深基坑施工对地铁盾构隧道的影响分析

现代隧道技术２００８年增刊（２１６—２２０）深基坑施工对地铁盾构隧道的影响分析刘庭金１，２（１华南理工大学土木与交通学院，广州５１０６４０；２华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州５１０６４０）摘要以广州地铁黄沙上盖物业建筑群深基坑施工对一号线黄沙至长寿路站区间盾构隧道的影响为例，运用多种手段综合分析了深基坑埯工对地铁区间盾构隧道的影响。首先，应用三维渗流数值分析手段，对基坑施工过程的渗流场和变形场进行了三维模拟，预测ｒ场地的水位下降规律；然后，采用盾构隧道修正惯用法，探讨了影响盾构隧道受力和变形的主要因素，对比分析了隧道外壁侧向土压力、水位降、土层基床系数和隧道上方超载四种因素不同组合工况下的隧道结构受力；最后，利用区间隧道三维变形监测数据，从隧道绝对位移、道床绝对位移、道床与隧道中心相对位移洛测点与隧道中心相对位移、隧道收敛以及隧道变形曲率半径出发，详细分析了区问隧道的实测变形规律，并解析了诱发区间隧道道床开裂和水沟翻浆冒泥病害的原因。研究成果对认识地铁上盖物业深基坑施工对紧邻地铁区问盾构隧道的影响规律和制定相关地铁保护措施具有一定的指导意义。关键词隧道工程基坑施工地铁隧道数值模拟实测数据变形规律病害分析ｌ引言号线黄沙地铁车站位于该建筑场地中间，如图ｌ所示。建筑群基坑开挖范围、基坑分区开挖顺序及相应的开挖深度见图ｌ，其中西北角基坑采用逆作法施工，基坑开挖深度为１２ｎｌ（图２），采用８００ｍｍ厚２１ｎｌ深的地下连续墙作围护结构和隔水措施，水平支护由原两道楼板支撑方案更改为两道钢管角撑、基坑内侧开挖至一６．７ｍ后放坡方案，采用基坑内侧降水。紧邻地铁隧道深基坑施工容易导致场地地下水水位下降，诱发区间隧道周边地层应力及土层性质变化，导致隧道受力和变形发生变化，诱发管片开裂和接头缝张开，致使隧道渗漏，影响地铁结构安全和正常运营。为深入认识地铁上盖物业建筑群基坑施工对地区间隧道采用盾构管片错缝拼装，管片外径６０００Ｉｎｔｏ，内径５４００铁区间盾构隧道的影响规律，刘庭金¨娟’等进行了相应研究。本文以某地铁七盖物业建筑群深基坑施工为例，综合分析了深基坑施工对地铁区间盾构隧道的ｎｌｍ，厚３００舢，宽Ｉ２００ｍｉｌｌ。分块数为６，标准块圆心角７２０，两邻接块圆心角６４．５。，封顶块圆心角１５０。影响。首先，通过三维数值模拟手段，预测了场地地下水位变化规律；其次采用荷载结构法，对比分析了盾构隧道的影响因素；然后，通过三维变形实测数据，分析了区间隧道的变形规律，并解析了隧道病害原因。２工程概况黄沙车站商住发展项目位于黄沙大道、丛桂路、和平路及大同路中间，建筑场地毗邻珠江，南面紧邻一条与珠江相通的涌，场地面积约６万平方米，拟建８幢高层建筑物，２层地下车库及商场。广州地铁一修改稿返回日期：２００８－０８—０６作者简介：刘庭金．男，博士、讲师－２１６・齄嫡盾均与站白分、疏蝻子训川，上＼ｏ黼，睁与舟界线黝沉箱冬一秽图ｌ地铁与建筑群基坑现代隧道技术２００８年增刊力计算结果表明：①侧向土压力对结构最大弯矩起着至关重要的影响。②隧道外壁侧向土压力由静止土压力变为主动±压力状态，将导致结构弯矩最大值增大１４３％。③隧道外壁侧向土压力进入主动土压力状态，导致结构最大弯矩达１７０ｋＮ・ｍ，在不考虑永久荷载分项系数１．３５作用下，其对应的弯矩值为１２６ｋＮ・ｍ，将略高于接头螺栓的弹性极限弯矩值１２５ｋＮ・ｍ。导致管片开裂和接头环缝张开增量为Ｉ．３６ｆｉｌｍ，影响隧道正常使用，使结构安全储备较低。（３）基床系数影响基坑施工可能诱发隧道周边土层移动和水土流失，导致周边土层抗力约束降低，一般可通过周边地层的基床系数折减进行反映。水位降２ｍ时不同基床系数在不同侧向土压力状态下的结构受力计算结果表明：①基床系数对隧道结构弯矩起着明显的影响，基床系数折减ｌＯ倍将导致结构弯矩增大４５％。②隧道外壁进入主动土压力状态且基床系数折减１０倍，将导致隧道发生结构性破坏。（４）上方超载影响地铁上盖建筑物荷载向下方土层传递时，可能影响隧道结构外壁应力。为简化分析上盖建筑物荷载对下方隧道结构受力影响，对比计算了水位下降２ｍ时上方无超载和上方超载２０ｋＰａ时的结构受力。隧道结构受力计算结果表明，隧道上方超载２０ｋＰａ将导致隧道结构弯矩增大约２１％。５隧道实测变形分析５．１监测方案图５为黄沙一长寿路区间隧道监测断面平面布置图，其中ｌ一１３监测断面位于车站北端区间隧道。图６为上、下行线隧道变形监测断面布点及其编号，其中Ｄ表示下行线，Ｕ表示上行线，座标体系中Ｘ轴正方向由黄沙车站指向长寿路车站，ｌ，轴正方向由下行线指向上行线隧道（西北角基坑内侧），Ｚ轴正方向由下方隧道指向地表。５．２隧道变形分析图７为近期该区间隧道最大变形断面各测点变形随时间发展曲线。图８为隧道各测点水平方向绝对位移沿隧道纵向曲线。图９为各测点垂直方向绝・２１８・对位移沿隧道纵向曲线。图１０为上、下行线隧道监测断面各测线收敛位移沿隧道纵向变化曲线。图５盾构隧道变形监测断面下行线上行线图６隧道变形测点布置辱辱辱夸写车辱寄夸每辱年辱等辱辱辱写耳夸辱寄８牟萼ｇ旦＝竺苫掣害苎笔昌ｇ錾零宝：２５吾笔ｇｇ若吾鲁毫§§§§毒§童誊§§蓉杏ｓＩ§ｇ霉音量遴遥图７最大变形随时间发展曲线基于以上各实测变形曲线，认为：（１）上行线隧道离车站北端０—８０ｍ区段已朝西北角基坑水平方向发生侧向移动，并往下发生沉降，隧道中心最大侧移量为４．１１／１１１１，最大沉降量为一４．７１１１１１１，管片环绕隧道中心已发生一定程度的扭转。（２）下行线隧道离车站北端０～８０ｎｌ区段未发生明显的水平方向侧向移动，但往下发生的沉降量较大，沉降曲线呈现勺子型，隧道测点最大沉降为深基坑施工对地铁盾构隧道的影响分析－－●一Ｄｌｙ＋Ｄ２ｙ＋Ｊ）３ｒ—・－Ｄ４＇——●一￡巧ｒ２１了丫万孓ｋ。．—、．—。：暨）１弋乡鬈≤盎‘茹下行线图８隧道水平方向位移¨５＋ＩｔｌＺ－，４－－ｆ忍Ｚ童ｍ０＋ｆＢＺ—＊一ｆ＾圮鎏５，＋ｆ『５ＺＯｏ罨巧５郴Ｏ麓窜渗一矧－ｇｏ。鞭－舳－面书５上行线坫５ｍ０＋ＤｌＺ—－一Ｄ口Ｚ毒＋∞Ｚ—＊－Ｄ４Ｚ５，—・一Ｄ５Ｚ釜ＯｏＬ／一．、、Ｉ＿＾一／ｆ—●～奄４｛郴Ｏ小Ｎ多孺ｔ二茹悟下行线图９隧道垂直方向位移一１２．３ｍｍ，隧道中心最大沉降为一１０。ｌｉｎｍ，管片环变形以腰鼓形态为主。（３）上、下行线隧道道床最大沉降量为２．５调整控制范围４ｉｎｌｌｌ内，目前不影响地铁正常运营，ｍ区段道床与隧道底部可能存在一定程度的脱空，道床与隧道结构侧向存在一定程度的挤压，将可能影响道床和隧道的长期使用。妻錾甏鍪辇一离车站北端距离『ｍ上行线差錾羹鏊藿ｋ离车站北端距离，ｍ下行线图１０隧道收敛沿隧道纵向变化曲线（４）上、下行线隧道收敛变形主要发生在０—８０ｍ区段，其中上行线隧道最大收敛变形为８．０ｍｉｌｌ，下行线隧道最大收敛变形为１３．８ｍｉｌｌ。（５）建筑群基坑施工引起区间隧道变形所产生的最大曲率半径为１９５００ｎｌ，该曲率半径值所对应的管片环环缝张开量增量为０．３３ｌ＇ｎｍ，为广州地铁总公司所提出的环缝总张开量控制值５姗的（６）道床与隧道结构底部之间的脱空，是导致区间隧道道床开裂和水沟出现翻浆冒泥的原因。现场调查发现，建筑群深基坑施工前裂缝和渗漏部位主要集中在管片环环缝处和拱顶关键块附近。近期隧道裂缝和渗漏仍主要集中在管片环环缝处和拱顶关键块附近，但出现了水沟底部开裂和翻浆冒泥等新病害，在下行线隧道第４监测断面处左侧水沟约２ｍ范围翻浆冒泥，第５监测断面至第１３监测断面近百米长度范围右侧水沟底部开裂，第８、１０监测断面处隧道左侧腰部侧墙管片接头出现明显渗漏水等病害。以某上盏物业建筑群基坑施工对广州地铁一号・２１９・６．６％。６现场调查分析ｍｍ，在广州地铁总公司所提出的道床不均匀沉降可但上、下行线隧道在０—８０７结论现代隧道技术线黄沙至长寿路站区间隧道的影响为例，综合运用２００８年增刊鉴于地下工程中存在着诸多的不确定因素，特别是隧道结构的绝对受力和变形状态不明确，为确保隧道安全和地铁正常运营，建议：（１）加强基坑施工过程基坑围护结构、区间隧道变形和地下水位监控工作。（２）确定隧道变形监测控制值时，需综合考虑隧道沉降、收敛、道床绝对沉降和最小曲率半径等值。三维渗流数值分析、荷载结构法和实测变形数据分析等多种手段研究了深基坑施工对地铁区间盾构隧道的影响，得到以下主要结论：（１）三维渗流数值分析预测基坑施工地下水位下降不超过２Ｉｌｌ，与实测最大水位下降值较为接近，地下水渗流诱发区间隧道下行线沉降大于上行线。（２）采用荷载结构法探讨了盾构隧道的影响因素，结果表明影响盾构隧道受力的最主要因素为隧道外壁侧向土压力释放程度，即地层的密实性。（３）区间隧道三维变形监测数据分析结果表（３）加强西北角基坑支护结构体系刚度，优化基坑施工方案，控制基坑侧向位移进一步加速发展，严防发生基坑坍塌事故，以避免隧道结构处于不利的扭转受力状态。（４）确保地下连续墙接头部位施工质量，避免发生漏水、流砂现象，导致隧道周边水土流失，以保证隧道周边土层的密实性；明，建筑群深基坑施工已对区间隧道产生一定程度的不利影响，但据目前变形监测数据及其分析，认为区间隧道结构仍处于安全状态，且道床沉降不影响地铁正常运营。（４）现场调查表明，深基坑施工诱发了区间隧（５）根据道床沉降监测数据，对沉降超运营要求的道床标高进行适当调整，确保地铁的正常运营。（６）对上、下行线道床与隧道底部脱空区段的道床下方进行加固处理。道道床开裂和水沟翻浆冒泥等病害。研究成果对深入认识地铁上盖物业建筑群基坑施工对地铁区间隧道的影响规律和制定相关地铁保护措施具有一定的指导意义。（７）当出现工程险情预兆时，在隧道与基坑地下连续墙之间进行压力注浆，并采用成熟的施工方案对隧道周边土层进行加固处理。８建议参考文献［１］刘庭金．基坑施工对盾构隧道影响的实测分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，增刊２录用，９月发表［２］刘庭金．基坑施工诱发水位下降对地铁一号线黄沙至长寿路区间隧道影响的数值模拟分析及安全评估［Ｒ］．中国广州：华南理工大学，２００６—０９［３］刘庭金．黄沙至长寿路地铁区间隧道变形监控值研究［Ｒ］．中国广州：华南理工大学，２００７－０５［４］刘庭金．黄沙至长寿路区间盾构隧道结构安全现状评估［Ｒ］．中国广州：华南理工大学，２００８—０７［５］刘庭金．基坑施工对盾构隧道的影响分析［Ｊ］．铁道建筑，２００８，（２）：４１—４４［６］胡国新，刘庭金，陈俊生等．基坑三维渗流对紧邻区间隧道影响的数值分析［Ｊ］．铁道建筑，２００７—０７，４２－４４・２２０・