外灘通道對下臥大直徑隧道的開挖影響分析

本文依托蘭州地鐵1號線五里鋪站附屬物業(yè)開發(fā)工程項目，采用有限元建模分析了基坑施工對其下臥地鐵區(qū)間隧道變形及內(nèi)力的影響，對設(shè)計的合理性進行了評估并對后續(xù)的工程設(shè)計提出了建議。

針對復(fù)雜周邊環(huán)境下的深基坑開挖,運用三維有限元計算軟件模擬深基坑開挖施工全過程,分析了不同工況下深基坑開挖對廣州地鐵6號線的影響,為今后類似周邊環(huán)境下深基坑開挖奠定了基礎(chǔ)。

在深圳市桂廟路快速化改造工程施工過程中,前海段下沉式隧道需要采取明挖基坑的方式長距離平行上跨既有的地鐵11號線隧道,而基坑開挖會使下臥隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和附加受力,從而影響隧道的運行安全。借助數(shù)值分析軟件,對基坑施工過程進行動態(tài)模擬,對比分析了不同旋噴樁地基加固情況下基坑開挖對下臥隧道的受力和變形影響。在此基礎(chǔ)上,提出了合理的地基加固寬度和深度,把地鐵隧道變形控制在規(guī)定范圍內(nèi)。最后,通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,驗證了所提地基加固方案能有效控制下臥隧道的變形,并為以后類似工程的設(shè)計與施工提供了借鑒和參考。

上海外灘修建地下通道——外灘通道,通道南段采用明挖法施工,在延安東路路口與已建的延安東路隧道產(chǎn)生交叉跨越問題。外灘通道基坑坑底與延安東路南、北線隧道拱頂距離僅為7.1m與5.4m,基坑開挖必然使下臥運營隧道產(chǎn)生附加變形以及附加內(nèi)力。為了研究外灘通道開挖對下臥延安東路隧道的影響,以及評價不同隧道保護措施的效果,通過三維有限元軟件plaxis-gid進行四組模擬,包括無隧道保護措施的工況、采取土體加固措施的工況、基坑開挖過程中在坑底進行堆載的工況以及同時進行土體加固和堆載的工況。實際工程中同時采用土體加固和堆載這兩種措施來保護隧道,現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性。分析表明:基坑開挖將對下臥隧道產(chǎn)生很大的影響,且影響范圍較大,約為6倍基坑寬度,施工中采取合理的隧道保護措施是十分必要的。

本文以某城市隧道上跨某既有運營地鐵區(qū)間工程為研究對象,采用有限元軟件midas-gts對隧道基坑開挖及支護施工過程進行全過程數(shù)值模擬,分析隧道基坑開挖對下臥既有地鐵區(qū)間的變形影響規(guī)律,并提出相應(yīng)的地基加固及分步開挖等措施控制地鐵區(qū)間的變形。

長沙田漢大劇院地下空間商業(yè)項目一期基坑工程位于地鐵1號線某區(qū)段正上方,坑底距隧道頂?shù)淖钚【嚯x約為6.2m。基坑坑底位于圓礫層中,地下水較豐富,考慮到降水對周邊環(huán)境的影響,基坑工程采用封閉式止水帷幕并設(shè)置抗浮錨索?；娱_挖、降水引起的土體卸荷、地下水滲流,以及施工的抗浮錨索,共同影響坑底土體回彈,從而對下臥地鐵隧道產(chǎn)生影響,如何分析與計算其影響成為該項工程的重點和難點。為此先通過兩種常用的回彈變形估算方法計算坑底回彈量和隧道隆起位移;然后利用midasgts有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型,分別進行3種工況的模擬,包括不考慮地下水滲流影響并不采用抗浮錨索工況,考慮應(yīng)力滲流耦合但不采用抗浮錨索工況,考慮應(yīng)力滲流耦合并采用抗浮錨索工況。對比分析表明：帷幕滲透率較低時,考慮應(yīng)力滲流耦合與不考慮滲流影響的坑底回彈和隧道隆起位移模擬結(jié)果基本一致;規(guī)范推薦估算方法在合理修正其卸荷應(yīng)力,并確定合理的卸荷影響深度后,其計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近。所得成果可為優(yōu)化設(shè)計和施工提供有益的參考,并為類似工程提供借鑒。

隨著上海市政隧道項目的大規(guī)模建設(shè),已建運營隧道鄰近的商業(yè)地產(chǎn)開發(fā)越來越多。地塊開發(fā)過程中的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工等多個因素會對運營隧道產(chǎn)生影響甚至危害。在已運營的大直徑隧道鄰近進行工程施工時,對隧道的變形影響分析總結(jié)尤為必要?；趯崪y隧道變形數(shù)據(jù),對優(yōu)化設(shè)計及優(yōu)化施工工序進行了綜合分析。

基坑開挖對下臥運營地鐵隧道影響的數(shù)值分析與變形控制研究_鄭剛

針對軟土地區(qū)實際工程設(shè)計,采用整體有限元方法,研究了大斷面開挖地下通道結(jié)構(gòu)基坑對既有近距離盾構(gòu)隧道的影響問題?？紤]了設(shè)置分隔墻、抗拔樁長度、封堵墻深度對基坑開挖產(chǎn)生的隧道最大隆起的影響,并根據(jù)現(xiàn)場實際情況和結(jié)構(gòu)特點,分析了對應(yīng)的施工控制措施。從實際工程設(shè)計的角度提出了針對大面積基坑開挖對下臥盾構(gòu)隧道影響問題的分析研究方法和一系列保護地鐵的措施,以期對相關(guān)工程問題有一定借鑒意義。

樁基施工有可能導(dǎo)致臨近大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形和滲漏水等運營風(fēng)險。借助平面有限元程序,建立樁基對大直徑盾構(gòu)影響的數(shù)值模型,通過實測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算對比得到了指導(dǎo)意義的結(jié)論。成樁過程中臨近隧道產(chǎn)生相對少量的位移。隧道向下和向樁基方向發(fā)生變位。當(dāng)樁基受荷后,隧道位移量明顯加大,隧道向下和向遠離樁基方向發(fā)生變位。樁基成孔過程引發(fā)的土層損失,是前期地層變位的主要原因。合理提高泥漿配比,甚至在成孔時采用全程鋼護筒,可以有效減少土層損失,降低隧道變形的風(fēng)險。樁基受荷后,樁周形成一定范圍內(nèi)的剪切帶。剪切效應(yīng)引發(fā)結(jié)構(gòu)與土的共同作用,進而使地層和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。當(dāng)樁基與隧道間距在2倍隧道結(jié)構(gòu)外徑以上時,隧道沉降和側(cè)移可得到有效控制。樁基長期荷載作用下地層仍然會產(chǎn)生蠕變位移,對隧道結(jié)構(gòu)依然存在一定的影響。

以豫機城際鐵路隧道下穿南水北調(diào)中線干渠為背景,通過flac3d三維數(shù)值模擬,對施工過程進行模擬,研究結(jié)果表明當(dāng)隧道頂部距離干渠底部32.24m開挖時,干渠結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定;當(dāng)?shù)貙訐p失率控制在0.5%以內(nèi)及覆土厚度大于2倍洞徑時,地表沉降較小;隨著地層損失率增大,地表沉降增大,隨著覆土厚度增大,地表沉降減小。將數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式預(yù)測結(jié)果進行比較,結(jié)果顯示二者吻合度較高。

在簡要介紹外灘通道工程和沿線歷史建筑的基礎(chǔ)上,選取四幢代表性歷史建筑,給出其檢測監(jiān)測方案,分析了外灘通道施工引起相鄰房屋的附加沉降、傾斜和損傷。監(jiān)測結(jié)果表明,外灘通道施工期間,各房屋沉降較傾斜和損傷更為敏感,房屋沉降具有"緩慢波動—加速變形—趨于穩(wěn)定"三階段特征,且均存在顯著的差異沉降。為此,建議相鄰工程施工影響監(jiān)測時應(yīng)以沉降為主、傾斜和損傷為輔,監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)施工工藝和進度調(diào)整,在關(guān)注累積沉降量和沉降速率的同時應(yīng)注意房屋的不均勻沉降。

以某城市地鐵盾構(gòu)隧道平行下穿一座既有地下通道為工程背景，通過建立三維有限元地層結(jié)構(gòu)模型，對盾構(gòu)掘進過程中既有通道和支護樁的力學(xué)行為進行動態(tài)模擬分析，獲得了盾構(gòu)隧道掘進過程中支護樁側(cè)移和既有通道沉降、附加應(yīng)力的變化規(guī)律，并提出建議以減小盾構(gòu)掘進對結(jié)構(gòu)物的影響。研究結(jié)果表明：盾構(gòu)掘進會引起既有通道和支護樁的不均勻變形，還會產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，結(jié)構(gòu)物最終的沉降值和傾斜率均滿足施工控制標(biāo)準。

以上海北橫地下通道下穿蘇州河段基坑為例,在保證蘇州河正常防汛功能條件下,為減小基坑開挖對鄰近隧道的影響,采用有限元方法進行數(shù)值模擬,判斷在采取相應(yīng)保護措施下基坑開挖對鄰近隧道的影響程度,以此作為基坑設(shè)計的依據(jù).

新建盾構(gòu)隧道近距離穿越既有隧道時,會對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。針對地鐵盾構(gòu)隧道下穿大直徑越江隧道,在充分考慮襯砌的橫觀各向同性性質(zhì)、盾構(gòu)施工開挖面的支撐力、同步注漿壓力、擾動層厚度等因素的基礎(chǔ)上,應(yīng)用三維有限元數(shù)值方法,研究了新建盾構(gòu)隧道施工引起既有越江隧道的變形以及內(nèi)力的變化規(guī)律,同時獲得了越江隧道的影響范圍。研究結(jié)果表明,越江隧道的最大沉降及側(cè)移發(fā)生在對稱面上,并且對側(cè)移的影響較小;越江隧道經(jīng)歷了加載、卸載、再加載的過程;影響范圍集中在垂直于越江隧道軸線方向盾構(gòu)穿越前2d、穿越后2d的范圍內(nèi)。

文章通過對既有基坑設(shè)計方案的分析和二維、三維有限元分析計算,得出基坑及隧道的變形規(guī)律,并對在地層變形情況下的隧道內(nèi)力變化進行對比分析.分析結(jié)果表明,在現(xiàn)環(huán)境條件與基坑規(guī)模情況下,隧道有不同程度隆起和內(nèi)力變化,隧道結(jié)構(gòu)安全性基本滿足要求,可為類似工程設(shè)計和施工提供參考.

結(jié)合一外徑11.36m、近距段凈距4.0～5.7m的上海某公路盾構(gòu)隧道土體和管片位移及應(yīng)變的監(jiān)測成果,就后建隧道施工對先建隧道的影響進行了分析。分析結(jié)果表明,盾構(gòu)的推進使隧道間土體朝掘進方向和已建隧道方向側(cè)移,沿深度的最大側(cè)移量發(fā)生在隧道中心深度以上0.2d(d為隧道外徑)左右;盾尾到達及管片脫出注漿工況階段,隧道間土體及已建隧道臨近面上拱腰處的側(cè)移量達到最大;已建隧道管片呈現(xiàn)上部內(nèi)斂、下部外擴的變形形態(tài),且臨近后建隧道面變形值較大。

針對采用大直徑隨鉆跟管樁工法施工的管樁樁頭是否需要加套箍的問題進行了詳細探討,分別從樁頭開裂彎矩、抗拉力、夾持力幾個方面進行了綜合分析。提出了有套箍大直徑phc管樁樁頭的正截面開裂彎矩計算公式和抗拉力計算公式,表明在大直徑隨鉆跟管樁設(shè)計制作中取消套箍是切實可行的。

預(yù)測隧道開挖對鄰近樁基產(chǎn)生的附件內(nèi)力和變形對隧道建設(shè)具有重要意義.傳統(tǒng)彈性地基梁法忽略了相鄰樁-土界面單元的相互作用和樁-土界面的塑性變形,其預(yù)測結(jié)果與實際有較大出入.基于mindlin解考慮樁-土界面單元相互作用,假設(shè)樁-土界面為理想彈塑性體,根據(jù)摩爾庫侖準則得出樁側(cè)土體的極限剪應(yīng)力和極限土壓力,可由本構(gòu)方程得出隧道開挖引起的樁基附加內(nèi)力和變形的塑性解.將該方法得到的塑性解與離心試驗結(jié)果進行對比,驗證了該方法的合理性.新方法考慮了樁身相鄰樁-土界面單元的相互作用,得到的附加變形較傳統(tǒng)地基梁解大.最后,討論了樁-土界面塑性變形對樁基附加內(nèi)力及變形的影響,由于不考慮樁-土界面塑性變形,導(dǎo)致樁基附加內(nèi)力和變形產(chǎn)生較大偏差,并且隨著地層損失率增加,偏差增大.

以哈爾濱地鐵某區(qū)間隧道為工程背景,采用有限元軟件建立近接既有建筑物隧道施工的二維模型,研究不同隧道與建筑物水平間距、建筑物基礎(chǔ)埋深以及土層參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對建筑物變形的響應(yīng)規(guī)律。從建筑物基礎(chǔ)總體沉降和首尾沉降差分布兩個角度分析,根據(jù)不同參數(shù)對于隧道開挖引起建筑物變形響應(yīng)的規(guī)律,優(yōu)化施工中隧道施工方案,保證地鐵暗挖區(qū)間隧道在施工過程中的安全性、穩(wěn)定性。

為了更合理和快捷地評估基坑施工對鄰近已建地鐵隧道的影響,將隧道視為彈性的地下連續(xù)梁來分析隧道本身的受力和變形,推導(dǎo)了隧道與周圍土體相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入彈性半空間層狀模型來分析基坑卸載對土體和隧道變形性能的影響,建立了層狀地基中基坑開挖對鄰近隧道影響的耦合分析方法;然后,將提出方法與兩階段方法進行了算例對比,并結(jié)合離心機試驗結(jié)果和工程實測數(shù)據(jù)進行了驗證。研究發(fā)現(xiàn),與兩階段方法相比,耦合方法在能反映出非均質(zhì)層狀地基土體的應(yīng)力和應(yīng)變集中（或擴散）現(xiàn)象,不僅具有更好的計算精度,而且減少了計算參數(shù)的數(shù)量;提出方法的理論計算值與離心試驗結(jié)果基本一致,與工程實測變形數(shù)據(jù)基本吻合,驗證了方法的有效性;通過工程實際應(yīng)用得出的一些有益結(jié)論,可為合理制定城市基坑施工對鄰近隧道影響的保護措施提供一定的理論依據(jù)。

為了更合理和快捷地評估基坑施工對鄰近已建地鐵隧道的影響,將隧道視為彈性的地下連續(xù)梁來分析隧道本身的受力和變形,推導(dǎo)了隧道與周圍土體相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入彈性半空間層狀模型來分析基坑卸載對土體和隧道變形性能的影響,建立了層狀地基中基坑開挖對鄰近隧道影響的耦合分析方法;然后,將提出方法與兩階段方法進行了算例對比,并結(jié)合離心機試驗結(jié)果和工程實測數(shù)據(jù)進行了驗證。研究發(fā)現(xiàn),與兩階段方法相比,耦合方法在能反映出非均質(zhì)層狀地基土體的應(yīng)力和應(yīng)變集中(或擴散)現(xiàn)象,不僅具有更好的計算精度,而且減少了計算參數(shù)的數(shù)量;提出方法的理論計算值與離心試驗結(jié)果基本一致,與工程實測變形數(shù)據(jù)基本吻合,驗證了方法的有效性;通過工程實際應(yīng)用得出的一些有益結(jié)論,可為合理制定城市基坑施工對鄰近隧道影響的保護措施提供一定的理論依據(jù)。