行业要闻

近接基坑的地铁区间大断面隧道施工力学分析

 

摘　要:以沈阳地铁建设工程实际为背景,针对近距基坑对地铁隧道施工的影响问题,采用数值模拟方法,通过计算不同施工顺序及不同近接距离时的大断面隧道初期支护内力,分析近接基坑对大断面隧道开挖的影响程度,并提出相应的隧道加固措施。

关键词:基坑;隧道;影响;数值模拟

 

1工程概况

      市府广场站~青年大街站区间为沈阳地铁二号线一期工程的矿山法暗挖区间,自市府广场起,线路沿青年大街走向,小西路~中山路段设有存车线。拟建恒隆开发项目位于青年大街东侧,小西路与中山路地块,拟建建筑为超高层,中间塔楼高约370m,采用钻孔灌注桩深基础,塔楼承台基坑开挖深度26m。外围设裙楼,设三层地下室,箱型基础,基底埋深17m。恒隆地下室结构与市~青区间存车线段大断面隧道结构外皮净距为5~23m。相对关系见图1。

      根据沈阳地铁二号线及恒隆项目工程筹划,市~青区间左线存车线段大断面施工时间与恒隆项目地下结构施工时间大部分重叠,工期无法错开。

      区间结构位于浑河冲洪积地貌单元,第四系全新统中密~密实砾砂层,潜水层,水位埋深为8. 7m。隧道围岩级别为Ⅵ级。

      区间存车线段为马蹄形断面复合式衬砌结构,开挖跨度11. 2m,开挖高度9. 4m,拱顶覆土厚度7. 5~8. 0m,双侧壁导坑法施工,拱顶采用双排导管注浆,初期支护采用喷射混凝土加格栅钢架措施,二次衬砌采用模筑钢筋混凝土,初二衬之间设全包柔性防水层。

2控制性剖面及工况选取

      针对两个项目的结构施工相互影响问题,恒隆基坑方案的优化是首要的,经过多轮技术论证,近地铁区域确定如下方案:

      结构净距5~21m段,恒隆基坑塔楼与裙楼部分分步施工,先开挖塔楼基坑并施工塔楼地下室,裙楼地下室部分采用逆作施工,梁结构兼做基坑内支撑,基坑按特级基坑标准控制。

      结构净距大于21m段,基坑采用桩锚支护体系,基坑按一级基坑标准控制。

      恒隆塔楼基坑施工工期与地铁隧道初期支护施工期重合,裙楼地下室施工工期与地铁隧道二衬使用期重合。由于裙楼地下室采用逆作施工,对地铁隧道二衬结构影响较小,所以需重点分析塔楼基坑施工对隧道施工影响,不同近接距离控制性剖面如图2、图3所示。这里重点进行三种工况下隧道结构施工力学分析。

　　工况1:无基坑开挖影响时,大断面隧道初期支护内力;

　　工况2:先开挖基坑后开挖隧道时,不同近接距离大断面隧道初期支护内力;

　　工况3:先开挖隧道后开挖基坑时,不同近接距离大断面隧道初期支护内力。

3数值模拟分析

3. 1模型及参数选取

      计算采用有限元数值模拟,按平面应变问题进行分析,模型宽度100m,高度50m,单元总数5246个,围岩采用D-P材料,围护桩采用实体单元模拟,初期支护采用梁单元模拟。计算中采用荷载释放的方法模拟开挖。隧道共分六步开挖,基坑一步开挖。

　　工况1:隧道超前支护→分步开挖隧道导洞并同步施作初期支护;

　　工况2:施工围护桩→开挖基坑→隧道超前支护→分步开挖隧道导洞并同步施作初期支护;

      工况3:隧道超前支护→分步开挖隧道导洞并同步施作初期支护→施工围护桩→开挖基坑。

      岩土体基本物理力学参数根据勘察报告试验数据选取,计算中采用提高材料物理力学参数的方法模拟超前小导管和锚管加固区。具体如表1所示。

3. 2计算结果

      (1)不同工况下,不同近接距离大断面隧道初期支护内力通过不同工况、不同控制性剖面的数值模拟计算,各工况隧道初期支护内力如表2所示。

　　由表2中数据可以看出,各工况下不同近接距离大断面隧道初期支护内力差异较为明显:

　　对于控制性断面1,先开挖基坑或先开挖隧道对地铁区间结构引起的偏压影响差异较大。先开挖基坑时,初期支护最大弯矩增量为3. 4%,最大轴力增量为-22. 8%;先开挖隧道时,最大弯矩增量为22%,最大轴力增量为-26. 6%。

　　对于控制性断面2,先开挖基坑或先开挖隧道,引起结构偏压均较小,先开挖基坑时,最大弯矩增量为-11. 5%,最大轴力增量为-15. 7%;先开挖隧道时,最大弯矩增量为3. 4%,最大轴力增量为-14.9%。

　　总体来说,先开挖基坑引起隧道施工偏压较小,对于隧道施工有利,当基坑与隧道距离大于2D(D为隧道开挖跨度)时,基坑开挖对隧道施工影响较小。对于先开挖隧道且近接距离小于2D的工况,隧道施工时应予以重点研究。

　　典型隧道初期支护轴力分布如图5、6所示。

      (2)先开挖隧道工况下,隧道施工加固模拟通过前文分析,由于先开挖隧道后开挖基坑的工况下(工况3),隧道初期支护结构偏压较大,需采取工程措施以确保隧道施工安全,这里选择洞内侧壁注浆加固方案,注浆加固厚度分别选取1. 6m和3. 0m进行分析计算。

　　对比表3与表2计算结果,对于控制性剖面1,侧壁注浆加固1. 6m时,初期支护最大弯矩增量为-17. 5%,最大轴力增量为99. 2%,侧壁注浆加固3. 0m时,初期支护最大弯矩增量为-23. 8%,最大轴力增量为119%;对于控制性剖面2,侧壁注浆加固1. 6m时,初期支护最大弯矩增量为-16. 9%,最大轴力增量为1%。

      由计算结果可以看出,在工况3下,控制性剖面1侧壁加固3. 0m、控制性剖面2侧壁加固1. 6m时,结构偏压有明显改善。

      典型隧道初期支护轴力分布如图7、8所示。

4结　语

      通过数值模拟分析,近距基坑对地铁隧道大断面施工的力学影响,可以得出以下结论:

      (1)施工顺序对隧道支护结构内力影响较大,先开挖基坑时隧道结构偏压较小,地铁开挖后再开挖基坑时隧道支护结构偏压较大。

      (2)当基坑近接距离大于2D(D为隧道开挖跨度)时,基坑开挖对隧道施工结构影响较小,近接距离小于2D时,基坑开挖对隧道施工结构影响较大。

      (3)当隧道大断面支护结构偏压较大时,采用洞周围岩注浆加固可有效改善结构偏压。