挖完成时隧道位移达到最大,且隧道竖向位移与距隧道中心的距离有明显关系,在隧道中心下方隧道位移达到最大,随着距隧道中心距离的增大,竖向位移逐渐减小并趋于稳定。

图9 隧道竖向位移曲线

3.3 基坑开挖对下卧隧道变形影响的主要因素分析

分析单因素对隧道变形的影响时,在保证其他因素一致的前提下,再通过有限元模拟分析其对隧道最大竖向位移的影响,隧道竖向位移均取基坑开挖到底层时的变形量。

3.3.1基坑形状系数

在基坑开挖面积(900m2)、开挖深度(8m)、隧道埋深(12m)相同的情况下,选取基坑尺寸(长×宽)为20m×45m,30m×30m,45m×20m进行分析,不同基坑形状下隧道竖向隆起变形曲线如图10所示。由图10可知,不同基坑形状系数下,隧道的竖向变形曲线趋势一致,最大位移均发生在隧道中心位置下,从隧道的最大隆起位移来看,α30×30>α45×20>α20×45,即基坑平面尺寸为正方形时隧道的变形量最大。

图10 不同基坑形状下隧道竖向隆起变形曲线

3.3.2基坑开挖深度

在基坑形状(30m×30m)、开挖面积(900m2)、隧道顶部距基坑底的距离(4m)相同的情况下,选取基坑开挖深度分别为6,8,10,12m等工况建立模型进行分析,不同开挖深度下隧道竖向隆起变形曲线如图11所示,不同开挖深度下隧道最大隆起位移曲线如图12所示。

图11 不同开挖深度下隧道竖向隆起变形曲线

图12 不同开挖深度下隧道最大隆起位移曲线

由图11,12可知,隧道最大位移随基坑开挖深度的增加而增大,开挖深度为6,8,10,12m时隧道的最大位移为7.1,9.9,13.5,16.5mm。最大位移呈线性增加,若不采取其他加固措施,随着开挖深度的增加,隧道的变形量将会超过变形控制值,从而影响运营地铁的安全。

3.3.3基坑开挖面积

在基坑形状(长方形)、开挖深度(8m)、隧道顶部距基坑底的距离(4m)相同的情况下,以基坑长度不变,改变基坑宽度来分析基坑开挖面积对隧道变形的影响。选取基坑开挖面积分别为25m×30m(5D,D为隧道直径),25m×36m(6D),25m×48m(8D),25m×60m(10D)进行分析,不同开挖面积下隧道竖向隆起变形曲线如图13所示,不同开挖面积下隧道最大隆起位移变化曲线如图14所示。

图13 不同开挖面积下隧道竖向隆起变形曲线

图14 不同开挖面积下隧道最大隆起位移曲线

由图13,14可知,基坑开挖宽度由5D增加到6D时,隧道最大位移由10.9mm增加到13.2mm,呈线性增加趋势;由6D增加到10D时,隧道最大位移增加速度逐渐减缓,最大位移值趋于稳定,不再随开挖宽度的增加而有所变化。

3.3.4隧道顶部埋深

在基坑形状(30m×30m)、开挖深度(8m)相同的情况下,选取隧道顶部埋深Z0分别为3(0.5D),6(1D),9(1.5D),12(2D)m进行分析,不同Z0值下隧道竖向隆起变形曲线如图15所示,不同Z0值下隧道最大隆起位移曲线如图16所示。

图15 不同Z0值下隧道竖向隆起变形曲线

图16 不同Z0值下隧道最大隆起位移曲线

由图15,16可知,隧道竖向变形值随隧道顶部到基坑底距离的增大而减小,当Z0由3m增大至6m时,隧道最大位移从13.4mm减为8.1mm,减小了40%;由6m增大至9m时,隧道最大位移变为5.6mm,减小了31%;再由9m增大至12m时隧道最大位移为4.5mm,减小了19%。随着Z0的增加,隧道隆起位移逐渐减小,且位移的变化速率越来越小。

4 结语

1)统计24个类似工程实例,隧道的最大隆起变形为3.2~20.5mm,拟合不同土质地区隧道变形与不同影响因素的关系曲线,结果表明,隧道的竖向位移与基坑形状系数、卸荷比、开挖面积等存在密切的正相关关系。

2)基坑开挖导致下卧地铁隧道的竖向变形呈正态分布,且在隧道中心下方变形量达到最大,距隧道中心越远变形越小,在3倍开挖深度范围以外变形量趋于0。

3)在其他条件相同的情况下,隧道竖向位移随基坑形状系数的增大而增大,随基坑开挖深度的增大呈线性增加趋势,随基坑开挖面积的增大而增大且逐渐趋于稳定,随隧道顶部到基坑底距离的增大而减小。

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