基坑开挖对下卧既有隧道变形的影响.pdf

基坑开挖对下卧既有隧道变形的影响赵东（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430 0 50）摘要：为研究基坑开挖对下卧既有隧道变形的影响，依托某基坑上跨既有隧道工程，采用数值计算，建立三维有限元模型，分析基坑开挖对下卧隧道变形影响，并将数值计算结果与现场监测数据进行对比分析。结果表明：对于初步预测基坑开挖引起下卧隧道的隆起变形，数值计算方法可靠、实用；采用微压力扰动搅拌阶梯式注浆加固、考虑“时空效应”的分层、分块开挖及基底抽条开挖、架设型钢支撑对控制隧道变形效果显著。关键词：基坑开挖；下卧既有运营隧道；数值计算；现场监测；变形影响中图分类号：U231.1Influence of foundation pitexcavation on the deformation ofexisting tunnelZHAO Dong(China Railway Major Bridge Reconnaissance&Design InstituteCo.,Ltd.,Hubei Wuhan 430050 China)Abstract:In order to study the influence of foundationpit excavation on the deformation of the underlyingexisting tunnel,relying on the existing tunnel project onthe upper span of a foundation pit,a three-dimensionalfinite element model is established by numericalcalculation,the influence of foundation pit excavationon the deformation of the underlying tunnel is analyzed,and the numerical calculation results are comparedwith the field monitoring data.The results show that thenumerical calculation method is reliable and practical forthe preliminary prediction of the uplift deformation of theunderlying tunnel caused by foundation pit excavation.Using micro pressure disturbance mixing stepped groutingreinforcement,layered and block excavation consideringspace-time effect,base strip extraction excavation,anderection of section steel support have significant effects onthe control of tunnel deformation.Key words:foundation pit excavation;underlyingexisting operating tunnel;numerical calculation;on-sitemonitoring;deformation effect0引言随着城市建设的加快，地面空间越来越匮乏，逐步进人地下空间大开发时代，越来越多的基坑工文献标识码：A程临近或上跨地下建构筑物开挖【1。交通类隧道变形控制标准严格，在既有运营隧道上方大面积开挖卸载，如何控制下卧隧道隆起变形，成为设计、施工难题【2-3。依托杭州市某基坑上跨既有运营隧道施工，运用微压力扰动搅拌阶梯式注浆加固、考虑“时空效应”的分层、分块开挖及基底抽条开挖、架设型钢支撑等控制隧道变形措施，研究开挖卸载对下卧隧道变形影响，为类似基坑上跨既有运营隧道设计、施工提供参考。1工程概况基坑上跨既有运营隧道，坑内净空长2 8.9 m，宽19.9 m，开挖深13.7 6 m，围护结构采用8 0 0 mm厚地连墙，其中东、西两侧地连墙长2 7 m，嵌固插人13.3m，南、北两侧墙长15.7 m，嵌固深度1.54m，支撑形式采用10 0 0 mm800mm冠梁+三道800mm800mm混凝土支撑。基坑与下卧隧道相对位置关系见图1和图2。基坑开挖范围内土层从上到1N明挖基抗一收稿日期：2 0 2 3-0 2-10作者简介：赵东（19 8 9 一），男，山东泰安人，硕士研究生，工程师，研究方向为地铁结构设计与研究。瓜既有运营隧道图1基坑与下卧隧道相对位置关系平面-121一赵东：基坑开挖对下卧既有隧道变形的影响下依次是杂填土、素填土、粉质黏土、碎石混黏土，基底位于碎石混黏土层。926图2 基坑与下卧隧道相对位置关系剖面（单位：mm）2下卧隧道变形控制方案2.1基坑与隧道中间夹土加固对隧道拱部初支外1.5m范围进行微压力扰动搅拌阶梯式注浆加固。土层加固采取预注浆方式使浆液与土混合，使土层的力学宏观性质得到改良，提高地层密实程度及强度，同时增强土层抵抗变形能力【4。加固施工选用P.042.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量2 5%，水灰比1：1，土体2 8 d无侧限抗压强度1.0 MPa，抗渗系数10 cm/s。2.2考虑“时空效应”的分层、分块开挖在基坑施工中利用土地自身的控制地层位移的潜力，解决深基坑稳定和变形问题，即考虑基坑的“时空效应”【5。按平面分块、竖向分层原则，平面位置按照1 5块顺序开挖，竖向按照2 2.5m一层共分7 层开挖，各层实施期间结合监测数据指导现场施工。2.3基底抽条开挖及架设型钢支撑基底按照“先两侧，再中间”施工顺序抽条施工，基坑外抓斗配合基坑内挖机抽条南、北对称取土，减少隧道上方段时间大面积卸载，开挖过程快速连续且每条开挖时间不超过2 4h。抽条开挖完成后拼接架设I25A双拼工字钢并用钢楔子加力，快速转入后续结构施工。3三维数值分析3.1模型建立计算模型长150 m、宽150 m、高50 m，土体采用3D实体单元，隧道结构、明挖基坑围护结构采用2D板单元，基坑内支撑、基底型钢支撑采用1D梁单元。对有限元模型进行分，模型单元总计6 7 540个。土体采用修正摩尔库伦本构模型，结构材料采用弹性本构模型。地表取为自由边界，其他五个面均约束其法向变形。-122-3.2参数选取计算模型中各土层计算参数根据地质勘查报告选取，钢筋混凝土结构弹性模量均采用等效刚度法进行换算。000容重/变形模量/项目黏聚力/kPa(kNm)MPa000杂填土既有运营隧道粉质黏土000粉质黏土混砾石强风化泥质24.8粉砂岩中风化泥质24.9粉砂岩表2 结构单元力学参数项目容重/(kNm3)C3025.0C4025.0钢78.5加固土体20.03.3计算工况基坑上跨既有运营隧道施工模拟步骤：对基坑与隧道之间中间夹土进行预加固；施作围护结构；分层、分块开挖基坑并及时架设内支撑；基底抽条开挖及架设型钢支撑；施作明挖基坑内部结构。3.4计算结果分析计算各施工工况下，下卧隧道拱顶、拱腰及隧底变形，并将计算结果与现场监测数据进行对比分析。基坑施工中对隧道沉降、收敛应进行监测，在施工区域沿隧道纵向每5m布置一个监测断面，每个断面布置4个观测点，隧道横断面监测点布置见图3。本1道床测点图3下卧隧道测点布置断面表1岩土层力学参数18.0519.01320.2151650泊松比弹性模量/kPa0.230.000 0000.232.500.0000.3200 000 000150000拱顶测点中腰测点内摩擦角/(）81030203222802220028山东交通科技3.4.1拱顶变形各施工工况下拱顶变形值见图4。5.04.54.03.53.02.52.01.5上1.00.5140开挖3步基抗施工工况图4各工况下隧道拱顶变形随着基坑分层、分块开挖卸载，在基坑影响范围内下卧隧道拱顶发生隆起变形，且随着开挖卸载量增加，拱顶隆起变形越明显；结构回筑阶段，上覆荷载增加，隧道拱顶隆起量减少。基坑开挖过程中，隧道拱顶最大竖向变形监测值3.8 6 mm，低于变形计算值4.34mm，低于变形控制值5mm。3.4.2拱腰变形各施工工况下拱腰变形值见图5。4.54.03.53.02.52.01.51.00.50开挖1步图5各工况下隧道拱腰变形随着基坑分层、分块开挖卸载，下卧隧道拱顶表现为局部隆起变形，隧道结构满足变形协调，水平向表现为收敛变形，即拱腰向隧道内侧挤压变形，且随着拱顶变形增加，拱腰收敛变形越明显，随着基坑内部结构回筑，拱腰收敛变形有所减小。基坑开挖过程中，隧道拱腰最大水平变形监测值3.6 5mm，低于变形计算值3.8 7 mm，低于变形控制值5mm3.4.3隧底变形各施工工况下隧底变形值见图6。2023年第5期4.03.53.02.52.01.51.00.50一隧道拱顶变形计算值开挖2 步开挖3一隧道拱顶变形监测值开挖5步开挖6 步开挖7 步一隧道拱腰变形计算值一一隧道拱腰变形监测值开挖5步开挖6 步开挖7 步基抗施工工况隧道底部变形计算值一隧道底部变形监测值开挖5步开挖6 步开挖7 步基抗施工工况图6 各工况下隧道底部变形随着基坑分层、分块开挖卸载，基底以下土体原三向受压状态发生变化，土体应力重分布，发生回弹变形，隧道底部与地基同步回弹变形，且随着上覆基坑开挖卸载量增加，隧底隆起变形越明显，随着基坑内部结构回筑，隧底隆起变形有所减小。基坑开挖过程中，隧道底部最大竖向变形监测值2.78mm，低于变形计算值3.12 mm，低于变形控制值5mm。计算及监测结果均表明，运用微压力扰动搅拌阶梯式注浆加固，考虑“时空效应”的分层、分块开挖及基底抽条开挖，架设型钢支撑等措施可有效控制隧道拱顶隆起、横向收敛及隧底隆起变形。4结语数值计算方法可以可靠地预测基坑开挖引起的下卧隧道拱顶、拱腰、隧底等不同部位变形规律及变形大小。工程中采用微压力扰动搅拌阶梯式注浆加固，考虑“时空效应”的分层、分块开挖及基底抽条开挖，架设型钢支撑等措施对控制下卧隧道变形效果显著。参考文献：1王卫东，李青，徐中华.软土地层邻近隧道深基坑变形控制设计分析与实践【J.隧道建设（中英文），2 0 2 2,42(1):163-175.2 罗鑫，王冰洁，尹燕良，等.基坑开挖影响下下卧盾构隧道变形及控制措施研究J.安全与环境工程,2 0 2 1(2):86-94.【3朱炎兵.新建桥涵上跨运营隧道保护方案及措施研究J.铁道工程学报,2 0 2 1（12）:10 2-10 7.4乔南.明挖箱型隧道基坑施工对下卧既有隧道变形影响及加固措施研究D.成都：西南交通大学，2 0 16.5潘毫，韩玉珍，聂小凡，等.明挖区间长距离上跨既有盾构区间风险控制措施研究J.建筑结构,2 0 2 2（52):3142-3147.-123一