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既有地铁隧道与基坑的安全距离研究

作者:李志伟,杨岳峰,俞伟,李峰  发布:2017/7/7  浏览:
单位:福建省建筑科学研究院,福建省绿色建筑技术重点实验室

摘 要:结合具体工程实例,针对拟建基坑与既有地铁隧道间的安全距离进行深入分析。在常规基坑变形控制条件下,建议隧道结构与围护墙间距≥20m,以便于保护隧道结构的安全。在加强基坑支护刚度的条件下,随着围护墙与隧道结构间距的减小,基坑支护刚度加强所需代价将逐渐增大。当围护墙与隧道结构间距≤12m时,即便花费极大的基坑支护代价提高基坑支护刚度,仍较难以满足隧道结构的安全要求。当围护墙与隧道结构间距>15m时,基坑支护代价逐渐减小,隧道结构的安全更易得到保证。

0 引言

随着我国城市化进程的加快,城市土地资源已经越来越无法满足人们的需要,迫使人们把城市建设的目光投向高层建筑及地下空间的开发,随之而来的是高层建筑和地下工程的大规模建设,城市地下空间的开发已成为一个发展趋势。而地下空间的大规模开发势必都面临越来越多的深、大、紧复杂深基坑工程,深基坑施工对周边环境的影响亦越发受到关注,尤其是面对趋于完善的城市交通体系,城市密集区的深基坑工程中不可避免地遇到地下空间开挖对临近已运营或在建隧道影响的情况。

为加强城市轨道交通的规划建设,保障城市轨道交通建设顺利进行,国内诸多城市在地铁周边一定范围内设立了安全控制保护区。在轨道交通控制保护区范围内开展建设项目,业主或施工单位应当制定轨道交通设施保护方案,并征得轨道交通建设单位的同意后,按规定程序办理审批手续。与此同时,为充分保护轨道交通设施的安全,各城市的地铁管理部门通常制定了极为严苛的变形控制标准,以确保万无一失。

针对深基坑开挖对临近隧道的影响己有诸多学者做了相关研究[1-10] ,但鲜有文章针对基坑与既有隧道之间安全距离进行界定和研究,仅行业标准[11] 规定了盾构法外部作业的工程影响分区及城市轨道交通结构安全控制指标值。尽管该规定具有一定的指导意义,但对于寸土寸金的城市地下空间,针对具体实际工程仍有待于对既有隧道与基坑的安全距离进行较为深入分析与界定,以便更充分合理地利用地下空间。

本文结合具体工程实例,针对拟建基坑与既有地铁隧道之间的安全距离进行深入分析,尽可能在保证地铁隧道结构的安全前提下,减小基坑施工期间专项保护措施费用,并充分、高效地利用地下空间。

1 工程概况

1. 1 项目概况

已建隧道区间段为平面曲线段,曲线半径为320m,覆土最大厚度为 11. 3m,最小厚度为 4. 13m。拟建建筑设 3 层地下室,开挖深度约 18. 0m。拟建项目与已建地铁隧道的相对位置关系如图 1 所示。

图 1  拟建项目与隧道平面布置

由图 1 可知,已建隧道与拟建项目的规划用地在平面位置上存在冲突,直接导致隧道与拟建地下结构之间距离过小。为尽可能减小因盾构隧道的存在而影响拟建项目的建设,有必要对拟建基坑与隧道之间的安全距离进行评估,从而在确保盾构隧道安全的前提下,确保项目的顺利建设。

1. 2 场地地质条件

场地内各土层分布及参数具体如表 1 所示。

表 1   土层物理力学参数

根据地下水埋藏条件和含水性质分类,场地地下水为孔隙潜水、孔隙承压水和裂隙承压水。勘察期间测得钻孔初见水位 9. 230 ~ 6. 800m,稳定水位为 9. 730 ~4. 700m,水位起伏较大。

2 分析模型

2. 1 土体与结构参数

土体本构模型采用硬化土模型,其基本思想是基于三轴排水试验中偏应力与轴向应变之间的双曲线关系建立的,主要参数有主偏量加载刚度模量E 50 、卸载/再加载刚度模量 E ur 及侧限压缩刚度模量 E oed 。依据软土地区工程经验及大量试验结果[12-13] ,本文取 E50= E oedref= E s1-2 ,E ur = 6E 50 ,土体采用 15 节点三角形单元进行模拟,土层厚度取60m,宽度取 260m。根据项目初步规划,基坑宽度暂按 100m 计,基坑深度暂按 18m 考虑,故土体宽度及厚度均可满足模型计算要求。

围护墙、钢筋混凝土内支撑及隧道结构按抗弯刚度及抗压刚度进行等效,并采用 5 节点梁单元进行模拟,混凝土的弹性模量均取 30GPa。

2. 2 支护结构参数

综合场地的工程及水文地质条件、周边环境及开挖深度等因素,该工程拟采用围护墙作为挡土及止水构件,并设置 3 道钢筋混凝土内支撑。

为便于模型的建立,围护墙统一按墙体予以考虑,并假设围护墙厚度为 800mm,3 道钢筋混凝土内支撑的支锚刚度均为 25MN/m,坑外超载按 20kPa考虑。

2. 3 计算分析工况

本模型的具体计算分析工况如下。

1)建立土层,形成初始地应力,并对位移清零。

2) 建立双线隧道结构模型,并对位移进行清零。

3)建立围护桩。

4)土方开挖至 -1. 000m。

5)施工第 1 道钢筋混凝土内支撑。

6)土方开挖至 -7. 000m。

7)施工第 2 道钢筋混凝土内支撑。

8)土方开挖至 -13. 000m。

9)施工第 3 道钢筋混凝土内支撑。

10)土方开挖至基坑底标高 -18. 000m。

3 隧道保护控制标准

住房和城乡建设部于 2013 年 9 月 25 日发布了行业标准 CJJ/T202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》,该标准规定了盾构法外部作业的工程影响分区宜按表 2 确定,具体如图 2 所示。

表 2  盾构法外部作业的工程影响分区

图 2   外部作业的影响分区

同时,该规范规定了城市轨道交通结构安全控制指标值,具体如表 3 所示。

表 3  隧道安全控制指标值

4 不考虑隧道影响计算结果

4. 1 弹性地基梁法计算结果

结合地方经验,一般一级基坑的基坑支护围护桩顶部水平位移设计计算限值取 20mm 和 0. 2% 基坑深度的较小值;基坑支护围护桩深层水平位移设计计算限值取 40mm 和 0. 3% 基坑深度的较小值。在不考虑周边环境控制要求的情况下,采用上述支护体系,开挖到坑底标高时,围护墙的变形(最大值为 39. 91mm)可满足基坑变形控制要求,具体变形及内力计算结果如图 3 所示。

 图 3  围护墙的变形及内力计算结果

4. 2 有限元计算结果

当不考虑隧道存在时,采用有限元方法分析所得基坑变形如图 4 所示。

图 4  围护墙变形曲线

由图 4 可知,有限元计算所得围护墙最大水平位移为39. 71mm 和39. 65mm,与弹性地基梁法计算结果基本吻合,与理正深基坑支护设计软件计算结果基本吻合,说明上述有限元模型所采用的模型尺寸、土层参数等是合理的,为下文计算分析结果的准确性奠定了基础。

同时,为便于下文进行对比分析,对未考虑基坑影响的隧道土压力进行分析,具体如图 5 所示。

图 5  盾构隧道外壁土压力

由图 5 可知,当隧道结构未受到基坑施工影响时,隧道外壁土压力值为 132. 86kPa。

5 考虑隧道影响的常规基坑计算结果

结合 CJJ/T202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》规定,盾构法外部作业的工程影响分区以隧道直径作为划分模数,故在分析常规基坑变形控制条件(即仅为常规设计,未考虑地铁隧道存在的影响)下基坑开挖对隧道结构变形影响时,基坑边线与隧道结构之间的距离参数亦以隧道直径作为模数,考虑到隧道直径 d =6. 2m,故二者距离D 近似按 6. 0,12. 0,15. 0,18. 0,20. 0,24. 0m。

5. 1 围护桩变形计算结果

当围护墙与隧道结构之间的距离分别选取上述距离时,基坑的变形如表 4 所示。

表 4  围护墙水平位移

由表 4 可知,临近隧道结构一侧的围护墙水平位移小于远离隧道结构一侧的围护墙水平位移,这表明当基坑边缘存在隧道结构时,由于隧道结构的影响,作用在围护结构上的土压力较小,使得临近隧道结构一侧的围护墙变形较远离隧道结构一侧的围护墙变形小,基坑整体呈现向临近隧道一侧的变形。

5. 2 隧道变形计算结果

在基坑施工过程中,隧道结构的变形性状如图6 所示,具体位移值如表 5 所示。

图 6  隧道结构位移

表 5   隧道结构位移

由表 5 可以看出,在基坑开挖过程中,隧道结构发生了朝向基坑一侧的变形,且随着基坑与隧道结构距离的增大,其变形逐渐减小。根据变形控制标准,当隧道结构与基坑距离达到 2 倍隧道直径时,其变形即可满足要求。

5. 3 隧道外壁压力计算结果

在基坑开挖影响下,隧道结构外壁所受的土压力荷载如图 7 所示,具体压力值如表 6 所示。

图 7  隧道结构外壁土压力

表 6  隧道结构外壁土压力

由图 7 和表 6 可知,由于受到基坑开挖的影响,隧道结构外壁的压力值显著增大,尤其是当隧道结构与基坑距离为 6m 时,临近基坑侧的隧道结构外壁土压力值增幅达 67%,显然大于规范规定的控制值(20kPa)。当二者相对距离达到 20m 时,隧道结构外壁的压力值增幅约 19. 50kPa,基本等同于规范规定控制值(20kPa)。

这表明在常规基坑支护条件下,当围护墙与隧道结构之间距离为 20m 时,隧道结构的位移和所受外壁的压力增幅均可满足规范规定限制,此时仅需进行常规的基坑支护设计,即可满足隧道结构的变形控制要求。

6 基坑刚度加强后计算结果

根据以上分析可知,在常规基坑支护设计条件下,隧道结构与围护墙之间的相对距离应≥20m,此时隧道结构的变形及外壁压力增值方可满足规范要求,且相比位移控制指标,隧道结构外壁压力增量是隧道结构安全距离的主要控制指标。

考虑到本工程用地较紧张,若将围护墙与隧道结构安全定为 20m,显然浪费过多的地下空间,故下文拟将隧道与围护结构间距缩小,而通过增强围护墙及支撑的刚度来满足隧道结构安全距离控制指标(即下文中所述的“加强基坑支护刚度”)。

6. 1 相对距离为 6m

当围护墙与隧道结构间的距离为 6m 时,拟通过以下 2 种方式提高基坑支撑刚度:①围护墙厚度不变,增大支撑刚度;②同时增大围护墙厚度及支撑刚度,具体计算结果如下。

1)围护墙厚度不变,支撑刚度增大至 100MPa

由表 7 可知,当围护墙厚度不变,支撑刚度增大至 100MPa 时,远离及临近基坑的隧道结构位移均可满足规范控制要求。

表 7  隧道结构位移及外壁土压力值

然而,此时临近基坑侧的隧道结构外壁土压力最大值达 200. 11kPa,增幅显著大于规范规定控制值。显然,尽管支撑刚度增大至 100MPa 时,邻近基坑侧隧道结构外壁压力值无法满足要求。

2) 围护墙厚度增大至 1. 2m,支撑刚度增大至 300MPa

由表 8 可知,当围护墙厚度增大至 1. 2m,支撑刚度增大至 300MPa,隧道结构位移显然可满足规范控制要求,但此时邻近基坑侧的隧道结构外壁土压力最大值仍达 161. 45kPa,即邻近基坑侧隧道结构外壁压力值增幅仍略大于规范规定控制值。

表 8  隧道结构位移及外壁土压力值

这表明当围护墙与隧道结构间距为 6m 时,尽管隧道结构的变形较易满足变形控制要求,但隧道结构外壁压力值增幅仍较难满足控制要求。因此,在该距离条件下,即便花费了极大的基坑支护代价,隧道结构的安全仍较难得到保证。

结合标准规定,当围护墙与隧道结构间距为6m,即围护墙位于强烈影响区内时,表明当基坑位于强烈影响区范围内时,即便基坑支护刚度显著提高,仍较难满足隧道结构安全保护要求。

6. 2 相对距离为 12m

根据以上分析结果可知,当围护墙与隧道结构间距为 12m 时,在常规基坑变形控制条件下,隧道结构的位移可满足变形控制要求,而隧道结构外壁的压力值是主要的控制指标,为减小基坑开挖对隧道结构内力的影响,拟将围护墙厚度增大至 1. 2m,支撑刚度增大至 300MPa。

当围护墙厚度增大至 1. 2m,支撑刚度增大至300MPa 时,邻近基坑侧隧道水平位移为 3. 04mm,竖向位移为 1. 09mm,邻近基坑的隧道结构位移均可满足规范控制要求,但邻近基坑侧的隧道结构外壁压力值仍达到 160. 22kPa,增幅为 27. 37kPa,增幅仍略大于规范规定控制值。

因此,当围护墙与隧道结构之间的距离为 12m,即便增加支护结构刚度可使得隧道结构的位移满足控制标准,但隧道结构所受的外壁压力值较难满足控制指标,故当围护墙与隧道结构间距为 12m,即便花费较大的基坑支护代价,隧道结构的安全仍难以得到保证。

结合标准规定,当围护墙与隧道结构间距为12m 时,此时基坑位于显著影响区内,这表明当基坑位于强烈影响区范围内时,即便基坑支护刚度显著提高,仍较难满足隧道结构安全保护要求。

6. 3 相对距离为 15m

当围护墙与隧道结构间距为 15m,通过以下 2种方式提高基坑支撑刚度:①围护墙厚度不变,增大支撑刚度;②同时增大围护墙厚度及支撑刚度。

1)围护墙厚度不变,支撑刚度增大至 280MPa

当支撑刚度增大至 280MPa,邻近基坑侧的隧道结构外壁压力值增幅约 19. 95kPa,略小于规范规定控制值,因此,当围护墙与隧道结构间距为 15m,支撑刚度增大至 280MPa,隧道结构的变形及外壁压力值可满足控制要求。

2) 围护墙厚度增大至 1. 0m,支撑刚度增大至 150MPa

当围护墙厚度增大至 1. 0m,支撑刚度增大至150MPa 时,邻近基坑侧隧道结构外壁压力值增幅约为 19. 58kPa,略小于规范规定控制值。因此,当围护墙厚度增大至 1. 0m,支撑刚度增大至 150MPa时,隧道结构的变形及外壁压力值均可满足控制要求。

因此,当围护墙与隧道结构间距为 15m,可通过以下 2 种方式确保隧道结构的安全:①围护墙厚度不变,支撑刚度增大至 280MPa;②围护墙厚度增大至 1. 0m,支撑刚度增大至 150MPa,但此时基坑支护亦需花费较大代价,方可保证隧道结构的安全。

6. 4 相对距离为 18m

当围护墙与隧道结构间距为 18m,拟保持围护墙厚度不变,通过增大支撑刚度的方式提高基坑支护整体刚度。

当支撑刚度增大至 120MPa,邻近基坑侧的隧道结构外壁压力值增幅约 19. 86kPa,略小于规范规定控制值。因此,当围护墙与隧道结构间距为 18m,支撑刚度增大至 120MPa,隧道结构的变形及外壁压力值可满足控制要求。

因此,当围护墙与隧道结构间距为 18m,可仅通过增大支撑刚度,隧道结构的安全即可得到保证,此时基坑支护仅需花费较小的代价即可保证隧道结构的安全。

6. 5 小结

1)当围护墙与隧道结构间距≤12m,即围护墙位于隧道结构的显著影响区范围内,即便花费极大的基坑支护代价提高基坑支护刚度,仍较难满足隧道结构的安全要求。

2)当围护墙与隧道结构间距为 15m,围护墙位于隧道结构的一般影响区范围内,可以通过单独增大支撑刚度或同时增大围护墙及支撑刚度以满足隧道结构的安全保护要求。

3)当围护墙与隧道结构间距为 18m,围护墙位于隧道结构的一般影响区的外边界处,可以通过增大支撑刚度以满足隧道结构的安全保护要求。

7 结语

1)在常规基坑变形控制条件下,建议隧道结构与围护墙之间的相对距离≥20m,以便保护隧道结构安全。

2)在加强基坑支护刚度的条件下,随着围护墙与隧道结构间距的减小,基坑支护刚度加强所需代价将逐渐增大。当围护墙与隧道结构间距≤12m,即基坑位于隧道结构的显著影响区范围内,即便花费极大的基坑支护代价提高基坑支护刚度,仍较难满足隧道结构的安全要求。而当围护墙与隧道结构间距 >15m,即基坑位于隧道结构的一般影响区范围,基坑支护代价逐渐减小,隧道结构的安全更易得到保证。

上述结论是针对本项目特定条件得到的,具体针对某一特定工程,围护墙与隧道结构间的安全距离仍应根据具体情况进行分析。同时,当隧道结构不以隧道外壁压力值变化作为主要控制指标时,围护墙与隧道结构间的安全距离进一步减小,此时基坑支护的代价更小,基坑支护难度亦更小。

摘自《施工技术》
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