外灘通道對(duì)下臥大直徑隧道的開(kāi)挖影響分析

本文依托蘭州地鐵1號(hào)線五里鋪站附屬物業(yè)開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目，采用有限元建模分析了基坑施工對(duì)其下臥地鐵區(qū)間隧道變形及內(nèi)力的影響，對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了評(píng)估并對(duì)后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提出了建議。

針對(duì)復(fù)雜周邊環(huán)境下的深基坑開(kāi)挖,運(yùn)用三維有限元計(jì)算軟件模擬深基坑開(kāi)挖施工全過(guò)程,分析了不同工況下深基坑開(kāi)挖對(duì)廣州地鐵6號(hào)線的影響,為今后類似周邊環(huán)境下深基坑開(kāi)挖奠定了基礎(chǔ)。

在深圳市桂廟路快速化改造工程施工過(guò)程中,前海段下沉式隧道需要采取明挖基坑的方式長(zhǎng)距離平行上跨既有的地鐵11號(hào)線隧道,而基坑開(kāi)挖會(huì)使下臥隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和附加受力,從而影響隧道的運(yùn)行安全。借助數(shù)值分析軟件,對(duì)基坑施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,對(duì)比分析了不同旋噴樁地基加固情況下基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道的受力和變形影響。在此基礎(chǔ)上,提出了合理的地基加固寬度和深度,把地鐵隧道變形控制在規(guī)定范圍內(nèi)。最后,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,驗(yàn)證了所提地基加固方案能有效控制下臥隧道的變形,并為以后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了借鑒和參考。

上海外灘修建地下通道——外灘通道,通道南段采用明挖法施工,在延安東路路口與已建的延安東路隧道產(chǎn)生交叉跨越問(wèn)題。外灘通道基坑坑底與延安東路南、北線隧道拱頂距離僅為7.1m與5.4m,基坑開(kāi)挖必然使下臥運(yùn)營(yíng)隧道產(chǎn)生附加變形以及附加內(nèi)力。為了研究外灘通道開(kāi)挖對(duì)下臥延安東路隧道的影響,以及評(píng)價(jià)不同隧道保護(hù)措施的效果,通過(guò)三維有限元軟件plaxis-gid進(jìn)行四組模擬,包括無(wú)隧道保護(hù)措施的工況、采取土體加固措施的工況、基坑開(kāi)挖過(guò)程中在坑底進(jìn)行堆載的工況以及同時(shí)進(jìn)行土體加固和堆載的工況。實(shí)際工程中同時(shí)采用土體加固和堆載這兩種措施來(lái)保護(hù)隧道,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性。分析表明:基坑開(kāi)挖將對(duì)下臥隧道產(chǎn)生很大的影響,且影響范圍較大,約為6倍基坑寬度,施工中采取合理的隧道保護(hù)措施是十分必要的。

本文以某城市隧道上跨某既有運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間工程為研究對(duì)象,采用有限元軟件midas-gts對(duì)隧道基坑開(kāi)挖及支護(hù)施工過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬,分析隧道基坑開(kāi)挖對(duì)下臥既有地鐵區(qū)間的變形影響規(guī)律,并提出相應(yīng)的地基加固及分步開(kāi)挖等措施控制地鐵區(qū)間的變形。

長(zhǎng)沙田漢大劇院地下空間商業(yè)項(xiàng)目一期基坑工程位于地鐵1號(hào)線某區(qū)段正上方,坑底距隧道頂?shù)淖钚【嚯x約為6.2m?；涌拥孜挥趫A礫層中,地下水較豐富,考慮到降水對(duì)周邊環(huán)境的影響,基坑工程采用封閉式止水帷幕并設(shè)置抗浮錨索?；娱_(kāi)挖、降水引起的土體卸荷、地下水滲流,以及施工的抗浮錨索,共同影響坑底土體回彈,從而對(duì)下臥地鐵隧道產(chǎn)生影響,如何分析與計(jì)算其影響成為該項(xiàng)工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為此先通過(guò)兩種常用的回彈變形估算方法計(jì)算坑底回彈量和隧道隆起位移;然后利用midasgts有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型,分別進(jìn)行3種工況的模擬,包括不考慮地下水滲流影響并不采用抗浮錨索工況,考慮應(yīng)力滲流耦合但不采用抗浮錨索工況,考慮應(yīng)力滲流耦合并采用抗浮錨索工況。對(duì)比分析表明：帷幕滲透率較低時(shí),考慮應(yīng)力滲流耦合與不考慮滲流影響的坑底回彈和隧道隆起位移模擬結(jié)果基本一致;規(guī)范推薦估算方法在合理修正其卸荷應(yīng)力,并確定合理的卸荷影響深度后,其計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近。所得成果可為優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考,并為類似工程提供借鑒。

隨著上海市政隧道項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè),已建運(yùn)營(yíng)隧道鄰近的商業(yè)地產(chǎn)開(kāi)發(fā)越來(lái)越多。地塊開(kāi)發(fā)過(guò)程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、基坑開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工等多個(gè)因素會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道產(chǎn)生影響甚至危害。在已運(yùn)營(yíng)的大直徑隧道鄰近進(jìn)行工程施工時(shí),對(duì)隧道的變形影響分析總結(jié)尤為必要?；趯?shí)測(cè)隧道變形數(shù)據(jù),對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化施工工序進(jìn)行了綜合分析。

基坑開(kāi)挖對(duì)下臥運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響的數(shù)值分析與變形控制研究_鄭剛

針對(duì)軟土地區(qū)實(shí)際工程設(shè)計(jì),采用整體有限元方法,研究了大斷面開(kāi)挖地下通道結(jié)構(gòu)基坑對(duì)既有近距離盾構(gòu)隧道的影響問(wèn)題?？紤]了設(shè)置分隔墻、抗拔樁長(zhǎng)度、封堵墻深度對(duì)基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的隧道最大隆起的影響,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析了對(duì)應(yīng)的施工控制措施。從實(shí)際工程設(shè)計(jì)的角度提出了針對(duì)大面積基坑開(kāi)挖對(duì)下臥盾構(gòu)隧道影響問(wèn)題的分析研究方法和一系列保護(hù)地鐵的措施,以期對(duì)相關(guān)工程問(wèn)題有一定借鑒意義。

樁基施工有可能導(dǎo)致臨近大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形和滲漏水等運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。借助平面有限元程序,建立樁基對(duì)大直徑盾構(gòu)影響的數(shù)值模型,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算對(duì)比得到了指導(dǎo)意義的結(jié)論。成樁過(guò)程中臨近隧道產(chǎn)生相對(duì)少量的位移。隧道向下和向樁基方向發(fā)生變位。當(dāng)樁基受荷后,隧道位移量明顯加大,隧道向下和向遠(yuǎn)離樁基方向發(fā)生變位。樁基成孔過(guò)程引發(fā)的土層損失,是前期地層變位的主要原因。合理提高泥漿配比,甚至在成孔時(shí)采用全程鋼護(hù)筒,可以有效減少土層損失,降低隧道變形的風(fēng)險(xiǎn)。樁基受荷后,樁周形成一定范圍內(nèi)的剪切帶。剪切效應(yīng)引發(fā)結(jié)構(gòu)與土的共同作用,進(jìn)而使地層和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。當(dāng)樁基與隧道間距在2倍隧道結(jié)構(gòu)外徑以上時(shí),隧道沉降和側(cè)移可得到有效控制。樁基長(zhǎng)期荷載作用下地層仍然會(huì)產(chǎn)生蠕變位移,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)依然存在一定的影響。

以豫機(jī)城際鐵路隧道下穿南水北調(diào)中線干渠為背景,通過(guò)flac3d三維數(shù)值模擬,對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬,研究結(jié)果表明當(dāng)隧道頂部距離干渠底部32.24m開(kāi)挖時(shí),干渠結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定;當(dāng)?shù)貙訐p失率控制在0.5%以內(nèi)及覆土厚度大于2倍洞徑時(shí),地表沉降較小;隨著地層損失率增大,地表沉降增大,隨著覆土厚度增大,地表沉降減小。將數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果顯示二者吻合度較高。

在簡(jiǎn)要介紹外灘通道工程和沿線歷史建筑的基礎(chǔ)上,選取四幢代表性歷史建筑,給出其檢測(cè)監(jiān)測(cè)方案,分析了外灘通道施工引起相鄰房屋的附加沉降、傾斜和損傷。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,外灘通道施工期間,各房屋沉降較傾斜和損傷更為敏感,房屋沉降具有"緩慢波動(dòng)—加速變形—趨于穩(wěn)定"三階段特征,且均存在顯著的差異沉降。為此,建議相鄰工程施工影響監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)以沉降為主、傾斜和損傷為輔,監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)施工工藝和進(jìn)度調(diào)整,在關(guān)注累積沉降量和沉降速率的同時(shí)應(yīng)注意房屋的不均勻沉降。

以某城市地鐵盾構(gòu)隧道平行下穿一座既有地下通道為工程背景，通過(guò)建立三維有限元地層結(jié)構(gòu)模型，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中既有通道和支護(hù)樁的力學(xué)行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，獲得了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)樁側(cè)移和既有通道沉降、附加應(yīng)力的變化規(guī)律，并提出建議以減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響。研究結(jié)果表明：盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)引起既有通道和支護(hù)樁的不均勻變形，還會(huì)產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，結(jié)構(gòu)物最終的沉降值和傾斜率均滿足施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

以上海北橫地下通道下穿蘇州河段基坑為例,在保證蘇州河正常防汛功能條件下,為減小基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響,采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬,判斷在采取相應(yīng)保護(hù)措施下基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響程度,以此作為基坑設(shè)計(jì)的依據(jù).

新建盾構(gòu)隧道近距離穿越既有隧道時(shí),會(huì)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿大直徑越江隧道,在充分考慮襯砌的橫觀各向同性性質(zhì)、盾構(gòu)施工開(kāi)挖面的支撐力、同步注漿壓力、擾動(dòng)層厚度等因素的基礎(chǔ)上,應(yīng)用三維有限元數(shù)值方法,研究了新建盾構(gòu)隧道施工引起既有越江隧道的變形以及內(nèi)力的變化規(guī)律,同時(shí)獲得了越江隧道的影響范圍。研究結(jié)果表明,越江隧道的最大沉降及側(cè)移發(fā)生在對(duì)稱面上,并且對(duì)側(cè)移的影響較小;越江隧道經(jīng)歷了加載、卸載、再加載的過(guò)程;影響范圍集中在垂直于越江隧道軸線方向盾構(gòu)穿越前2d、穿越后2d的范圍內(nèi)。

文章通過(guò)對(duì)既有基坑設(shè)計(jì)方案的分析和二維、三維有限元分析計(jì)算,得出基坑及隧道的變形規(guī)律,并對(duì)在地層變形情況下的隧道內(nèi)力變化進(jìn)行對(duì)比分析.分析結(jié)果表明,在現(xiàn)環(huán)境條件與基坑規(guī)模情況下,隧道有不同程度隆起和內(nèi)力變化,隧道結(jié)構(gòu)安全性基本滿足要求,可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考.

結(jié)合一外徑11.36m、近距段凈距4.0～5.7m的上海某公路盾構(gòu)隧道土體和管片位移及應(yīng)變的監(jiān)測(cè)成果,就后建隧道施工對(duì)先建隧道的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,盾構(gòu)的推進(jìn)使隧道間土體朝掘進(jìn)方向和已建隧道方向側(cè)移,沿深度的最大側(cè)移量發(fā)生在隧道中心深度以上0.2d(d為隧道外徑)左右;盾尾到達(dá)及管片脫出注漿工況階段,隧道間土體及已建隧道臨近面上拱腰處的側(cè)移量達(dá)到最大;已建隧道管片呈現(xiàn)上部?jī)?nèi)斂、下部外擴(kuò)的變形形態(tài),且臨近后建隧道面變形值較大。

針對(duì)采用大直徑隨鉆跟管樁工法施工的管樁樁頭是否需要加套箍的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)探討,分別從樁頭開(kāi)裂彎矩、抗拉力、夾持力幾個(gè)方面進(jìn)行了綜合分析。提出了有套箍大直徑phc管樁樁頭的正截面開(kāi)裂彎矩計(jì)算公式和抗拉力計(jì)算公式,表明在大直徑隨鉆跟管樁設(shè)計(jì)制作中取消套箍是切實(shí)可行的。

預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生的附件內(nèi)力和變形對(duì)隧道建設(shè)具有重要意義.傳統(tǒng)彈性地基梁法忽略了相鄰樁-土界面單元的相互作用和樁-土界面的塑性變形,其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際有較大出入.基于mindlin解考慮樁-土界面單元相互作用,假設(shè)樁-土界面為理想彈塑性體,根據(jù)摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則得出樁側(cè)土體的極限剪應(yīng)力和極限土壓力,可由本構(gòu)方程得出隧道開(kāi)挖引起的樁基附加內(nèi)力和變形的塑性解.將該方法得到的塑性解與離心試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的合理性.新方法考慮了樁身相鄰樁-土界面單元的相互作用,得到的附加變形較傳統(tǒng)地基梁解大.最后,討論了樁-土界面塑性變形對(duì)樁基附加內(nèi)力及變形的影響,由于不考慮樁-土界面塑性變形,導(dǎo)致樁基附加內(nèi)力和變形產(chǎn)生較大偏差,并且隨著地層損失率增加,偏差增大.

以哈爾濱地鐵某區(qū)間隧道為工程背景,采用有限元軟件建立近接既有建筑物隧道施工的二維模型,研究不同隧道與建筑物水平間距、建筑物基礎(chǔ)埋深以及土層參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)建筑物變形的響應(yīng)規(guī)律。從建筑物基礎(chǔ)總體沉降和首尾沉降差分布兩個(gè)角度分析,根據(jù)不同參數(shù)對(duì)于隧道開(kāi)挖引起建筑物變形響應(yīng)的規(guī)律,優(yōu)化施工中隧道施工方案,保證地鐵暗挖區(qū)間隧道在施工過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性。

為了更合理和快捷地評(píng)估基坑施工對(duì)鄰近已建地鐵隧道的影響,將隧道視為彈性的地下連續(xù)梁來(lái)分析隧道本身的受力和變形,推導(dǎo)了隧道與周圍土體相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入彈性半空間層狀模型來(lái)分析基坑卸載對(duì)土體和隧道變形性能的影響,建立了層狀地基中基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道影響的耦合分析方法;然后,將提出方法與兩階段方法進(jìn)行了算例對(duì)比,并結(jié)合離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn),與兩階段方法相比,耦合方法在能反映出非均質(zhì)層狀地基土體的應(yīng)力和應(yīng)變集中（或擴(kuò)散）現(xiàn)象,不僅具有更好的計(jì)算精度,而且減少了計(jì)算參數(shù)的數(shù)量;提出方法的理論計(jì)算值與離心試驗(yàn)結(jié)果基本一致,與工程實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)基本吻合,驗(yàn)證了方法的有效性;通過(guò)工程實(shí)際應(yīng)用得出的一些有益結(jié)論,可為合理制定城市基坑施工對(duì)鄰近隧道影響的保護(hù)措施提供一定的理論依據(jù)。

為了更合理和快捷地評(píng)估基坑施工對(duì)鄰近已建地鐵隧道的影響,將隧道視為彈性的地下連續(xù)梁來(lái)分析隧道本身的受力和變形,推導(dǎo)了隧道與周圍土體相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入彈性半空間層狀模型來(lái)分析基坑卸載對(duì)土體和隧道變形性能的影響,建立了層狀地基中基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道影響的耦合分析方法;然后,將提出方法與兩階段方法進(jìn)行了算例對(duì)比,并結(jié)合離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn),與兩階段方法相比,耦合方法在能反映出非均質(zhì)層狀地基土體的應(yīng)力和應(yīng)變集中(或擴(kuò)散)現(xiàn)象,不僅具有更好的計(jì)算精度,而且減少了計(jì)算參數(shù)的數(shù)量;提出方法的理論計(jì)算值與離心試驗(yàn)結(jié)果基本一致,與工程實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)基本吻合,驗(yàn)證了方法的有效性;通過(guò)工程實(shí)際應(yīng)用得出的一些有益結(jié)論,可為合理制定城市基坑施工對(duì)鄰近隧道影響的保護(hù)措施提供一定的理論依據(jù)。