摘要：软土地区邻近地铁运营线路的深大基坑开挖是一项极其复杂的工程。基坑开挖过程中,如何保证地铁隧道的稳定和安全是整个工程中必须考虑的问题。通过同类工程实测反分析的设计施工参数,应用三维有限元分析手段,预估分析基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响,探讨减少基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施,以保证地铁的正常运营,为类似工程设计与施工提供借鉴和参考。
关键词：深基坑开挖;地铁隧道;影响分析;控制措施
1基坑卸荷影响分析
基坑开挖的过程就是基坑卸荷的过程。由于卸荷而引起坑底土体产生向上的隆起、基坑围护结构侧向变形以及坑周地层的移动,从而导致地面沉降及坑外地铁隧道的变形。基坑开挖卸荷后的变形在基坑开挖过程中,随着围护挡墙的水平位移和坑底土层的隆起,紧邻深基坑的正在运营中的地铁隧道会产生水平和竖向位移。隧道变形沿纵向呈不均匀性,从而产生一定的弯曲变形。当隧道变形超过一定的值时,容易对其正常运营产生影响。近年来,基坑开挖面积越来越大,开挖深度越来越深。实测表明,深大基坑由于卸荷量大、施工时间长、施工条件复杂等原因,其开挖造成的坑外地表沉降范围和沉降量相对以往的窄基坑都要大得多,卸荷对邻近地铁隧道以及其他市政设施的影响也要复杂得多。坑外地铁隧道的变形主要是由深大基坑坑底隆起和基坑挡墙变形所引起,并与基坑卸荷量的大小和卸荷时间的长短有关。因此,可将大面积卸荷区域划分为若干个独立的卸荷区域,分阶段、分时段进行开挖卸荷。先开挖离地铁远的基坑部分,通过及时回筑压载,控制和稳定坑底隆起对地铁的沉降变形影响后,再开挖紧邻地铁隧道的基坑部分,并采取措施严格控制基坑开挖引起的围护结构侧向变形。这样可以较好地减小深大基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响,达到基坑变形控制和地铁隧道保护的目的。
2三维有限元预估分析
常规的基坑设计计算方法一般采用规范推荐的平面竖向弹性地基梁法。该方法可以模拟实际施工工况并计算围护结构和支撑体系的内力和变形;但当环境保护成为设计中主要的控制因素时,该方法较难考虑基坑周围的重要建(构)筑物的本身特征,不能直接分析周围环境的影响程度。
2.1基坑不分区整体开挖三维有限元分析
考虑基坑开挖对周围土体及隧道的影响范围,三维计算模型的尺寸选取260 m×240 m×72 m。先对基坑不分区整体开挖进行预估分析。围护结构采用40 m深的地下连续墙和四道钢筋混凝土水平支撑。地下连续墙、地铁隧道采用Shell单元模拟,支撑、立柱采用Beam单元模拟,土体采用Continuum 3D单元模拟。土体材料模型采用了Drucker2Prager模型。Drucker2Prager模型解决了Mohr2Coulomb模型在进行塑性分析时因角隅处塑性流动方向不惟一引起收敛困难的问题,能够比较好地模拟土体材料特性。部分计算参数由以往同类工程实测数据反分析获得。通过先挖土后支撑的分层开挖模拟,可以得出基坑在不分区开挖施工的情况下,地铁隧道的影响情况。
2.2基坑分区开挖的三维有限元分析
分区开挖分析时,针对基坑卸荷变形的特点以及坑周地铁隧道所处区域为关键变形控制区域,结合塔楼深坑的位置,在距基坑北侧地下连续墙以南7.5～12.5 m处设置一道临时分隔墙,将整个大基坑分为南北两个基坑。南坑(大基坑)围护结构采用和不分区整体开挖相同的40 m深的地下连续墙和四道钢筋混凝土水平支撑;北坑(小基坑)围护结构则采用40 m深的地下连续墙,一道水平钢筋混泥土支撑和四道水平钢支撑。
3控制地铁隧道变形的施工措施
通过基坑不分区整体开挖和分区开挖的三维有限元模拟预估分析可知,由于基坑开挖面积大,地铁隧道距离基坑近,使得基坑不分区整体开挖对上行线隧道产生较大的影响。如果不采取分区开挖的施工措施,很难满足地铁隧道的保护要求。对于紧邻地铁隧道的深大基坑,采用分区开挖的施工措施能较好地控制基坑卸荷引起的地铁隧道变形。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.1围护桩施工控制
围护桩施工采用旋挖钻机进行。旋挖钻施工原理为旋挖钻机通过自带动力头提供钻孔所需扭矩，驱动钻杆和钻头旋转，使钻斗切削土层，利用多层伸缩式钻杆和钻头的特殊结构及时快速出渣，实现较高速钻进。钻进中钻头多次上下往复作业，以保证成孔的质量。钻孔中采用优质泥浆护壁，确保孔壁的稳定。成孔后二次清孔采用泵吸换浆法及时快速清孔。
3.2钢支撑系统
深基坑的施工要求是随着施工的进度，要做好开挖作业，并做好支撑系统，即使没来得及做支撑也不能超过24小时。基坑内要架设自动轴力钢架支撑结构，这样有利于支撑系统的架设和拆卸，还能有效保证支撑的效果。而钢支撑系统中的预应力伺服系统，要采用独立式的钢支撑液压系统，3到4根轴力钢支撑就要配备一个小型的泵站液压系统，使钢支撑系统的精度有所提高，也使施工质量有所保证。
3.3喷锚支护
喷锚支护在洞室开挖后， 支护及时，与围岩密贴，柔性好，有良好的物理力学性能。它能侵入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面和层面，提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发展。在支护与围岩的共同工作中，有效地控制和调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍塌，加强围岩的稳定性。它不象传统的模筑混凝土衬砌那样，只是在洞室开挖后被动地承受围岩压力，而是主动地加固围岩。目前，对喷锚支护作用原理的研究还不完善，有待进一步探索和改进。
3.4坑内地基加固措施
南坑:沿基坑周边6 m范围进行高压旋喷桩加固,加固深度为基坑底至坑底以下4 m。城市轨道交通研究2009年图13近地铁侧基坑围护结构剖面图北坑:北坑坑内从第一道水平支撑处至坑底以下5 m采用三轴水泥土搅拌桩满堂加固。为了减少邻近地铁侧地下连续墙施工时槽壁坍塌和基坑开挖时渗漏水对地铁的影响和危害,邻近地铁侧施工地下连续墙前,在拟施工地下连续墙内外两侧各先施工一排<850 mm的三轴水泥土搅拌桩加固,深度为33 m。
4工程实测
4.1实测隧道变形
通过分区卸荷的变形控制措施和施工中实施信息化施工的监测监控,对本基坑工程实行了动态设计管理。在整个工程施工过程中,隧道的沉降控制在17.37 mm以内、水平位移控制在6.5 mm以内,保证了地铁隧道的正常运营。
4.2实测结果与计算结果比较
由于分区开挖,并且北坑坑内土体采用满堂加固,在南坑开挖完成后,北坑近地铁侧围护墙变形较小。虽然北坑完成卸载后,其近地铁侧围护墙变形增加了,但由于北坑卸荷量小,并且有五道水平支撑,所以北坑开挖完成后,其近地铁侧围护墙变形发展较少。这表明实测与模拟的结果比较符合。北坑近地铁侧围护墙侧向变形与三维计算结果的对比分析。随着北坑开挖引起的近地铁侧围护墙水平位移的增加,隧道也随之产生水平位移和竖向位移。但北坑开挖引起的周围土体移动以及围护墙变形总量都较小,并且由于南坑的及时回筑压载控制,稳定了深大基坑开挖隆起对隧道的沉降变形,所以隧道变形得到较好的控制。
结语
对于紧邻地铁隧道的深大基坑,可采用中间地下连续墙,将深大基坑分成大、小两个基坑,采取分区开挖措施:先开挖离地铁远的大基坑,通过大基坑回筑压载控制,稳定了大基坑开挖隆起对地铁的沉降变形后,再开挖紧邻地铁隧道的小基坑;并结合土体加固、及时施加预加应力和分块对称开挖等施工措施,可以较好地减少深大基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响,达到基坑变形控制和地铁隧道保护的目的。三维有限元计算方法有助于较全面地预测分析软土地区深基坑开挖施工对周边环境的影响。
参考文献
[1]张庆贺,朱合华,庄荣.地铁与轻轨[M].北京:人民交通出版社,2006.
[2]贾坚,谢小林.上海软土地区深大基坑的卸荷变形及控制[J].岩土工程学报,2008,30(增刊):376.
[3]戴博红.深基坑施工对邻近地铁隧道的影响预测[J].城市轨道交通研究,2008(8):62.
论文作者:宁瑞峰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/26
标签：基坑论文; 隧道论文; 地铁论文; 围岩论文; 分区论文; 紧邻论文; 水平论文; 《基层建设》2017年第10期论文;