大规模深基坑分区阶次卸载对地铁隧道的影响

    随着经济建设的不断发展,开发运营中的地铁隧道周边地带将不可避免,如何保证对运营中的地铁隧道的影响最小,成为需要重点关注的问题。以某工程项目为例,通过有限元数值模拟,研究了大规模深基坑分区阶次开挖对既有隧道的影响,为附近基坑的地下连续墙设计长度取值提供根据。

引言
   随着上海经济建设的不断发展,运营中的地铁隧道周边地带的开发利用需求极大。相对于一般的施工环境,隧道周边区域由于距离地铁较近,在开发时必须考虑地铁运营的安全,尤其是大型深基坑的施工,在土体卸载过程中如何确保隧道变形满足运营要求是其施工最大难点。
1 工程概况
1.1项目简介
某大规模深基坑工程位于上海市中心,基坑挖深约14m,长约190m,宽60m,由于运营中的地铁隧道位于工程正下方,基坑被分为南北2个小基坑,2个基坑距离地铁水平距离均为8m左右,基坑之间通过8m宽的车行通道连接(图1)。此外,在基坑南侧紧邻另一条隧道,最近间距为7m左右。

图1 基坑与隧道关系示意
由于地块周围环境条件严峻,为满足2条隧道正常运营要求,拟采用“分区顺做法”的总体方案:将北边基坑分为S1-A区、S1-B区先后分别实施,将南部基坑分为S2-A区、S2-B区先后分别实施,具体分区如图2所示。

图2 基坑分区开挖示意
1.2计算评判指标
据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》,由于深基坑、高楼桩基、降水、堆载等各种荷载和加载的建筑活动对地铁工程设施的综合影响限度,必须符合地铁结构设施绝对沉降量≤20mm。(包括各种加载和卸载的最终位移量)。隧道变形曲线的曲率半径R≥15000m。
2 基坑开挖数值模型
2.1有限元模型建立
采用通用有限元分析软件MARC进行基坑开挖的全过程模拟。
2.1.1有限元材料模型
采用8节点的实体单元模拟土体,采用壳单元来模拟地下连续墙和既有隧道,采用梁单元模拟支撑。数值分析中采用Mohr-Coulumb本构模型对场地土体进行模拟,土体参数根据工程地质勘查报告取值。
2.1.2有限元几何模型
结合有限元模拟经验,一般基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3~5倍,影响深度约为2~4倍,故确定影响范围为由基坑边向外延伸100m,土体深度方向延伸70m。
2.1.3有限元边界条件
本模型采用标准边界形式,即计算模型底部节点限制其水平向和竖向位移为零,四周限制水平面(x、z方向)位移为零,上表面为自由面。
2.2计算工况
对比计算地下连续墙围护深度分别为51m和40m条件下,基坑施工对既有隧道结构的影响。

图3初始地应力场位移
根据实际工程开挖步骤,本次模拟分初始地应力场计算,分层开挖S1-A、S2-A区域基坑,分层开挖S1-B、S2-B区域基坑,开挖S1-B、S2-B之间的联络通道4步进行,图3为初始地应力场。
3 计算结果分析
3.1方案一
3.1.1基坑整体变形分析
采用方案一,在消除初位移影响(1.8cm)后,基坑周边最大沉降1.5cm,基坑底部隆起7.2cm(图4)。
3.1.2隧道变形结果分析
相比较于基坑南侧隧道,基坑下方隧道受2个基坑共同影响,隧道自身离基坑也更近,限于篇幅,这里仅分析基坑下方隧道变形。

图4基坑及周边竖向位移(未去除1.8cm初始位移影响)
采用方案一,处于基坑连通道下方的隧道呈现隆起状态,最大竖向位移为17mm。
3.2方案二
3.2.1基坑整体变形分析
采用方案二,在消除初位移影响(1.1cm)后,基坑周边最大沉降2.3cm,基坑底部隆起8.9cm(图5)。
3.2.2隧道变形分析
4 结语
依据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》,对于原设计方案设计的51m地下连续墙埋深(3倍基坑深度),基坑开挖施工对既有地铁区间隧道和车站的影响均在控制标准以内,若改为40m地下连续墙埋深(2.4倍基坑深度),隧道变形则刚达到控制标准要求(表1)。本次数值模拟结果显示,若隧道等建(构)筑物离基坑10m以内距离,要满足其扰动要求,地下连续墙设计长度达到基坑开挖深度的2.5倍比较合适。
图5基坑及周边竖向位移(未去除1.1cm初始位移影响)
采用方案二,基坑下方隧道隆起量较原先方案更大,最大隆起量为2cm左右。

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