既有运营隧道上方开挖深基坑的变形特征.pdf

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 defense 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 influence 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 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;deep 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，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，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 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（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-02-1.5000E-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出了基坑开挖具有空间效应。通过对比长边和短边的围护结构变形位移曲线图可以发现，整体上基坑长边的侧向变形大于基坑短边的侧向变形，而造成这种差异是由围护结构的相对刚度所决定的：长边围护结构的中心点距坑角的水平距离为98.65m，短边围护结构的中心点距坑角的水平距离仅为15.5m，而相对刚度的大小与水平距离是成反比，因此相对于基坑长边围护结构来说，短边围护结构的相对刚度更大，所以短边围护结构产生的侧向变形要远小于长边结构的侧向变形。2.2-A区、-B区基坑的变形特征-A 区基坑开挖完成之后，对位于其两侧的-A区、-B区基坑同时进行施工。因为-A区、-B区基坑紧邻-A区基坑，所以它们之间有着共同的围护结构，而对两侧基坑的开挖，就是对-A区基坑长边外的土体进行卸载，随着两侧基坑开挖步序的推进，-A区基坑长边围护结构所受到的主动土压力逐渐减小，围护结构的变形也逐渐变小，基坑的位移云图如图4所示。从位移云图可以发现，在-A区、-B区基坑开挖过程中最外侧长边围护结构的变形规律与-A区基坑长边围护结构保持一致：随着开挖工序的推进，最外侧长边围护结构的最大变形部位由两侧逐渐向中部移动，最后在中间顶部的位移变形最大，变形规律也由最开始的“弓”字型慢慢变成了“抛物线”型。图3-A区基坑围护结构水平位移曲线（a）X-围护结构水平位移706050403020100-10围护结构水平位移/mm050100150200X-边围护结构长度/m-0.4m-3.3m-8.5m-12.8m（b）X+围护结构水平位移0-10-20-30-40-50-60围护结构水平位移/mm-0.4m-3.3m-8.5m-12.8m050100150200X+边围护结构长度/m围护结构水平位移/mm-0.4m-3.3m-8.5m-12.8m05101520253035Y-边围护结构长度/m1086420-2（c）Y-围护结构水平位移（d）Y+围护结构水平位移-0.4m-3.3m-8.5m-12.8m10152025303505Y+边围护结构长度/m围护结构水平位移/mm20-2-4-6-8最大位移最小位移Zone X Displacement5.6996E-025.0000E-024.0000E-023.0000E-022.0000E-021.0000E-020.0000E+00-1.0000E-02-2.0000E-02-3.0000E-02-4.0000E-02-5.0000E-02-5.1737E-02（a）-A区、-B区基坑工况2位移云图（b）-A区、-B区基坑工况3位移云图Zone X Displacement最大位移最小位移5.6996E-025.0000E-024.0000E-023.0000E-022.0000E-021.0000E-020.0000E+00-1.0000E-02-2.0000E-02-3.0000E-02-4.0000E-02-5.0000E-02-5.1737E-02119低温建筑技术-冻土与地基基础Jun.2023 No.300为更好了解-A区、-B区基坑各处围护结构变形情况，待基坑整体开挖完成之后，选取-A区、-B区基坑开挖深度0.4、3.3、6.5、10.8m处的围护结构变形监测数据，绘制出如图5、图6所示的水平位移曲线图。其中-A区基坑的X-边围护结构和-B区基坑的X+边围护结构同时分别是-A基坑的X+和X-边围护结构。Zone X Displacement5.6996E-025.0000E-024.0000E-023.0000E-022.0000E-021.0000E-020.0000E+00-1.0000E-02-2.0000E-02-3.0000E-02-4.0000E-02-5.0000E-02-5.1737E-02最大位移最小位移图4-A区、-B区基坑X方向水平位移云图（c）-A区、-B区基坑工况4位移云图543210-1围护结构水平位移/mm0246810 12 14 16 18 20Y-边围护结构长度/m-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m（a）Y-围护结构水平位移（b）Y+围护结构水平位移（c）X+围护结构水平位移-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m3210-1-2-3围护结构水平位移/mm51015200Y+边围护结构长度/m-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m6050403020100围护结构水平位移/mm050100150200X+边围护结构长度/m-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m50-5-10-15-20-25-30-35围护结构水平位移/mm50100150200X-边围护结构长度/m0（d）X-围护结构水平位移图5-A基坑围护结构水平位移-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m43210-1围护结构水平位移/mm51015200Y-边围护结构长度/m（a）Y-围护结构水平位移-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m3210-1-2围护结构水平位移/mm51015200Y+边围护结构长度/m（b）Y+围护结构水平位移-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m0-10-20-30-40-50-60围护结构水平位移/mm050100150200X-边围护结构长度/m（c）X-围护结构水平位移图6-B基坑围护结构水平位移（d）X+围护结构水平位移35302520151050-5围护结构水平位移/mm050100150200X+边围护结构长度/m-0.4m-3.3m-6.5m-10.8m120基坑工程无论设计的多么合理或者施工工序多么的符合规范在进行基坑开挖的过程中都会出现不同程度的隆起现象，而基坑底部隆起也是深基坑变形的主要特征之一，因此为更好的控制开挖基坑时产生的变形，研究基坑底部隆起时应力场的变化及变形就十分重要，图 7（a）和图 7（b）分别是-A、-A 和-B基坑开挖完成后基坑坑底土体的变形云图。从图7（a）可以看出，-A基坑开挖完成后，坑底的最大隆起值达到了43.19mm，从图7（b）中可以看出两侧基坑开挖完成后，坑底最大隆起值依旧出现在-A基坑坑底，达到了51.19mm。此外，通过分析图7可以发现，因为两条曲线地铁盾构隧道的存在，使得中间基坑坑底的隆起变形没有呈现对称分布；两侧基坑坑底土体变形远小于中间基坑的土体变形，这说明基坑底部的注浆加固层发挥了作用，有效的约束了盾构隧道上方区域内的土体变形。3结语（1）当基坑采用分层、分段、分块的施工方法进行开挖时，可以明显的发现基坑的变形存在着坑角效应和时空效应。（2）随着基坑开挖工序逐步的推进，长边围护结构侧向变形的最大部位从两端向中部发展，待基坑开挖完成后，基坑中部的变形最大，属于围护结构侧向变形的最不利区域。（3）长、短边围护结构的变形特性都体现出凹槽形，但长边围护结构的变形特性更为明显。深基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，钢支撑承受周边土体的应力也随之增大，使钢支撑因受力过大而发生变形。参考文献1 吉茂杰，刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法 J.同济大学学报（自然科学版），2001（5）：531-535.2 巩君芳.上海浦东某基坑开挖引起的围护体系变形分析 J.中国标准化，2018（16）：94-96.3 余庭垚，符必昌.基于FLAC软件对某基坑稳定性的数值模拟研究 J.地质灾害与环境保护，2020，31（4）：68-72.4 唐胜利，陈明杰，牛文宣，等.狭长形软土深基坑变形规律研究J.施工技术，2018，47（17）：89-94.5 李守德，张土乔，王保田，等.天然地基土在基坑开挖侧向卸荷过程中的模量计算 J.土木工程学报，2002（5）：70-74.6 巩生龙，谢明.浅析明挖隧道实施对紧邻基坑的影响 J.城市道桥与防洪，2021（5）：238-241.7 GUO HF,YAO AJ,ZHANG JT,et al.Impact of high-rise buildings construction process on adjacent tunnelsJ.Adv civ eng,2018(2):1-12.8 SHARMA JS,HEFNY AM,ZHAO J,et al.Effect of large excavation on deformation 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Displacement5.1191E-025.0000E-024.5000E-023.5000E-023.0000E-022.5000E-022.0000E-021.5000E-021.0000E-025.0000E-030.0000E+00-5.0000E-03-6.1788E-03最大位移最小位移121