基坑施工对既有盾构隧道的变形影响研究

　　摘要：本文以北京地铁亦庄线某区间明挖基坑侧穿既有盾构隧道工程为例，研究了基坑施工对既有盾构隧道的变形影响
　　关键词：基坑施工，既有盾构隧道，优化，方案
　　随着城市建设的飞速发展，特别是“十二五”期间我国城市轨道交通的大发展，将会有越来越多的基坑工程穿越建构筑物、地下管线和既有轨道线等。目前，基坑旁穿建筑物及地下管线的工程实例较多，而基坑侧穿既有盾构隧道的工程实例比较少。对此，本文在前人研究的基础上[1-4]，对基坑侧穿既有盾构隧道时对既有隧道的影响进行分析，在此基础上对施工方案进行优化计算，以完全保证基坑本身的安全及既有盾构隧道的安全，并为类似施工提供一定的参考。
　　1工程概况
　　北京市轨道交通亦庄线某标段区间工程位于北京市东南部的丰台区三环和四环之间，区间基坑长约27m，宽5.7m～9.9m，深约15m～19.4m，基坑南端设有一单线盾构接收井，总平面图见图1。
　　
　　图1区间平面布置图
　　1.1区间地质与水文条件
　　（1）工程地质条件
　　区间施工范围内地层自上而下可分为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层共三大类，按地层岩性及其物理力学性质进一步分为8个大层及亚层：人工填土层、新近沉积层，、第四纪沉积层、粉质粘土④层、粉土⑤层、粉质粘土⑦层、细砂、中砂⑧层、卵石、圆砾⑩层。依据设计图纸，区间段主体结构底板位于○5层粉土层，地质特征表现为：密实，稍湿~湿，中/中低压缩性土。
　　（2）水文条件
　　场地范围内存在潜水、层间水、潜水承压层三层地下水，依设计图纸，该三层地下水对混凝土结构无腐蚀性，但在干湿交替条件作用下对混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。
　　区间主体结构埋深16m左右，底板标高约24m-25.7m,结构体高度7.9米，依据勘察实测水位，对结构施工存在影响的地下水层主要是潜水和层间水，承压水层位于结构底板以下4m左右，对结构深基坑施工影响不大。
　　1.2区间设计概况
　　区间基坑深度约为15.6m，施工段采用桩+锚索进行支护，支护桩采用φ800（1000）＠1500（1600）钻孔灌注桩，嵌固深度为4.0～5.0m，锚索水平布设于两桩之间，东侧锚索竖向布设3道，西侧右线盾构井以北部分竖向布设3道锚索，西侧右线盾构南端墙竖面布设4道锚索，西侧右线盾井以南部分竖向布设2道锚索；YK0+496.260~YK0+510.700施工段为区间正线及出入段线左线盾构接收井，采用桩+内支撑支护，支护桩采用800＠1500钻孔灌注桩，嵌固深度为4.0～5.0m，内支撑采用φ600圆管撑。
　　图2区间隧道西侧桩锚围护结构断面图
　　3基坑土方开挖方法
　　主体工程基坑采用明挖顺作法施工。土方采用机械开挖，人工配合捡底，自卸车运输。主体基坑土方采用分段、分层开挖，沿基坑纵向拉坡，在基坑中部设马道。
　　基坑开挖至基底标高以上30cm前，采用机械分段、分层开挖，即时实施网喷作业并悬挂草帘进行养护，养护时间不小于14小时；开挖至锚索下50cm处时，立即实施网喷、腰及锚索作业，锚索张拉完成达到设计拉力并持续稳定前；开挖至第一道钢支撑的轴线位置时，在第一道钢支撑的安装位置向下开槽50cm，提供钢支撑安装作业面，实施钢支撑安装作业，钢支撑安装完成并施加预应力至设计轴力，并经监测判定稳固后进行下步土方开挖。
　　先用机械挖至基底底板标高以上30cm处后，然后用人工清底。为防止超挖，在即将挖到设计标高前及时将标高桩测引至基坑四周，人工清底前在基坑底钉小木桩方格网，把标高测到小木桩上，然后拉线清底。
　　每土方开挖时，首先挖出基坑东西两侧的锚索施工作业面。作业面每次开挖长度控制在10-12m，开挖宽度在6-8m，方便锚索施工。每层开挖时应根据地质情况放坡，坡度控制在1：0.5-0.75为宜。
　　4数值计算
　　计算模型为长×宽×高=150×50×100m。计算软件选择FLAC3D。计算网格图见图3所示。
　　
　　图3数值计算模型网格
　　4.1 计算基本假定
　　（1）计算土体选用摩尔库伦材料模型，为安全考虑，盾构管片采用线弹性模型；假定各土层均质且均匀分布；不考虑地下水对土体作用的影响；忽略周围构筑物和车辆对计算结果的影响。
　　4.2 计算结果
　　
　　图4开挖完毕后桩体侧向位移图（距管片2.5m）
　　
　　图5开挖完毕后桩顶侧向位移（沿x轴方向）
　　图6开挖完毕后桩顶竖向位移（沿y轴方向）
　　
　　图7盾构管片监测点（A点靠近基坑一侧）
　　
　　图8开挖完毕后盾构管片侧向位移
　　
　　4.3 结果分析
　　（1）根据计算结果分析，桩顶最大侧向位移为6.6mm，竖向位移6.8mm，就单桩而言，桩最大位移在桩身10.5m处（距桩顶），最大侧向位移7.2mm。桩位移偏小，偏于安全；
　　（2）根据计算结果，基坑开挖过程及开挖完毕后，管片受力较小，远小于管片的极限承载力，盾构管片偏于安全；
　　（3）由计算结果，管片和管片与基坑中间的土柱均较小，最大侧向位移不大于7mm，偏于安全。
　　5基坑施工方案优化
　　基坑施工工法的选择主要考虑基坑的地质状况和开挖断面的大小，其次还有工期、技术条件、机械装备状况、动力和原材料供应等因素。根据分岔隧道的结构特点，并通过数值模拟的方法重点研究基坑在不同施工工法下的盾构管片的稳定性，通过对基坑位移的综合比较提出最优的施工工法。
　　5.1 计算方案
　　
　　图10基坑开挖方案
　　5.2 数值计算结果分析
　　（1）由计算结果，方案3管片侧向、竖向位移和桩侧向位移均最小，方案1次之，方案2最大，但各方案位移差别不大，不到2mm；
　　（2）由计算结果，基坑开挖方案3引起管片侧向、竖向位移均最小，但沿管片长度方向，不均位移也最大，不均匀位移越大，对结构受力越不利，综合考虑，方案1为最优方案。
　　参考文献
　　[1]肖丽霞，张利民，王志荣.地铁车站基坑施工对既有盾构隧道的变形影响[J].河南理工大学学报（自然科学版）,30（3）,2011.6,326-330.
　　[2]刘庭金。基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究[J],岩石力学与工程学报，2008年27卷A02期,3393-3400。
　　[3]况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响[J]．岩土工程学报,2000,22（3）：284—288
　　[4]戚科骏,王旭东,蒋刚等.临近地铁隧道的深基坑开挖分析[J]．岩石力学与工程学报，2005，24（增2）：5485-5489．

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