地铁隧道结构监测与安全评估综合研究

2019-10-28苏涛

铁道勘察 2019年5期

关键词：右线监测点基坑

苏涛

(沈阳地铁集团有限公司,辽宁沈阳 110011)

随着社会的高速发展,地铁不仅为人们提供了更加便捷的出行方式,也成为城市发展的重要标志。如何有效地预测地铁变形并及时采取有效的控制措施成为了研究的重点。

以沈阳某临近运营地铁的基坑施工项目为例,研究安全评估及结构监测在地铁运营过程中起所起的重要作用。

1 项目概述

某基坑项目位于沈阳地铁一号线重工街站-启工街站区间南侧,基坑长约48 m,深约11.5 m,其边缘与区间结构水平净距为11.5 ～13.8 m,位于沈阳市地铁运营保护区内。为确保地铁运营安全,需对既有地铁隧道进行安全评估和保护监测[1]。基坑与地铁隧道关系如图1。

图1 基坑与地铁隧道平面关系

2 安全评估模型分析

2.1 基坑设计参数

基坑的支护方式为“钻孔灌注桩+锚索”,钻孔灌注桩直径为0.6 m,间距为1.0 m,混凝土强度为C25,钢筋混凝土保护层厚70 mm;锚索钻孔直径为0.15 m,锚固体为P. O 42.5 级或以上标号水泥砂浆,水灰比为0.5 ～0.55;杆体材料为1 860 MPa的钢绞线。桩间挂设钢丝网,喷射50 mm 厚C20 细石混凝土。基坑边2.0 m 范围内,堆载不允许超过10 kPa。基坑与地铁隧道剖面关系如图2。

2.2 计算范围

本次安全评估采用三维计算模型(基于基坑工程临近地铁隧道侧剖面建立[2]),横向范围取52 m;竖向范围:上取至地面,下取至地面以下58 m。共划分为13 274万个单元,20 494万个节点。计算模型如图3 所示。

图3 计算模型

模型的上表面为地表(自由边界),其余各外表面均约束(法线方向)。

图2 基坑与地铁隧道剖面关系(单位:mm,高程单位:m)

2.3 计算参数

围岩物性参数与结构参数如表1、表2 所示。

表1 围岩物性参数

表2 结构参数

2.4 评估方法

基于Midas/GTS 岩土和隧道结构专用分析系统,根据mohr-coulomb 屈服准则[34],采用地层—结构模型模拟分析基坑施工引起的地铁区间变形[56],评估区间线路轨道结构的安全性,并根据行车安全的要求,综合各种影响因素,提出施工及监控量测建议。

2.5 计算假定

(1)既有地铁结构内力依据原设计标准进行计算分析,施工期间仅考虑正常使用工况,不考虑地震、人防工况;

(2)假定既有地铁结构为线弹性材料;

(3)假定新建结构、既有地铁结构及土体之间符合变形协调原则[7];

(4)通过刚度等效的方法,将既有地铁结构等效为一种同刚度材料[8];

(5)假定基坑降水至设计高程下1 m,并保证其他施工处于正常的控制条件下。

2.6 基坑开挖施工模拟

根据基坑支护设计,首先施作围护桩,之后的施工顺序为:①开挖第一层土(开挖深度至2.2 m),施工第一道支撑(锚索+喷混+钢筋网);②开挖第二层土(开挖深度至4.7 m),施工第二道支撑(锚索+喷混+钢筋网);③开挖第三层土(开挖深度至6.7 m),施工第三道支撑(锚索+喷混+钢筋网);④开挖第四层土,挖至设计基底。施工模拟见图4。

2.7 三维模型计算分析

图4 基坑开挖至底层

根据设计、施工步骤,分阶段模拟计算基坑、隧道、轨道道床的三维变形[9]。以下展示隧道及轨道道床三维变形计算。

(1)水平位移计算结果

图5、图6 为隧道衬砌、轨道道床不同位置的水平变形情况,其中负值表示向基坑内偏移。

图5 第四步开挖后隧道衬砌水平位移

图6 第四步开挖后轨道道床水平位移

由图5 可以看出,基坑开挖完成后,左侧隧道衬砌变形量远大于右侧,其中左侧隧道变形量为-5.27 ～-3.52 mm,最大变形量位于隧道底部,最小变形量位于隧道顶部;右侧隧道变形量为-3.52 ～-2.47 mm,其最大、最小变形量对应部位与左线隧道一致。

由图6 可以看出,基坑开挖完成后,左线轨道道床变形量为-5.27 ～-3.92 mm,右线轨道道床变形量为-3.92 ～-3.12 mm,最大、最小变形量分别位于道床结构的顶部和底部。

(2)竖向位移计算

图7、图8 为隧道衬砌、轨道道床不同位置的竖向变形情况,负值表示沉降,正值表示隆起。

图7 第四步开挖后隧道衬砌竖向位移

图8 第四步开挖后轨道道床竖向位移

由图7 可以看出,基坑开挖完成后左线隧道衬砌呈隆起趋势,变形量为+1.79 ～+5.08 mm,左侧结构侧壁变形量远大于右侧,其隆起量最大位置为左侧结构侧壁的中心位置(离基坑最近位置)。右线隧道衬砌呈下沉趋势,沉降量为-2.45 ～-0.56 mm,其最大沉降量也在左侧结构侧壁的中心位置。

由图8 可以看出,基坑开挖完成后,左线轨道道床呈隆起趋势,隆起量为+1.74 ～+4.85 mm;右线轨道道床呈沉降趋势,沉降量为-2.25 ～-0.47 mm;最大隆起量和沉降量均位于道床结构的最左侧位置。

3 地铁保护监测

基坑开挖期间,对地铁隧道及轨道道床进行水平、竖向位移监测及轨道几何形态监测[10],沿隧道方向左右线按5 ～10 m 的间距各布置10 个监测断面,每个断面设置2 个隧道衬砌监测点、1 个道床监测点,监测点布置如图9 所示。图9 中,1 ～10 代表监测断面,每个断面布置3 个沉降监测点、1 个水平位移监测点,其监测点编号:L 代表左线,R 代表右线,LL 代表左线隧道结构左侧,LZ 代表左线道床,LR 代表左线隧道结构右侧,RL 代表右线隧道结构左侧,RZ 代表右线道床,RR代表右线隧道结构右侧。水平位移监测采用“自由设站+小角法”方案[1113],竖向位移采用二等水准测量方案[1415]。

4 监测结果分析

本次监测从2013 年12 月开始,于2014 年9 月结束,共监测34 期,根据各期监测数据,最终累计变化量统计如下(见表3)。

表3 累计监测值统计 mm

由表3 可以看出,在基坑施工期间,监测对象累计变形量均较小,地铁区间隧道基本处于稳定状态。

图9 监测点布置

4.1 水平位移分析

以各断面各期累计变形量统计数据制作时间-累计变形量曲线,如图10、图11 所示。

图10 左线隧道水平位移时间曲线

图11 右线隧道水平位移时间曲线

由图10、图11 可以看出,在基坑开挖初期,左、右线隧道结构水平位移监测点比较稳定,随着基坑开挖,隧道结构水平位移处于一个波动状态,波动范围为-2 ～+2 mm,随着基坑开挖至底部,监测点变形量收敛至-1 ～+1 mm。由监测点的最终收敛情况可以看出,基坑开挖期间,隧道结构的水平位移变形较小[16]。

4.2 竖向位移分析

根据各期监测结果,分别对左、右线轨道道床和隧道衬砌累计变形量进行统计,制作时间-累计沉降量曲线,如图12 ～图17 所示。

(1)道床竖向位移分析

由图12、图13 可以看出,在基坑开挖初期,左、右线轨道道床竖向位移变形较小,随着基坑开挖的深入,轨道道床竖向位移处于波动状态,范围为-2 ～+2 mm,大部分监测点呈沉降趋势,且监测点波动分散比较平均,随着基坑开挖至底部,左、右线道床竖向位移监测点均收敛至-1 ～+1 mm。从监测点收敛情况来看,大部分监测点处于隆起状态,且左线隧道隆起量整体大于右线隧道。

图12 左线道床结构竖向位移时间曲线

图13 右线道床结构竖向位移时间曲线

(2)隧道结构竖向位移分析

图14 左线隧道左侧结构竖向位移时间曲线

图15 左线隧道右侧结构竖向位移时间曲线

图16 右线隧道左侧结构竖向位移时间曲线

图17 右线隧道右侧结构竖向位移时间曲线

由图14 ～图17 可以看出,在基坑开挖初期,隧道结构竖向位移变形较小,随着基坑开挖的深入,整体呈波动状态,基坑开挖至底部后,整体呈收敛状态,与道床竖向位移变形规律基本一致。从最终收敛状态来看,左线隧道左侧结构、右线隧道左侧结构隆起量大于沉降量,左线隧道结构右侧和右线隧道右侧结构点位分散比较均匀,且最大沉降量稍大于最大隆起量。