深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施

内容需要下载文档才能查看

城市轨道交通究

研

2009年

深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施

汪小兵 贾 坚

(同济大学地下建筑与工程系,200092,上海M第一作者,硕士研究生)

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;控制措施中图分类号 TU433;U456.3+1

TheInfluenceofDeepFoundationPitExcavationonNearbyMetroTunnel

WangXiaobing,JiaJian

Abstract Theexcavationofdeep-large-foundationpitnearmetrolineisverycomplex,howtoguaranteethestabilityandsafetyofmetrotunnelisthefirstconsiderationduringtheexcavation.Withthemeasureddateandfeedbackanalyticparametersofthesimilarprojectdesignandconstruction,thispaperusesthefiniteelementmethodtoanalysetheinfluenceofdeepfoundationpitonnearbymetrotunnel,anddiscussesthecontrolmeasurestoreducetheinfluenceandguaranteethenormaloperationofsubway.

Keywords deepfoundationpitexcavation;metrotunnel;influenceanalysis;controlmeasure

Firs-tauthor.saddress DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,200092,Shanghai,China

图1 基坑开挖卸荷后的变形示意图

对施工引起的变形影响要求是极其严格的。因此,分析和控制深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响已成为紧邻地铁的深基坑工程建设的主要问题。本文以紧邻运营中的上海轨道交通2号线的

/大上海会德丰广场0深大基坑为研究背景,对深基坑工程施工对地铁隧道的影响进行分析,探讨深基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施。

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。图1为基坑开挖卸荷后的

变形示意图。

在基坑开挖过程中,随着围护挡墙的水平位移

自1995年上海轨道交通1号线开通以来,上海在地铁安全保护区内实施了数以百计的新建、改建和扩建工程项目。其中不少工程项目距离地铁隧道近、基坑面积大、开挖深,加上上海地区软土本身的低强度、高压缩性、高灵敏度和流变性,使得工程施工项目的难度和施工风险较大。在整个工程建设中,如果处置不当,容易对地铁的正常运营产生影响。为了保证地铁的正常运营,在工程建设过程中52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。5上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定6要求:一般情况下,隧道最大位移不能超过20mm,隧道变形曲率半径必须大于15000m,相对弯曲不大于1/2500。

第5期

施工技术

间距为5.4m;隧道上、下行线的中心距为17m左右,隧道顶部埋深为8.5m;基坑邻地铁侧开挖深度已超过地铁隧道底部2m。因此,该工程既要保证基坑本身的安全与稳定,更要保护地铁隧道的运营安全。紧邻基坑北侧的2号线地铁区间运营隧道,是本工程基坑施工中最重要的保护对象。为此,在基坑开挖前对基坑开挖的设计、施工方案必须进行充分而全面的分析,预估基坑开挖对坑外地铁隧道的影响,

并采取针对性措施控制隧道的变形。

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 /大上海会德丰广场0基坑工程概况

图3 基坑与地铁隧道的相对关系剖面图

/大上海会德丰广场0位于上海市静安区南京西路1717号批租地块。基坑东临华山路,南临延安西路高架,西侧为上海市少年宫,北侧平行于南京西路和上海轨道交通2号线区间隧道。本工程的基坑在东西方向长约93m,南北方向长约110m;基坑占地面积约为9800m2,平均开挖深度超过20m。基坑总平面图及基坑同2号线地铁隧道的相对关系见图2、图3

。

基坑主要地层的物理力学性质见表1。

表1 基坑主要地层的物理力学性质表

地层

序号¹º»¼½1a½1b½1c¾¿À

天然密度/(kN/m3)17.518.318.416.917.517.917.919.919.720.1

黏聚力/kPa

9241512181716181221

摩擦角/(b)12.015.520.011.011.520.523.524.537.521.5

压缩模量/MPa2.694.646.068.4114.1615.1217.3025.0050.0023.00

3 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,

图2 基坑总平面图

不能直接分析周围环境的影响程度。因此,针对地铁保护要求,本文采用Z-Soil三维岩土有限元软件,就/大上海会德丰广场0基坑开挖对地铁隧道的影响

本工程的基坑围护结构与地铁隧道上行线的净

内容需要下载文档才能查看

城市轨道交通究

研

2009年

进行预估分析。

3.1 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260m@240m@72m。先对基坑不分区整体开挖进行预估分析。围护结构采用40m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Continuum3D单元模拟。土体材料模型采用了Drucker-Prager模型。Drucker-Prager模型解决了Mohr-Coulomb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。图4和图5为三维计算模型图,图6为基坑不分区整体开挖完成后隧道和地下连续墙的变形计

算结果。

图6 不分区整体开挖完成后隧道和地下连续墙总位移云图

3.2 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7.5~12.5m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40m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40m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。先开挖离地铁隧道较远的南坑,待南坑地下结构施工到标高为?0.000后,通过南坑回筑压载控制,稳定了大基坑开挖隆起对地铁隧道的沉降变形影响后,再开挖紧邻地铁隧道的北坑,并采用土体加固、施加支撑预加应力等措施严格控制北坑近地铁侧围护结构的侧向变形。

通过先挖土后支撑的分层开挖模拟,得出基坑在分区开挖施工的情况下,地铁隧道的影响情况。图7和图8为基坑分区开挖的三维计算模型图。图9为基坑分区开挖完成后隧道和地下连续墙的变形计算结果。

图4 模型网格图

图5 支护结构和地铁隧道模型图

通过三维分析预估,在不分区整体开挖的情况下,由于基坑卸荷量大,基坑卸荷产生的坑底隆起和地下连续墙变形较大。隧道因基坑卸荷影响产生的最大竖向位移为16.26mm,最大水平位移为28.70mm,

不能满足地铁隧道运营安全的保护要求。54图7 南坑支护结构和地铁隧道模型图

经分区开挖模拟分析,地铁隧道竖向位移最大值为11.03mm,水平位移最大值为9.52mm,基本

内容需要下载文档才能查看

第5期施工技术

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。

4.1 分区开挖的基坑围护方案

南坑围护墙采用1000mm厚的地下连续墙,远离塔楼部分的墙深为36m(基坑的开挖深度为

图8

北坑支护结构和地铁隧道模型图满足了地铁隧道运营安全的保护要求。17.42m),距塔楼较近处的墙深为41m(基坑的开

挖深度为20.22m);围护墙的水平支撑采用十字对撑加角撑形式,竖向设4道钢筋混泥土水平支撑。北坑北侧围护墙采用1000mm厚、39.5m深的地下连续墙,北坑第1道水平支撑采用钢筋混凝土对撑,第2~5道水平支撑为<609mm钢管对撑,并在坑底垫层内加设H型钢支撑,预加300kN轴力。

待北坑地下结构施工到标高为?0.000后,再拆除南北坑间的中间地下连续墙。拆除工艺采用跳仓拆除,并跳仓施工结构楼板。故在中间地下连续墙的拆除过程中,不会对北坑地下结构和地铁隧道位移产生影响。

为确保地铁隧道万无一失,充分利用/时空效应0原理,设计了能快速开挖、及时支撑、及时调节支撑轴力的支撑系统。对北坑第2~5道水平钢支撑分别施加1400kN、1700kN、2200kN和2000kN的预应力。

本工程的基坑围护结构见图12和图13。图9 分区开挖完成后隧道和地下连续墙总位移云图3.3 计算结果对比图10和图11为基坑不分区整体开挖和基坑分

区开挖的地铁隧道变形计算结果对比。

图10

上行线隧道竖向位移计算结果对比分析

图11 上行线隧道水平位移计算结果对比分析图12 基坑围护结构平面图4 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4.2 坑内地基加固措施南坑:沿基坑周边6m范围进行高压旋喷桩加固,加固深度为基坑底至坑底以下4m。

内容需要下载文档才能查看

城市轨道交通究

研

2009年

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17.37mm以内、水平位移控制在6.5mm以内,保证了地铁隧道的正常运营。图15和图16为实测

的随基坑施工而产生的地铁隧道变形情况。

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5m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<850mm的三轴水泥土搅拌桩加固,深度为33m。

4.3 分块对称开挖措施

针对上海地区软土的流变特性,基坑土方开挖应用/时空效应0理论,严格实行/分层、分段、分块、留土护壁、限时对称平衡开挖支撑0的原则,开挖过程中随挖随撑(或浇捣垫层)。土方开挖严格控制挖土量,严禁超挖。在开挖过程中,对已安装好的水平支撑应随时进行检查。一旦发现支撑松弛现象,应及时复加轴力。基坑开挖分块情况见图14

。

图16 施工期间实测的隧道最大水平位移情况图15 施工期间实测的隧道最大沉

降情况

5.2 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。图17为实测的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。在基坑开挖过程

图14 基坑开挖分块图

中,地铁隧道变形量均满足变形控制要求,说明本文所述的分区开挖变形控制措施是有效的。图18和图19为实测隧道变形与三维计算结果对比分析。

5 工程实测

5.1 实测隧道变形56