既有运营隧道上方开挖深基坑的变形特征.pdf
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1、DOI:10.13905/ki.dwjz.2023.6.026既有运营隧道上方开挖深基坑的变形特征DEFORMATION CHARACTERISTICS OF DEEP EXCAVATION ABOVE EXISTING TUNNELS陆超,何红兵,雷萌源,夏长青,裴刚(中铁二十一局集团有限公司,兰州 730000)LU Chao,HE Hongbing,LEI Mengyuan,XIA Changqing,PEI Gang(China Railway 21st Bureau Group Co.,Ltd.,Lanzhou 730000,China)【摘要】为明确深基坑开挖各步骤对已有地铁隧道的
2、影响,以兰州城市轨道交通1号线西关什字站附属人防工程项目为主要研究对象开展研究。研究以既有运营隧道上方开挖的深基坑变形特征为研究重点,通过数值仿真找出不同开挖步骤时的最不利位置,衡量开挖过程对已有隧道的影响。通过模拟,研究得出在开挖初期基坑变形,对已有隧道的影响可以忽略不计。随着基坑开挖深度的增加,开挖到底部时基坑变形较大,使地铁隧道产生竖向位移,但隧道变形仍在安全范围之内。【关键词】既有运营隧道;深基坑;数值仿真;变形特征【中图分类号】TU473.2【文献标志码】A【文章编号】1001-6864(2023)6-0117-05Abstract:Taking a civil air defens
3、e project as the research object,the deformation characteristics of deep foundation pit excavated above the existing operating tunnel are investigated.The numerical simulation is used to find outthe most unfavorable position obtained by different excavation steps of deep foundation pit and its influ
4、ence on thedeformation of surrounding buildings,especially on the deformation of operating subway tunnels.The results showthat the deformation of foundation pit is small at the beginning of excavation,and the influence on the deformation ofsurrounding buildings,especially tunnels,can be ignored.With
5、 the increase of excavation depth,the deformation ofthe foundation pit is large,and even the vertical displacement of the subway tunnel is generated when the foundationpit is excavated to the bottom,but it does not exceed the warning value and is still within the safe range.Key words:subway tunnel;d
6、eep foundation pit;numerical simulation;deformation characteristics0引言随着世界各国城市现代化建设步伐的加快,人们对于地下空间的使用也越来越普及。如今深基坑的开挖不仅要对深基坑的承载能力进行控制,还要对周边环境的影响进行控制,防止因基坑开挖而造成周围建筑物的损害特别是临近地铁开挖时造成隧道的变形,同时对类似临近隧道开挖深基坑的工程提供可靠性参考。吉茂杰和刘国彬1通过理论分析基坑开挖过程中时间、空间效应对隧道变形的影响规律,进而推导出在考虑基坑开挖对隧道位移变形的计算方法。巩君芳2以基坑各区不同的开挖顺序为例,结合实际测量数据,
7、分析基坑在不同工况下开挖时围护结构的变形和沉降。余庭垚等3基于有限差分软件研究在不同施工情况下基坑的位移情况和安全系数。唐胜利等4运用有限元软件对工程分析并结合现场实测得出狭长深基坑的变形规律以及影响基坑变形的主要和次要因素。李守德等5对天然固结地基土在基坑开挖侧向卸载过程中土体的变形规律进行研究。巩生龙等6对基坑开挖时距隧道的不同距离对基坑的变形规律进行研究。Guo等7研究了深基坑开挖和建筑荷载对既有隧道变形和土压力变化的影响规律。Sharma等8研究了大面积开挖对邻近隧道变形的影响,发现隧道衬砌刚度对基坑开挖引起的隧道位移和变形有重要影响。Yuan等9结合理论分析、现场监测和数值模拟等方法
8、,探讨基坑周边地表沉降、对邻近桥梁桩基的影响、变形控制分析等问题。Qiu等10提出了一种新的简化分析方法来预测邻近基坑开挖卸荷引起既有地铁隧道的纵向变形。Bilotrta等11采用三维有限元方法模拟研究了新建隧道与邻近建筑结构的相互作用机理。文中以兰州城市轨道交通1号线西关什字站附属人防工程项目为主要研究对象,通过模拟深基坑的开挖过程,获得深基坑以及地铁隧道的应力和位移云图。找出深基坑不同开挖步骤中最不利的受力位置以及最大变形位置,提前拟定处理方案,为项目的顺利进行奠定基础。1既有运营隧道上方开挖深基坑的变形三维数值仿真基金项目 中铁二十一局科技创新 (2020)294号(20C-10)117
9、低温建筑技术-冻土与地基基础Jun.2023 No.3001.1计算模型模型在模拟基坑开挖的过程中采用的是空单元方法,在开挖前将土的作用力等于零,并对其进行静力分析,得到土体在自身重力效应下的弹性位移,将土体在自身重力作用下的状态设置为初始状态。在进行模拟时要考虑整个基坑开挖所影响的区域,因此取深基坑开挖深度的35倍的长度以消除边界效应;同时认为在模型的侧面及底部没有水平位移是固定,只有顶面为自由边界。1.2分析参数兰州市轨道交通1号线文化宫至西关什字站地铁隧道为避开西关清真大寺,区间采取双线分绕方案,从临夏南路及临北路两侧绕避清真寺后,引入西关十字站,区间最大曲线半径为R=1200m,最小曲
10、线半径为R=400m。为保证模拟计算的结果能完全真实地反应实际情况,因此模型的尺寸大小按照实际工程的大小设计。有限差分计算模型除了建立基坑开挖的主体和下卧既有地铁盾构隧道模型外,还应该包括基坑开挖对主体结构周边土体扰动的影响范围,从而确保模拟计算结果的精确性。根据相关的工程经验和以往的有限元分析结果,一般情况下深基坑模型底部的边界为基坑开挖深度的2倍左右,取开挖深度的3倍长度作为基坑外侧土体的沉降影响边界;地铁盾构隧道模型一般选取隧道直径的35倍作为隧道底部及两侧土体的变形影响边界。因此结合基坑和盾构隧道的边界,整个模型的尺寸确定为161.4m289.3m55m。根据基坑的变形特点,我们仅需要
11、将基坑和地铁盾构隧道边缘的网格进行加密布置,距离基坑和地铁盾构隧道较远的网格可以稀疏布置,这样可以减少运算量并提高数据的精度。模型的三维示意图如图1所示,其中定义土层三为中风化砂岩,定义土层六为强风化砂岩。2深基坑的变形特征在运营地铁隧道上方进行深基坑开挖的过程中,深基坑的围护结构会发生不同程度的变形,甚至基坑的底部因土体大量卸载,周边应力挤压致使底部隆起。位于深基坑底部的隧道也会因周边土体应力场的变化而产生不同程度的变形及位移。严重时甚至会影响运营地铁的安全,造成严重的安全事故,因此对深基坑开挖时基坑及隧道的变形特征进行研究就十分必要。2.1-A区基坑的变形特征由于基坑施工方法是由两侧向中间
12、进行纵向放坡开挖,所以在-A区基坑开挖的初始时期,长边围护结构的X方向水平位移曲线呈现为弓形,在两侧的围护结构顶部出现最大水平位移。随着-A区基坑开挖步序的推进,长边围护结构X方向顶部水平位移的最大值逐渐从基坑的两侧向中间发展,水平位移曲线也由弓形慢慢变成抛物线形,如图2所示。基坑开挖初期,X方向水平位移最大值出现在底部,随着基坑开挖逐渐完成,X方向的水平位移逐渐从底部发展到中下部,形成“鼓肚”状。为了解-A区基坑开挖后各处围护结构侧向变形情况,选取基坑开挖深度0.4、3.3、8.5、12.8m处围护结构的变形监测数据,绘制出如图3所示的位移曲线。其中,图3(a)、图3(b)分别为基坑长边和基
13、坑短边的围护结构水平位移曲线图。通过观察位移曲线图可以发现,基坑X-边围护结构的水平变形规律与X+图1模型的三维示意图左线地铁隧道右线地铁隧道图2-A区基坑X方向水平位移云图(a)-A区基坑工况2位移云图Zone X Displacement3.0042E-023.0000E-022.5000E-022.0000E-021.5000E-021.0000E-025.0000E-030.0000E+00-5.0000E-03-1.0000E-02-1.5000E-02-2.0000E-02-2.5000E-02-2.7468E-02最大位移最小位移(b)-A区基坑工况3位移云图Zone X Dis
14、placement3.0042E-023.0000E-022.5000E-022.0000E-021.5000E-021.0000E-025.0000E-030.0000E+00-5.0000E-03-1.0000E-02-1.5000E-02-2.0000E-02-2.5000E-02-2.7468E-02最大位移最小位移(c)-A区基坑工况4位移云图Zone X Displacement3.0042E-023.0000E-022.5000E-022.0000E-021.5000E-021.0000E-025.0000E-030.0000E+00-5.0000E-03-1.0000E-02-
15、1.5000E-02-2.0000E-02-2.5000E-02-2.7468E-02最大位移最小位移118边的水平变形规律及其相似,同样的,基坑Y-边和Y+边的围护结构的水平变形规律也极为相似。这说明相互对称的围护结构在基坑开挖完成后的变形规律是一致的。通过数值模拟结果,可以知道-A区基坑X-、X+、Y-、Y+边围护结构的侧向变形最大值分别为 62.99、57.97、9.49、6.70mm,并且侧向变形的最大值均处于围护结构中间部位,而由中间向两侧的侧向变形越来越小,在基坑坑角处的变形最小。这是因为在基坑坑角部位同时存在着长边和短边两个位置上的围护结构进行协同作用,同时围护结构侧向变形也体现
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