基坑分区开挖对既有隧道竖向变形控制分析.pdf

第 卷 第 期洛阳理工学院学报(自然科学版)年 月 ()基坑分区开挖对既有隧道竖向变形控制分析黄旭辉 张有桔(.安徽建筑大学 土木工程学院 安徽 合肥.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心 安徽 合肥)摘 要:采用 建立了合肥市地铁 号线上方天鹅湖隧道基坑分区开挖的三维数值模型 通过与监测数据对比验证了数值模型的合理性 研究了分区参数和开挖顺序对隧道竖向变形的控制效果 综合考虑变形控制效果和实际工程造价后给出了相关参数的建议取值 基坑分区越细致对隧道竖向变形的控制效果越好但分区基坑尺寸处于 后控制效果的提升并不显著 先开挖隧道两侧分区产生的隧道竖向变形小于先开挖隧道上方分区变形 先后开挖区不相邻顺序施工产生的隧道竖向变形小于先后开挖区相邻产生的变形关键词:分区开挖 基坑工程 隧道竖向变形 控制措施:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:黄旭辉()男安徽马鞍山人在读硕士研究生主要从事地下结构计算方面的研究.:.通讯作者:张有桔()男安徽全椒人硕士高级工程师主要从事基坑隧道工程方面的研究.:.随着城市地下轨道交通、地下通道、地下快速路等交通系统的不断发展 对既有隧道上覆地层进行开挖施工无法避免 上覆地层的开挖会对隧道产生不利影响 甚至造成工程事故 分区开挖通过合理的开挖顺序减小同一时间内的开挖量 及时设置支护结构和底部压板以减小开挖卸荷对隧道的影响 具有良好的经济性和较高的可行性 周宁比较了不同方向分区方案的变形控制效果 发现“工”字的分区方案效果较好 温锁林提出了与隧道斜交的分区方案 但分区基坑跨度大且斜交角度小 不利于施工 郭鹏飞采用分区开挖和对称跳仓开挖结合的方式控制了隧道变形 毕书琦沿隧道走向进行基坑分区 按先两边后中间的顺序开挖 但各分区跨度依然较大 可进一步优化方案还有其他相关工程的研究这里不再赘述 这些研究并未深入分析分区参数和施工顺序的影响 本文基于合肥市天鹅湖隧道上穿 号线工程 结合基坑开挖方案研究分区尺寸和开挖顺序对下卧隧道竖向变形的控制效果 工程概况合肥市天鹅湖隧道上穿 号线工程采用围堰明挖法施工 下方既有地铁 号线已建成并投入使用 涉轨段基坑宽度为 地铁隧道为盾构隧道 直径为 隧道衬砌由预制管片拼装连接 厚度为 开挖范围内平均覆土厚度约为 左、右线隧道轴线间距约为 涉轨段基坑采用分区开挖的方案施工 利用隔离桩将既有隧道上方的深基坑被分为 块区域 各区域再分层开挖 开挖卸荷过程中及时浇筑混凝土垫层和压板等结构实现保护基坑和适量加荷的作用 涉轨段基坑细节面如图 所示小型基坑的平面尺寸为 如图 ()所示 各小型基坑开挖先后顺序按图中数字顺序进行 竖直方向上 各小型基坑被分成厚度为 的 层开挖层 第 开挖层至第 开挖层被分为 块 如图 ()所示 各开挖层先后顺序按图中数字顺序进行第 期黄旭辉 等:基坑分区开挖对既有隧道竖向变形控制分析()涉轨段基坑平面示意图 ()涉轨段基坑纵剖面示意图 图 涉轨段基坑细节面 数值模型 模型建立采用 建立三维数值模型模拟既有隧道上方基坑分区开挖施工过程 为避免边界效应 计算模型地基土厚度为 、平面尺寸 基坑开挖深度 、平面尺寸 、涉轨段基坑围护桩桩长 、北段桩长 、南段桩长 隧道直径 、上覆土层厚度 、衬砌厚度为 、左线和右线隧道轴线距离 数值模型如图 所示图 数值模型示意图 参数选取基坑冠梁和内部支撑结构采用梁单元进行模拟 基坑混凝土垫层、压板、隧道衬砌采用板单元模拟围护桩基于等效刚度原理转化为板单元进行模拟 隧道、基坑围护结构与土体间设置界面单元 界面刚度设置为 结构单元截面尺寸及材料参数如表 所示表 主要结构材料参数表结构形式截面形式选用材料弹性模量/重度/()泊松比 混凝土支撑矩形边长 混凝土.钢支撑圆管直径 、管壁厚 钢.冠梁圆形直径 混凝土.围护桩圆形直径 混凝土.坑底垫层厚度 混凝土.洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷 续表 主要结构材料参数表结构形式截面形式选用材料弹性模量/重度/()泊松比 坑底压板厚度 混凝土.隧道衬砌厚度 混凝土.模型地基采用 模型 基坑开挖范围内土体自上而下分别为填土、粉质黏土、强风化泥质砂岩各层土体具体物理力学参数如表 所示表 各地层土体物理力学属性表土层名称干重度/()湿重度/()参考割线模量/参考切线模量/参考卸载再加载模量/相关幂指数 泊松比 黏聚力/内摩擦角/()填土.粉质黏土.粉质黏土.强风化泥质砂岩.计算过程数值模拟计算过程:生成初始地应力和初始水压力 激活隧道衬砌和围护结构 将基坑内部水位线降至开挖面下 重置位移为 分层开挖区基坑 激活区的垫层和压板 按相同的步骤对其余分区基坑施工 直至基坑整体开挖完成 计算结果分析 计算模型变形云图完全开挖后的基坑变形图及隧道变形云图如图 所示 基坑开挖卸荷带动了四周土体向基坑一侧移动 底部土体发生隆起 隧道竖向变形最大值出现在基坑中心正下方 向两端逐渐减小 由于基坑非对称的开挖方式 左、右线隧道的竖向变形存在较小的差异()总变形云图 ()隧道变形云图图 基坑及隧道总变形云图 隧道竖向变形隧道最大竖向变形随开挖阶段的变化如图 所示 计算值曲线与实际监测值曲线较为吻合 开挖阶段产生的变形最大值为 最终阶段模拟值 与实际监测值相比相差较小 开挖阶段隧道最大竖向变形随卸荷量的增大而逐渐增大 又因垫层和压板的加荷作用小幅降低开挖最终阶段隧道沿线竖向变形的变化如图 所示 数值计算值曲线与实际监测值曲线较为吻合 隧道最大竖向变形出现在基坑中心正下方 并且向隧道两端逐渐减小 由于分区开挖顺序的影响 右线隧第 期黄旭辉 等:基坑分区开挖对既有隧道竖向变形控制分析道竖向变形略微大于左线隧道 与实际监测情况相符合图 开挖各阶段隧道最大变形变化曲线 图 开挖最终阶段隧道沿线竖向变形变化曲线 坑底土体隆起基坑底部最大隆起值随开挖阶段的变化如图 所示 数值计算值曲线与实际监测值曲线较为吻合 坑底土体最大隆起发生在分区基坑的中心 内 区基坑逐渐开挖 因垫层和压板的作用有所减小坑底土体隆起随着卸荷的增加逐渐增大 其他分区基坑的施工会带动 区土体变化 但随着垫层和压板的施工 基坑整体稳定性逐渐提高 区基坑受其他分区的影响也逐渐减小 坑外地表沉降开挖终阶段坑外地表沉降的变化规律如图 所示 数值计算值曲线与实际监测值曲线较为吻合 基坑开挖完成后坑外地表最大沉降为 发生在基坑边缘 并随着距基坑距离的增加而减小 逐渐趋向于 实际监测值最大约为 左右 发生在坑外 左右的位置 由于监测值数据样本较小 与模拟值间对比关系的可靠性不足 数值模拟中坑外地表沉降最大值发生的位置与实际监测中有所差别 可能是软件设置的材料界面属性与实际有所误差图 开挖各阶段坑底土体最大隆起值变化曲线 图 开挖终阶段坑外地表沉降曲 分区开挖对下卧隧道变形控制效果分析为了描述控制措施对隧道变形的控制效果 有学者提出了隧道变形控制有效率()式中:为未采取控制措施时隧道因卸荷产生的最大竖向变形 为采取控制措施后的隧道最大竖向变形 该值介于 之间 且越接近 说明控制效果越显著 洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷 沿基坑长度方向分区为分析沿基坑长度 分区对隧道变形控制有效率的影响 数值模型基坑长度 取 其他条件保持不变 分区基坑长度分别为 、隧道变形控制有效率 随分区长度的变化如图 所示 分区长度大于 时 随分区长度的减小不断提高 当分区开挖长度在 范围内 再细化分区对 的提升并不显著 考虑到实际施工的可行性和分区隔离桩的造价问题 建议类似工程中基坑分区长度取 沿开挖宽度方向分区为分析沿开挖宽度 分区对隧道变形控制有效率的影响 数值模型基坑宽度 取 其他条件保持不变 分区长度分别为 、隧道变形控制有效率 随分区基坑宽度的变化规律如图 所示 随分区宽度的减小逐渐增大 曲线存在转折点 当分区开挖宽度大于 时 的提升较为缓慢 当分区宽度小于 时 快速增加 考虑到实际施工的可行性和分区隔离桩的造价问题 建议工程中基坑分区宽度采用 图 分区开挖长度对隧道变形控制有效率的影响 图 分区开挖宽度对隧道变形控制有效率的影响 分区基坑开挖顺序研究为分析分区基坑不同开挖顺序对隧道最大竖向变形的影响 数值模型中基坑长度 取 、宽度 取 其他条件保持不变 分区基坑平面尺寸为 具体开挖方案如图 所示 图中数字为开挖的先后顺序 方案与方案为对照组 方案后开挖区与先开挖区相邻 方案后开挖区与先开挖区不相邻 方案与方案为对照组 方案先开挖隧道两侧的基坑 方案先开挖隧道上方的基坑()方案 ()方案 ()方案 ()方案图 分区开挖方案示意图不同方案隧道最大竖向变形随基坑开挖量的变化曲线如图 所示 相同开挖量下 隧道因不同开挖顺序产生不同的竖向变形 对比方案和方案发现 后开挖区与先开挖区不相邻开挖产生的隧道竖向变形较小 对比方案和方案发现 先开挖隧道两侧的基坑产生的隧道竖向变形较小 可能是先开挖区垫层、压板与围护桩连结成刚度较大的完整结构 有效限制了后开挖区地层的隆起 从而更好地控制了隧道变形 因此 采用分区开挖时 建议先开挖隧道两侧的基坑 后开挖区尽量与先开挖区不相邻第 期黄旭辉 等:基坑分区开挖对既有隧道竖向变形控制分析图 不同分区开挖方案下隧道最大竖向变形变化曲线 结 语采用 建立了合肥市天鹅湖隧道上穿 号线工程的三维数值模型 模拟了涉轨段基坑分区开挖的施工过程 分析了分区参数和开挖顺序对隧道变形控制效果的影响 数值计算的隧道竖向变形、坑底土体隆起与实际监测数据吻合良好 坑外地表沉降最值出现的位置与实际值有所出入 但样本较小可靠性较低 基坑分区越细致对隧道竖向变形的控制效果越好 分区基坑尺寸处于 后控制效果的提升并不显著 先开挖隧道两侧分区基坑产生的隧道竖向变形小于先开挖隧道上方分区基坑 按先后开挖区不相邻顺序施工产生的隧道竖向变形小于先后开挖区不相邻参考文献:.().():.陈仁朋王诚杰鲁立等.开挖对地铁盾构隧道影响及控制措施.工程力学():.周宁袁勇王莉等.基坑开挖对下方越江隧道变形影响的评价.防灾减灾工程学报():.温锁林.近距离上穿运营地铁隧道的基坑明挖施工控制技术.岩土工程学报(增刊):.郭鹏飞杨龙才于正.上方开挖卸荷作用下地铁隧道的实测数据分析.华东交通大学学报():.毕书琦甘彬霖梁亚华等.基坑开挖对既有近距离下卧隧道影响实测分析.科学技术与工程():.李志高刘国彬曾远等.基坑开挖引起下方隧道的变形控制.地下空间与工程学报():.魏纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析.岩土力学():.郑刚刘庆晨邓旭.基坑开挖对下卧运营地铁隧道影响的数值分析与变形控制研究.岩土力学():.濮居一刘波.软弱地层中基坑土体加固对下卧地铁隧道变形及开挖影响区的控制效果.岩土工程学报():.(.):.:(责任编辑:黄广霞)