地质力学学报  2018, Vol. 24 Issue (5): 682-691
引用本文
吕高乐, 易领兵, 杜明芳, 李帅兵. 软土地区双侧深基坑施工对邻近地铁车站及盾构隧道变形影响的分析[J]. 地质力学学报, 2018, 24(5): 682-691.
LV Gaole, YI Lingbing, DU Mingfang, LI Shuaibing. ANALYSIS OF INFLUENCE OF DEEP FOUNDATION PIT CONSTRUCTION ON DEFORMATION OF ADJACENT SUBWAY STATION AND SHIELD TUNNEL IN SOFT SOIL AREA[J]. Journal of Geomechanics, 2018, 24(5): 682-691.
软土地区双侧深基坑施工对邻近地铁车站及盾构隧道变形影响的分析
吕高乐1 , 易领兵2 , 杜明芳3 , 李帅兵4     
1. 郑州市轨道交通有限公司, 河南 郑州 450000;
2. 中交铁道设计研究总院有限公司, 北京 100000;
3. 河南工业大学土木建筑学院, 河南 郑州 450000;
4. 上海城铁建筑科技有限公司, 上海 200000
摘要:以某软土地区邻近地铁车站及盾构隧道的双侧深基坑工程为背景,运用ABAQUS数值计算软件对邻近地铁车站及盾构隧道的双侧深基坑施工进行数值模拟,研究了双侧深基坑施工过程对基坑坑内土体隆起与坑外土体沉降的影响,分析了双侧深基坑施工过程中地铁车站及盾构隧道变形情况,得出地铁车站及盾构隧道变形规律。计算结果表明:基坑内侧土体隆起最大值为54.3 mm;围护结构X向位移最大值为32.8 mm,Y向位移最大值为26.8 mm;车站竖向位移最大值发生在A1区开挖至坑底工况,最大值为6.8 mm,而车站水平位移最大值为7.6 mm;弯矩累计增量最大值155.9 kN·m/m,经计算,施工过程对车站主体结构影响很小;盾构隧道X向水平位移最大值为4.7 mm;而盾构隧道沉降最大值为3.8 mm,发生在A1区开挖至坑底工况。
关键词双侧深基坑    地铁车站    盾构隧道    ABAQUS    影响    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2018.24.05.069     文章编号:1006-6616(2018)05-0682-10
ANALYSIS OF INFLUENCE OF DEEP FOUNDATION PIT CONSTRUCTION ON DEFORMATION OF ADJACENT SUBWAY STATION AND SHIELD TUNNEL IN SOFT SOIL AREA
LV Gaole1 , YI Lingbing2 , DU Mingfang3 , LI Shuaibing4     
1. Zhengzhou Railway Transportation Co., Ltd., Zhengzhou 450000, Henan, China;
2. The Hand in Railway Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100000, China;
3. College of Civil Engineering and Architecture, Henan University of Technology, Zhengzhou 450000, Henan, China;
4. Shanghai City Railway Construction Technology Co., Ltd. Shanghai 200000, China
Abstract: Taking the bilateral deep foundation pit construction in some soft soil area adjacent to the subway station and shield tunnel as an example, using the numerical calculation software ABAQUS to carry out the numerical simulation of bilateral deep foundation pit construction, The influence of the construction process on the soil uplift in the foundation pit and the soil settlement outside the pit is studied, the deformation conditions of the subway station and shield tunnel were analyzed and the regularity were obtained. The calculation results show that the maximum value of soil uplift inside the foundation pit is 54.3 mm. The maximum x-direction displacement of the surrounding structure is 32.8 mm and the maximum y-direction displacement is 26.8 mm. The maximum vertical displacement of the station occurs from excavation to pit bottom in area A1, with a maximum value of 6.8 mm, while the maximum horizontal displacement of the station is 7.6 mm. The maximum cumulative increment of bending moment is 155.9 kN·m/m. The maximum x-directional horizontal displacement of shield tunnel is 4.7 mm. The maximum settlement value of shield tunnel is 3.8 mm, which occurs when the tunnel is excavated from area A1 to the bottom of the pit.
Key words: bilateral deep foundation pit    subway station    shield tunnel    ABAQUS    influence    
0 引言

随着城市建设的全面铺开,基坑因其特殊性(临近环境不同[1~2]、所处地理位置不同[3~4]、开挖深度不同)造成其设计[5~6]、施工等无统一标准[7~8]。国内外专家学者从基坑开挖对周边环境影响[9~10]、基坑自身稳定性、支护桩自身受力变形[11~12]、支护结构计算方法及有限元软件模拟等方面进行了论证研究[13]。龙宏德等以深圳某深路堑基坑工程为背景,研究基坑施工对地铁11号线隧道的影响,并提出了施工控制措施[14]。孙立柱通过运用有限元软件模拟深基坑施工开挖对临近地铁车站的影响研究,分析了深基坑围护结构自身受力并研究了地铁车站内力变形情况[15]。吴薪柳研究了复杂基坑施工对相邻地铁的影响,并总结了地铁车站沉降的变形规律[16]

天津位于古黄河及海河冲洪积平原。土层以粉质粘土、粉土、淤泥质土等为主,地下水位埋深0.0~2.5 m,是典型的高水位软土,地质环境复杂。总结过往研究成果发现,目前对邻近地铁车站及盾构隧道复杂情况的双侧深基坑设计施工研究涉足较少,因此研究软土区域双侧深基坑施工对邻近地铁车站及盾构隧道的影响显得非常必要。研究成果以期为类似条件的深基坑支护设计施工及对周边建构筑的保护提供技术参考。

1 工程概况 1.1 基坑环境

该工程位于天津市河北区律纬路、五马路、八马路与调纬路围合地块。该地块内部包含两层地下室。在地块中部,南北贯穿整体地块为地铁6号线新开河站(目前正在施工),将基坑分为东西两个部分。位于地铁站体西部为A地块,东部为B地块。如图 1所示。

图 1 基坑总平面图 Figure 1 General plan of the foundation pit

工程A地块拟建物包括五栋住宅(17层两栋、18层一栋、32层两栋),三栋办公楼(17层一栋、20层一栋、36层一栋部分用于酒店);地块南部包含2~3层裙房。B地块拟建物包括九栋住宅(三层两栋、五层五栋、六层两栋);地块西部包含2~4层的裙房。其中两个地块均包含两层地下室,为基坑支护的对象。

工程现场地平均大沽标高为2.3 m,基坑坑深情况详见表 1所示。地铁新开河站共地下三层,地铁基坑深24.14 m。围护结构:1.0 m厚地下连续墙,长度45.1 m。

表 1 各分区开挖信息表 Table 1 Information table for excavation of each division
1.2 工程地质水文条件

该基坑所在场地土层自上而下依次分布有杂填土、素填土、粉质粘土、粉土。地下潜水水位埋深2.0~3.0 m。基坑典型剖面图如图 2所示。土体物理参数如表 2所示。

表 2 土体物理参数表 Table 2 Physical parameters table of the soil

图 2 基坑典型地质剖面图1-1 Figure 2 Typical geological profile of the foundation pit 1-1
2 基坑支护设计方案

基坑采用连排灌注桩(基坑临近地铁站体处,利用站体支护用地下连续墙作为支护结构)+三轴水泥土搅拌桩止水帷幕+一层钢筋混凝土水平支撑系统的支护方案。由于工程A区基坑面积很大,从地铁保护及业主建设时序角度出发,将A区分为A1和A2两个基坑。先期施工A1基坑,待其地下主体结构施工至地下二层结构顶板,并完成相应换撑措施以后,再进行A2基坑及B区基坑的开挖。

2.1 支护结构

A地块基坑深为11.9 m,φ1100@1300 mm灌注桩,桩长23.5 m,嵌固深度为12.1 m。桩顶位于地表下0.5 m,桩端嵌入8-2粉土层。

A地块基坑局部百米塔楼处深为12.6 m,φ1200@1400 mm灌注桩,桩长24.5 m,嵌固深度为12.4 m。桩顶位于地表下0.5 m,桩端嵌入9-1粉质粘土层。

B地块基坑深为11.15 m,φ1000@1200 mm灌注桩,桩长22.0 m,嵌固深度为11.35 m。桩顶位于地表下0.5 m,桩端嵌入8-1粉质粘土层。

B地块东侧局部邻近住宅小区基坑深11.15 m,φ1100@1300 mm灌注桩,桩长23.5 m。

基坑中部为地铁6号线新开河站,在其站体两侧为支护用地下连续墙,基坑利用其作为支护结构。该地下连续墙厚度为1000 mm,地连墙有效长度45.0 m。墙顶位于地表下1.830 m。

2.2 止水帷幕

基坑拟采用三轴水泥土搅拌桩φ850@1200 mm作为止水帷幕,搅拌桩上端位于地表下1.0 m。搅拌桩有效桩长25.5 m,下端嵌入9-1粉质粘土层,将8-2粉土层(第一层承压含水层)隔断。

B区基坑北侧临近地铁站体端头井范围采用800 mm厚TRD工法桩作为止水帷幕,工法桩上端位于地表下1.0 m。有效桩长25.5 m,下端嵌入9-1粉质粘土层,将8-2粉土层(第一层承压含水层)隔断。

2.3 水平支撑系统

由于工程基坑与地铁站体相连,支护结构借用部分地铁站体支护用地下连续墙,基坑设置一道水平支撑支撑系统与地铁站体顶板的标高一致,水平支撑系统表见表 3所示。

表 3 水平支撑系统表 Table 3 Horizontal support system table
3 基坑开挖模拟分析

采用大型有限元软件ABAQUS,建立三维模型,研究基坑开挖对地铁车站及盾构区间的影响。

3.1 模型建立

坑外土体边界取至由坑边向外延伸60 m,为基坑的5倍开挖深度;对于竖向边界,坑下取60 m,为基坑5倍开挖深度,超过站体工程桩桩底15 m,最终计算模型尺寸为470 m×350 m×70 m。有限元模型如图 34所示。

图 3 整体有限元计算模型示意图(土体) Figure 3 A schematic diagram of the overall finite element model(soil)

图 4 整体有限元计算模型示意图(结构) Figure 4 Overall finite element calculation model schematic diagram(structure)

计算中对土性及土体参数接近的土层进行了归并。其中1-1、4-1合并,6-4、8-1合并,12-1、13-1合并。计算模型中土体计算参数见表 4,基于天津地区的工程经验,κ=(1/6~1/10)λ,方程中取κ=1/8λ。土的计算参数见表 4所示。基坑围护结构灌注桩抗弯等效为墙体,计算模型中结构尺寸及计算参数见表 5所示。

表 4 土的计算参数 Table 4 Calculation parameters of the soil

表 5 基坑结构、新建地铁车站尺寸及计算参数 Table 5 Structure of the foundation pit, dimensions and calculation parameters of the new subway station
3.2 施工过程模拟

为准确模型基坑开挖对新建地铁的影响,计算采用动态模拟施工过程的分析方法,共设置12个计算分析步。施工步序如表 6所示。

表 6 施工步序 Table 6 Construction step
4 有限元计算结果 4.1 土体沉降分析

基坑降水开挖,对周围土体产生扰动,引起围护结构两侧土压力的不平衡,导致围护结构发生侧移,进而引起基坑内外土体位移场发生改变,表现为坑外土体沉降,坑内土体隆起。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段进行分析。计算结果如图 5-图 8所示。

图 5 A1区开挖至坑底沉降图 Figure 5 Settlement diagram from excavation to the bottem of the pit in Area A1

图 6 A2区与B区开挖至坑底沉降图 Figure 6 Settlement diagram from excavation to the bottom the pit in Area A2 and Area B of

图 7 考虑水平支撑温度及混凝土干缩作用沉降图 Figure 7 Settlement diagram considering the horizontal support temperature and the concrete dry shrinkage

图 8 拆除水平支撑后沉降图 Figure 8 Settlement diagram after the removal of the horizontal support

A1区开挖至坑底时,基坑外侧土体最大沉降量23.5 mm,基坑内侧土体最大隆起量47.1 mm;A2区与B区开挖至坑底时,基坑外侧土体最大沉降量23.6 mm,基坑内侧土体最大隆起量53.7 mm;考虑水平支撑温度及混凝土干缩作用时,基坑外侧土体最大沉降量23.5 mm,基坑内侧土体最大隆起量54.3 mm;拆除水平支撑后,基坑外侧土体最大沉降量23.5 mm,基坑内侧土体最大隆起量54.3 mm。随着施工步的进行,基坑外侧土体最大沉降量维持在23.5 mm,基本保持不变,基坑内部隆起量最大值在A2区与B区开挖至坑底以后施工步达到54.3 mm,基本保持不变。

4.2 围护结构灌注桩变形分析

基坑开挖导致作用在围护结构上的土压力发生了改变,围护结构在土压力及支撑作用下寻求新的平衡而发生变形。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段进行分析。

文中给出了基坑围护结构变形值(见表 7),从表中数据可以看出:随施工步进行围护结构X向最大值逐渐增大,最大值达到32.8 mm,发生在拆除水平支撑工况;Y向最大值也逐渐增大,最大值达到26.8 mm,发生在拆除水平支撑工况,但增加幅度较X方向小。

表 7 基坑围护结构变形值表 Table 7 Table of deformation values of enclosure structure in the foundation pit
4.3 地铁车站结构位移分析

地铁6号线新开河站位于待建基坑中部,随着基坑开挖引起坑内土体的卸荷变形,基坑中部新建站体结构将产生相应的位移。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段进行分析。车站位移云图见图 9-图 12所示,最大位移值见表 8所示。

a—竖向;b—水平 图 9 A1区开挖至坑底车站竖向位移图与水平位移图 Figure 9 Vertical displacement diagram of the subway station from excavation to pit bottom in Area A1

a—竖向;b—水平 图 10 A2区与B区开挖至坑底车站竖向位移图与水平位移图 Figure 10 Vertical displacement diagram of the subway station from excavation to pit bottom in Area A2 and Area B

a—竖向;b—水平 图 11 考虑水平支撑温度及混凝土干缩作用车站竖向位移图与水平位移图 Figure 11 Vertical and horizontal displacement diagrams of the subway station considering horizontal support temperature and concrete dry shrinkage

a—竖向;b—水平 图 12 拆除水平支撑后车站竖向位移图与水平位移图 Figure 12 Vertical and horizontal displacement diagrams of the subway station after the removal of the horizontal support

表 8 车站结构变形值表 Table 8 Station structure deformation value table

从表中数据可以看出:车站竖向位移最大值发生在A1区开挖至坑底工况,最大值为6.8 mm,之后随着施工步进行,最大值减小到4.3 mm,并保持不变;而车站水平位移最大值随施工步进行逐渐增大,最大值达到7.6 mm。

4.4 地铁车站附加内力分析

新建站体在基坑开挖过程中发生变形,对站体结构内力产生影响。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段的每个阶段中站体附加弯矩增量进行分析。

文中列出了地铁车站结构附加弯矩变化情况(见表 9)。弯矩累计增量最大值155.9 kN·m/m。经计算,对车站主体结构影响很小。

表 9 地铁车站附加弯矩表 Table 9 Additional bending moment table for the subway station
4.5 盾构隧道位移分析

鉴于目前地铁隧道已有部分开始施工,为保证基坑开挖过程中,地铁结构的安全与稳定,在有限元模型中增加了新建车站两端的盾构隧道结构。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段的盾构隧道位移进行分析。盾构隧道位移云图见图 13-图 16所示,最大位移值见表 10所示。

a—竖向;b—水平 图 13 A1区开挖至坑底盾构区间竖向位移图与水平位移图 Figure 13 Vertical and horizontal displacement diagrams of the shield section from excavation to pit bottom in Area A1

a—竖向;b—水平 图 14 A2区与B区开挖至坑底盾构区间竖向位移图与水平位移图 Figure 14 Vertical and horizontal displacement diagrams of the shield section from excavation pit bottom in Area A2 and Area B

a—竖向;b—水平 图 15 考虑水平支撑温度及混凝土干缩作用盾构区间竖向位移图与水平位移图 Figure 15 Vertical and horizontal displacement diagrams of the shield section considering horizontal support temperature and concrete dry shrinkage

a—竖向;b—水平 图 16 拆除水平支撑后盾构区间竖向位移图与水平位移图 Figure 16 Vertical and horizontal displacement diagrams of the shield section after the removal of the horizontal support

表 10 盾构隧道位移表 Table 10 Displacement table of the shield tunnel

从表中数据可以看出:盾构隧道X向水平位移最大值随着施工步进行逐渐增大,最大值达到4.7 mm;而盾构隧道沉降最大值随施工步进行先逐渐减小至2.7 mm,随后增大到2.8 mm,最大值为3.8 mm,发生在A1区开挖至坑底工况。

5 指标控制分析

根据现行规范、新建地铁车站现状及周围环境,参考国内类似工程经验并结合理论分析[2~9],制定该工程变形控制指标及标准,见表 11所示。

表 11 盾构隧道位移表 Table 11 Displacement table of the shield tunnel

综合上述计算结果,工程施工完成后,基坑、新建地铁车站及隧道变形如下:

(1) 基坑:坑内最大隆起54.3 mm,坑外最大沉降23.5 mm。

(2) 基坑围护结构:最大侧移32.8 mm。

(3) 地铁车站:最大水平位移为7.6 mm,最大沉降为6.8 mm。

(4) 盾构隧道:最大水平位移为4.7 mm,最大沉降为3.8 mm。

基坑施工完成后,新建地铁车站最大水平位移为7.6 mm,最大竖向位移为6.8 mm,小于控制指标10 mm;盾构隧道最大水平位移为4.7 mm,小于控制指标6 mm,最大竖向位移为3.8 mm,小于控制指标10 mm,均处于变形控制标准之内,满足地铁管理部门对临近基坑的在建、新建地铁车站及隧道的保护要求。

由此可见,该基坑支护设计方案可满足临近新建地铁车站及隧道的保护要求。

6 结论

对邻近地铁车站和盾构隧道的双侧深基坑进行了数值计算,研究了双侧深基坑施工后地铁车站和盾构隧道的位移,并分析了土体沉降问题,得出如下结论:

(1) 随施工步进行,基坑外侧土体沉降最大值先增大后减小至23.5 mm并保持不变;基坑内侧土体隆起最大值逐渐增大至54.3 mm并保持不变。

(2) 随施工步进行,围护结构X向位移最大值逐渐增大至32.8 mm;Y向位移最大值逐渐增大至26.8 mm,但增加幅度较X方向小。

(3) 车站竖向位移最大值发生在A1区开挖至坑底工况,最大值为6.8 mm,之后随着施工步进行,最大值减小到4.3 mm,并保持不变;而车站水平位移最大值随施工步进行逐渐增大,最大值达到7.6 mm。

(4) 弯矩累计增量最大值155.9 kN×m/m。经计算,对车站主体结构影响很小。

(5) 盾构隧道X向水平位移最大值随着施工步进行逐渐增大,最大值达到4.7 mm;而盾构隧道沉降最大值随施工步进行先逐渐减小至2.7 mm,随后增大到2.8 mm,最大值为3.8 mm,发生在A1区开挖至坑底工况。

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