基坑支护设计对既有区间隧道影响安全性评估

基坑支护设计对既有区间隧道影响安全性评估

徐文豪

长春宏建工程设计有限公司天津分公司  天津  300000

摘要：本文利用有限元分析软件MIDAS系列GTS NX作为数值计算平台，建立三维有限元模型对区间隧道上方基坑工程施工过程进行模拟，根据计算结果进行区间隧道结构和运营的安全影响综合评价。

关键词：基坑开挖、三维有限元模型、既有区间隧道、影响性分析、安全评估

1.项目概况

1.1.工程概况

本基坑支护设计采用旋喷桩土体加固+钢板桩+锚杆或内支撑支护体系。钢支撑、围檩采用HW400×400×13×21型钢，材质Q345B；钢板桩采用热轧拉森Ⅳ型钢板桩，SP-U400×170×15.5mm，桩长9.0m；旋喷桩为桩径1000mm，间距1200mm。基坑最大基底标高-1.70m，现状地面标高约6.50m，基坑边坡支护最大高度约8.20m,支护周长约40m。

区间采用暗挖法施工，断面一为单洞单线马蹄形复合式衬砌结构，覆土约10.26~11.71m，断面二次衬砌外轮廓高6350mm，宽6400mm，二次衬砌厚度为300mm；断面二为单洞双线马蹄形复合式衬砌结构，覆土约8.44~9.00m，断面二次衬砌外轮廓高8960mm，宽11700mm，二次衬砌厚度为600mm。

二次衬砌采用C50、P10防水钢筋混凝土。初支背后采用水泥砂浆二次压浆，注浆深度为初支背后0.5m。

1.2.场地工程地质条件

根据钻探揭露，场区内地层结构简单，层序清晰，第四系主要由全新统人工填土层（Q4ml）、海相沼泽化层（Q4mh）、洪冲积层（Q4al+ll）构成，基岩主要为白垩系青山群安山岩（K1Q），局部地段受构造作用挤压破碎形成碎裂岩（SL）。

2.评估内容及方法

2.1.评估内容

本次评估为外部作业影响评估，其主要内容为全面分析基坑开挖工程对既有地铁区间隧道的影响程度，包括隧道结构的位移变形、承载力、裂缝宽度验算，轨道的几何形位变化，道床结构的变形。

2.2.评估方法

选取大型岩土有限元分析软件MIDAS系列GTS NX作为数值计算平台，建立三维有限元模型，对区间隧道上方基坑工程施工过程进行模拟，根据计算结果进行区间隧道结构和运营的安全影响综合评价，提出保护改进建议。

3.计算与分析

3.1.计算结果

基坑工程开挖后地层竖向位移云图，见图3.1-1。

图3.1-1基坑工程开挖后竖向位移云图（单位：mm）

从图中可以看出，基坑工程开挖第四步后，因为土方开挖地应力释放等原因，基坑坑底隆起，最大竖向位移为21.70mm；坡顶沉降，最大沉降量为0.49mm。

基坑工程开挖后隧道结构竖向位移云图，见图3.1-2。

图3.1-2 基坑工程开挖后隧道结构竖向位移云图（单位：mm）

从图中可以看出，基坑工程开挖第四步后，隧道衬砌结构最大隆起变形量为2.00mm。

3.2.结果分析

3.2.1.隧道衬砌结构承载力及裂缝检算

（1）地层-结构模型

拟建工程会引起轨道交通结构产生附加应力。拟建工程对区间影响较大，现从计算结果中提取区间结构处于不利阶段的弯矩值，分析裂缝宽度，评价结构的安全性。

图3.2.1-1基坑工程施工完成隧道结构一弯矩云图（单位：kN·m）

云图揭示，拟建基坑工程施工引起的区间隧道结构结构一最大弯矩为73.5kN·m，结构厚度300mm。经计算，裂缝宽度0.04mm，裂缝宽度满足小于0.2mm要求。因此，既有区间隧道结构一是安全的。

图3.2.1-2基坑工程施工完成隧道结构二弯矩云图（单位：kN·m）

云图揭示，拟建基坑工程施工引起的区间隧道结构结构二最大弯矩为290.6kN·m，经计算，裂缝宽度0.03mm，裂缝宽度满足小于0.2mm要求。因此，既有区间隧道结构二是安全的。

3.2.2.隧道衬砌结构、轨道及道床结构变形分析

轨道及道床结构的变形是随隧道衬砌结构变形而产生的，简化分析考虑为道床竖向位移变化，根据基坑工程引起区间仰拱沿着纵向的竖向位移变化曲线图，见图3.2.2-1～3.2.2-3。

图3.2.2-1基坑工程开挖后左线区间隧道一道床沿纵向竖向位移变化曲线图

图3.2.2-2基坑工程开挖后右线区间隧道一道床沿纵向竖向位移变化曲线图

图3.2.2-3基坑工程开挖后区间隧道二道床沿纵向竖向位移变化曲线图

根据计算结果，基坑工程引起隧道道床变形呈现“临近点大、远端点小”趋势，其中隧道道床最大隆起变形量为0.14mm，小于安全控制值10mm。通过曲线图中节点之间间距为2m的竖向位移差值可以考虑为轨道轨向高差值，均远小于轨道轨向高差安全控制标准4mm。

轨道结构变形评估根据道床竖向位移沿隧道纵向变化量简化计算得出10m轨向高差最大值为0.07mm小于变形预警值2mm（控制值4mm）。

根据仰拱竖向位移沿隧道纵向变化量最大变化值为0.07mm/10m，小于区间隧道差异沉降0.02%L（2mm/10m）。

4.结论

综合以上基坑工程对既有地铁结构安全性影响评估工作，分析得到结论如下：

（1）外部作业影响预评估范围内基坑工程目前采用旋喷桩土体加固+钢板桩+锚杆或内支撑支护方案，在正常施工条件下，会引起下方的既有地铁区间隧道结构发生沉降、侧移、倾斜、扭转、隆起等变形。施工引起隧道结构变形预测值在建议控制标准范围之内，结构承载力及裂缝宽度均满足要求，风险总体可控，技术方案基本可行。

（2）工程施工期间，为确保预评估范围内既有结构、行车及运营安全，综合考虑预测变形、极限变形，建议制定合理的应急措施，以有效控制施工对既有线的影响在安全范围内。

（3）本评估内容仅对当前基坑工程设计方案进行分析，后期如设计方案调整，则应进行相应的校核与评估。

（4）数值分析基本能够反映开挖卸载引起既有地铁结构变形规律，能够较好量化影响程度，但由于有限元模型、土体本构关系、土层参数的特点，模拟预测值及影响范围可能会与实际值有一定差异。

参考文献：

1.《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）；

2.《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）；

3.《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011）；

4.《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）。