长距离基坑大面积开挖对下方地铁隧道的影响分析
时间：2023-03-23 15:15:06 来源：千叶帆 本文已影响人
高 大，刘 阳，李贤东
(沈阳市市政工程设计研究院有限公司 沈阳市 110016)
地铁隧道上方基坑开挖将导致隧道上方大面积卸荷，土体卸荷对下方地铁隧道主要产生以下两个方面的影响：
(1)土体卸荷将导致基坑底部土层产生回弹变形。
(2)基坑两侧土体向基坑内发生位移，引起围护结构的水平变形，进而导致地铁隧道发生变形[1-5]。
为研究长距离基坑大面积开挖对下方地铁隧道的变形影响，结合沈阳长青街快速路南延工程，采用MIDAS-GTS-NX有限元软件对沈阳地铁十号线理张区间隧道上方快速路南延工程框构桥基坑开挖施工过程进行三维数值模拟，对地铁隧道的位移变化规律进行分析。
1.1 工程概况
理张区间盾构外径为6m，内径为5.4m；
衬砌管片宽度为1.2m，厚度为0.3m。线间距为15m；
区间隧道埋深为16.8m。框构桥基坑深4.5m，基坑底部距离区间隧道顶部约为12.4m。二者的相对位置关系详见图1、图2。
图1 平面位置关系图
图2 竖向位置关系图
1.2 工程地质
根据长青街快速路南延工程(远航中路-三环)勘察报告提供的数据，该地区土层自上到下分别为：杂填土、粉质粘土、砾砂，注浆加固区全部位于粉质粘土层内，区间隧道主要位于砾砂层内(图3)。
图3 地质剖面图
2.1 模型建立
Midas GTS NX是一款通用岩土有限元分析软件。在开发阶段通过几千种例题的计算，将其计算结果与理论值、及其他程序的计算结果进行了比较、验证，并在大量的工程项目上得到了运用。因此，使用Midas GTS NX软件进行得到的结果是可信的。
采用Midas GTS NX进行三维数值模拟，见图4。土层本构模型为修正莫尔库伦准则。区间隧道管片、围护桩和框构桥结构均采用板单元模拟，土层采用实体单元模拟。模型大小为(长×宽×高)294m×98m×40m，共102100个节点，137194个单元。模型的约束条件为：除地表为自由表面外，其他均为法向约束。
图4 三维有限元计算模型
2.2 材料参数
土层物理力学参数见表1，结构物理力学参数见表2。
表1 土层物理力学参数
表2 结构物理力学参数
2.3 施工模拟
工况1：初始地应力分析，位移清零。
工况2：施作基坑钻孔灌注桩。
工况3：进行基坑内第一层土方开挖，开挖3m。
工况4：进行基坑内第二层土方开挖，开挖至基坑底部。
工况5：模拟框架结构施工。
3.1 基坑开挖对地铁隧道的影响
图5为各工况下地铁隧道的隆起最大值，可以看到地铁隧道的竖向隆起最大值出现在工况4，即开挖至基坑最低点且未施工框构桥结构前。图6为该工况下的地铁隧道竖向位移云图。可以看到最大隆起值约为7.5mm，已超过6mm的控制值要求。结构施工完成后，隧道隆起值约为4.5mm。因此，需对地铁隧道采取保护措施以满足隧道的变形控制值要求。
图5 沉降曲线
图6 沉降云图
3.2 基坑底部加固对地铁隧道的影响
为确保地铁隧道运行安全，采取在基坑底部注浆加固的处理措施，加固深度4m，如图2、图3所示。
注浆加固的模拟在2.3节的工况2中进行模拟。图7为各工况下地铁隧道的隆起最大值，可以看到地铁隧道的竖向隆起最大值出现在工况4，即开挖至基坑最低点且未施工框构桥结构前。图8为该工况下的地铁隧道竖向位移云图。可以看到注浆加固后地铁隧道的最大隆起值约为5.7mm，与不加固相比，隆起值下降了约为1.8mm，小于6mm的控制值要求。结构施工完成后，隧道隆起值约为2.8mm。可见，采取基坑底部注浆加固可以有效地限值下方地铁隧道的隆起，对控制地铁隧道竖向位移可以起到较好的作用。
图7 沉降曲线
图8 沉降云图
由图6和图8地铁隧道沉降云图可以看到，隧道的最大隆起值均发生在隧道左线(即上方隧道)。从图1、图2可以看到，隧道左线位于基坑正下方，而隧道右线位于基坑边缘。因此，隧道左线产生较大隆起。
3.3 加固区厚度对地铁隧道隆起的影响
为研究基坑底部加固区厚度对地铁隧道隆起值的影响，对加固3m工况进行数值模拟分析。图9为不同加固厚度下，地铁隧道隆起值曲线。从图中可以看到，随着加固区厚度的增加，地铁隧道的最大隆起值呈降低的趋势。但是加固区3m时不满足6mm的地铁隧道控制值要求。因此，在满足地铁隧道与加固区之间最小距离要求的前提下，增大基坑底部加固区厚度可有效控制隧道隆起。
图9 沉降云图
以沈阳长青街快速路南延工程框构桥与沈阳地铁十号线理张区间隧道长距离并行基坑为例，采用MIDAS-GTS-NX有限元软件框构桥基坑开挖施工过程进行三维数值模拟，对地铁隧道的位移变化规律进行分析。主要得出结论如下：
(1)随着加固区厚度的增加，地铁隧道的隆起值呈降低趋势，在满足地铁隧道与加固区最小距离要求的前提下，增大基坑底部加固区厚度可以作为控制隧道隆起的有效措施。未采取加固措施时，隧道隆起值约为7.5mm，超过6mm的极限控制值要求。在基坑底部4m厚度土体进行加固后，隆起值减小至约为5.7mm，满足隧道的隆起控制值要求。
(2)基坑开挖至最底部时，地铁隧道向上发生最大隆起。即基坑卸载率对基坑底回弹和隧道隆起有较大的影响。为进一步控制隧道隆起，施工时可采取分层、分段、分时开挖，并及时施工地铁隧道上方框构桥结构。
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