鄰近地鐵隧道基坑開挖變形的數值模擬

0從隧道上抬和變形隨著地下空間的大規模開發，更多的基礎設施項目位于地下世界的隧道附近。基坑開挖使相鄰地鐵隧道的原有受力平衡被打破,必然引起地應力的重分布,從而引起地鐵隧道產生相應的內力和變形。而已運營地鐵線路對變形要求極為嚴格:結構最大位移不超過20mm,隧道變形曲率半徑必須大于15000m,相對彎曲不大于1/2500。因此,基坑施工過程中必須采取嚴格工程措施,否則將影響地鐵車站的正常使用和安全。近年來許多學者對該問題進行研究。一方面,結合施工監測數據,采用半經驗半解析算法分析相鄰基坑施工引起隧道的變形,提出控制隧道變形的施工措施,如文獻利用軟土基坑隆起變形的殘余應力法和軟土的時空效應理論,研究了隧道上方基坑開挖引起的隧道上抬,指出坑內加固和時空效應法施工可有效控制隧道上抬。文獻以上海地鐵二號線基坑工程實際為背景,研究了基坑與近鄰隧道的相互影響,指出地基基礎加固和結構加固可有效控制隧道的變形。文獻研究了位于軟土基坑下地鐵隧道的位移變化,分析了基坑工程的時間、空間效應對隆起的影響,提出了時間、開挖寬度影響系數,推導出考慮基坑施工影響的隧道位移變形的實用計算方法。文獻基于鄰近基坑的地鐵隧道變形監測結果,從隧道的垂直沉降、水平移動以及隧道的橫向變形角度探討了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。文獻運用Mindlin經典彈性理論解推導出因開挖卸荷引起隧道結構的附加應力,進而通過彈性地基梁理論得出了計算隧道隆起的解析算法。但這些成果多是以工程經驗為基礎,結合實測數據,對不同施工措施進行定性分析,而少有定量計算,雖然也有一些半經驗半理論公式,但不能模擬基坑的施工過程。另一方面,隨著計算技術的發展,越來越多的計算軟件和程序可用于模擬基坑的施工過程,如文獻采用二維有限元程序分析了地鐵基坑周圍環境位移場的分布特點及已建車站結構的變形和內力分布。文獻采用二維有限元對鄰近隧道的深基坑工程的不同施工方案進行數值模擬。文獻則利用三維有限元方法分析了穿越地鐵基坑施工引起的原有車站應力和位移的重分布。基坑問題為三維問題,三維模型較二維模型顯然能更好的模擬基坑的開挖過程。但有限元計算程序對于小變形問題計算較為準確,對于模擬基坑開挖等大變形問題效果不是很理想,文獻的計算結果與實測值的對比也證實了這一點。而基于有限元差分法的FLAC-3D程序不僅能很好的反映基坑開挖的三維問題和支護結構與土體的相互作用問題,而且FLAC-3D程序能很好的模擬土體材料受力作用下屈服、塑性流動、軟化直至大變形等力學行為。文獻利用FLAC-3D程序對臺北國際金融中心大樓的深開挖進行了數值模擬,研究了基坑的角隅效應和潛變行為;文獻則利用FLAC-3D程序對深開挖進行全過程模擬,研究了深開挖對鄰房的保護效果。為此,本文結合上海某鄰近地鐵隧道的基坑工程實例,采用FLAC-3D軟件,建立三維彈塑性模型,模擬了施工中提出的坑外二次加固的施工新工藝、逆作法施工等方案。1井外二次加固新技術1.1車站工程特點地鐵七號線靜安寺車站位于上海市中心區繁華地段,車站結構形式為地下三層(島式)雙柱三跨現澆鋼筋混凝土框架結構。車站全長198m,平面上呈喇叭型。標準段基坑凈寬為25.96~26.75m,基坑開挖標準段深23.35m,端頭井深達25.09m,地下連續墻圍護結構深43.50m。七號線車站北側有運營的地鐵二號線,車站北端頭井距二號線車站區間隧道僅為15m。二號線區間與七號線靜安寺站相對位置如圖1示。1.2次固結構設計為保護二號線隧道,提出了坑外二次加固的新工藝,并綜合采用逆作法和分塊開挖的施工方案。(1)分塊施工:先在北端頭井與車站主體連接處增設一道封頭槽壁,使北端頭井形成一個封閉空間,進行相對獨立施工,待端頭井施工完后,再施工車站主體。這樣可利用端頭井對由車站主體施工引起的位移的屏障作用,減小對隧道的影響。(2)坑外地基二次加固施工:在北端井盾構進出洞區域進行地基加固,即地下墻施工前后,分兩次在坑外進行地基加固,先外排SMW工法、后內排旋噴樁。兩次加固寬度均為3m,共6m范圍,加固體強度達0.8MPa。其中SMW工法攪拌樁長26.5m,旋噴樁加固至坑底3m處。坑外二次加固工藝流程如下:a)地下墻施工前,外排3m用SMW工法攪拌樁完成一次加固,達到強度后進行地下墻施工。b)地下墻施工后,對坑外內排3m區域土體用旋噴樁進行第二次加固。為進一步減小基坑開挖變形,坑內也進行高壓旋噴加固,同樣深達坑底3m處。在下一層和下二層樓板位置增加分層加固措施,加固布置如圖2示。c)逆作法施工:為減小超深基坑開挖而引起過量沉降變形,對靜安寺車站的端頭井下一層以下結構采用混凝土框架逆作的施工技術,同時第一道設置為混凝土支撐,以增加支撐體系剛度。2逆作結構支護車站北端頭井為兩柱三跨結構,凈尺寸為23.71m×13.05m(長度×寬度)。頂板厚800mm,下一層板厚450mm,下二層板厚450mm,底板厚1300mm,地下一層至地下三層的內襯墻厚度600mm。頂板(頂板梁)、下一層板和下二層板(樓板梁)、底板(底板梁)、內襯墻混凝土等級為C30,車站內部結構柱混凝土等級為C40,墊層采用C20混凝土。主體結構的頂板、下一層板、下二層板及底板與圍護結構(地下墻)的連接均采用鋼筋連接方式。該基坑采用七道支撐,其中第一道為混凝土支撐,其余六道為鋼管支撐。支撐平面圖和剖面圖如圖3,4示。根據基坑實際開挖過程,逆作法施工步驟如下:①地基加固施工和地下連續墻施工;②開挖至-1.5m;③施工第一道支撐,并開挖至-5.5m;④施工第二道支撐,開挖至-9.0m;⑤施工第三道支撐,開挖至-10.0m;⑥施工下一層板;⑦開挖至-13.0m;⑧施工第四道支撐,開挖至-15.5m;⑨施工下二層板;⑩拆除第四道支撐,開挖至-17.5m;?施工第五道支撐,開挖至-20.0m;?施工第六道支撐,開挖至-23.0m;?施工第七道支撐,開挖至-25.0m;?施工底板和下三層內襯;?拆除第五、六、七道支撐,澆筑下二層內襯;?施工頂板;?拆除第一、二、三道支撐,澆筑下一層內襯。支撐和板的位置及尺寸見表1。2.1種針對地基承載物的彈性模型為簡化計算,模型尺寸取為規則的六面體。由于車站北端頭井結構關于y方向近似對稱,故取其一半,經試算取計算區域為160m×80m×90m。單元網格采用不均勻網格,共61556個單元,66010個節點,見圖5。圖5FLAC-3D模型Fig.5FLAC-3Dmodel土體、地下墻及梁、板、柱采用實體單元,土體共分4層;支撐和樁分別采用FLAC-3D提供的beam單元和pile單元。其中土體的本構模型采用MohrCoulomb彈性–完全塑性模型;地下墻及梁、板、柱、地基加固體采用線彈性模型。計算參數均為室內試驗和施工中提供的參數,地下墻、梁、板、柱及混凝土支撐的彈性模量為28GPa,泊松比為0.20,重度為25kN/m3;鋼支撐彈性模量為200GPa,泊松比為0.3,重度為78kN/m3;內排旋噴樁地基加固體彈性模量為15GPa,泊松比為0.20,重度為20kN/m3;外排SMW工法地基加固體彈性模量為28GPa,泊松比為0.20,重度為21kN/m3。加固體與天然土體及地下墻界面設接觸單元。土體計算參數見表2。2.2模型建立與測試結果為保證地鐵二號線的安全和運營,基坑施工過程中對隧道上行線豎向位移及水平位移進行監測。監測點布置見圖6。圖7、圖8為車站端頭井施工完成后的監測結果與計算結果對比。圖9、圖10分別為模型的水平位移和豎向位移云圖,圖11、圖12分別為隧道的水平位移和豎向位移云圖。通過計算值與實測值的對比,可以看出計算值與實測值基本一致,說明FLAC-3D模型是基本準確的,所選計算參數是合理的。同時,由圖9和圖10可知,加固側的位移明顯小于非加固側,說明在靠近隧道一側緊貼基坑地下墻進行地基加固可有效的減小隧道的位移,起到保護隧道的作用。加固體相對周邊天然土體為剛度較大的“異質體”,具有減小位移的屏障作用。圖11和圖12表明在隧道一側進行基坑施工可引起隧道的不對稱變形,近基坑側隧道位移大于遠基坑側。2.3常運行的重要性鄰近地鐵隧道基坑施工,確保已有地鐵隧道的安全和正常運行至關重要。設計和施工中提出了坑外二次加固的新工藝和逆作法施工等針對性的保護措施,為分析這些措施對隧道的變形和受力性能,對施工過程進行了數值模擬。(1)次加固與豎向位移的對比坑外加固6m,分兩個階段進行,即先加固外排3m,達到強度后,施工地下連續墻,當連續墻達到強度后再加固內排3m。這樣可利用外排加固體的屏障作用,減小由地下墻施工引起隧道的位移,也可減小內排加固施工對隧道的擾動。圖13和圖14為坑外二次加固、一次加固及先施工地下墻后進行地基加固三種情況(除步驟0的施工順序不同外,其余步驟完全相同)下車站端頭井施工完成時的隧道上行線水平位移與豎向位移對比。由圖13和圖14可知,二次加固的施工方式隧道產生的位移最小,一次加固后施工地下墻次之,先施工地下墻后加固隧道的位移最大。因為,地下墻施工和內排加固引起周圍土體的位移,但由于外排加固體(剛度遠大于土體)的存在限制了加固體外側土體的位移,使地下墻施工和內排加固引起的位移場間斷,即阻斷了土體的位移傳遞,從而起到減小隧道位移的作用。當然,僅第二次內排加固時,已施工的墻外加固體和地下墻為剛度遠大于周圍土體的“異質體”,具有減小位移的屏障作用。為分析加固體對隧道的保護效果,對坑外加固(二次加固)和坑外無加固兩種施工方式的基坑施工過程進行數值模擬。其中除有無加固外,兩種施工方式的施工步驟完全相同。圖15和圖16分別為兩種施工方式下車站端頭井施工完成后隧道上行線的水平位移和豎向位移對比。由圖可知,坑外加固對減小隧道位移效果較好,相對與無加固情況,水平位移和豎向位移分別減小了73.6%和75.7%。(2)兩種施工方式的位移對比為分析逆作施工對隧道的保護效果,對坑外二次加固逆作和坑外二次加固順作兩種施工過程進行數值模擬。坑外加固順作施工步驟如下:①地基加固和地下連續墻施工;②開挖至-1.5m;③施工第一道支撐,開挖至-5.5m;④施工第二道支撐,開挖至-9.0m;⑤施工第三道支撐,開挖至-13.0m;⑥施工第四道支撐,開挖至-17.5m;⑦施工第五道支撐,開挖至-20.0m;⑧施工第六道支撐,開挖至-23.0m;⑨施工第七道支撐,開挖至-25.0m;⑩施工底板和下三層內襯;?拆除第五、六、七道支撐,施工下二層板和下二層內襯;?拆除第四道支撐,施工下一層板和下一層內襯;?拆除第一、二、三道支撐,施工頂板。圖17和圖18分別為兩種施工方式隧道上行線的水平位移和豎向位移計算值,有圖可知,逆作施工有效的控制了隧道的位移。逆作法在基坑開挖過程中進行結構施工,增大了基坑的整體剛度,使圍護結構的變形減小,限制了周圍土體的運動,從而控制隧道的位移。(3)結構與位移傳遞車站在施工過程中采取了分塊施工的方案,即在北端頭井與車站主體連接處增設一道封頭槽壁,使北端頭井形成一個封閉空間,進行相對獨立施工,待端頭井施工完成后,再由北向南依次進行車站主體的施工。根據本文提出的“地下異質體對位移傳遞具有阻斷作用”,北端頭井結構完成后,作為地下結構物對車站主體施工引起的位移傳遞有阻斷作用,從而可減少車站主體施工對隧道的影響,起到保護隧道的目的。文中圖示隧道x方向和z方向位移均指y=0平面上隧道拱頂的位移。x為正值表示向靠近基坑方向移動,x為負值表示向遠離基坑方向移動,z為正值表示上抬,z