顶进工作坑开挖对下方隧道影响分析.pdf
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1、当顶进工作坑位于既有地铁隧道上方时,工作坑开挖需对下方既有隧道保护。通过对某顶进工作坑工程计算表明:既有隧道位于基坑正下方时,随着基坑开挖深度的增加,隧道拱顶和拱底的竖向沉降(隆起)逐渐增大;隧道拱顶竖向沉降随着卸载率的增大而增大;在隧道两侧及顶部进行注浆加固能明显减小或约束隧道周边土体变形,且隧道径向收敛会大幅度降低。关键词:顶进工作坑;下方隧道;竖向沉降;注浆加固中图分类号:TU 47 文献标识码:A引言在城市道路与普速铁路交叉口,城市道路往往以框架桥的方式下穿普速铁路相互避让通过。施工时,需在铁路侧边施作顶进工作坑,在工作坑底板上预制框架桥,后续再实施顶进施工,把框架桥顶进至铁路下方。随
2、着各类交通设施密集度的增加,顶进工作坑有可能位于既有地铁隧道上方,施工时需考虑对下方既有隧道的保护,施工的复杂程度显著增加。在既有隧道上方进行基坑开挖的案例屡见不鲜。如宁波市矮潘地块项目的地铁上盖地下室基坑开挖深度为 6.0 m,其位于宁波轨道交通 4 号线上方,基坑开挖导致隧道产生 812 mm 的隆起,隆起较大区域的隧道采用堆载进行处理1;南宁地铁4 号线那那区间盾构隧道左、右线在与南崇高铁留村隧道呈正交,高铁明挖基坑为 12.5 m,基坑与下方隧道净距为 5.84 m,在“板凳桩”与堆载等控制措施作用下最终隧道拱顶竖向位移 7.46 mm2;武汉市轨道交通 6 号线琴台变电站地下电缆通道
3、工程上跨地铁 4 号线区间段,地铁 4 号左线下卧盾构隧道顶部距基坑底板仅 2.3 m,在“压力注浆与水泥土搅拌桩综合加固”控制措施作用下隧道的最大隆起变形为 2.3 mm3;深圳市地铁 11 号线上方某深基坑工程开挖深度-15.5 m,隧道距基坑底部最近处仅为 5.5 m,施工时地铁隧道上浮值超过预警值(达到 16 mm)导致停止施工,采用覆土反压措施,控制隧道隆起量4;刘波等5对 33 个基坑开挖对下卧既有隧道的工程案例分析表明,基坑开挖深度、开挖面积、开挖卸荷率以及隧道穿越基坑长度均是影响隧道最大隆起量的重要因素。相应地,也发展出了各种加固下卧隧道的抗隆起技术6-9。在既有地铁隧道上方进
4、行基坑开挖时,对基坑的保护应符合 CJJ/T 2022013城市轨道交通结构安全保护技术规范10相关要求。一般既有隧道水平位移、竖向位移和径向收敛的预警值为 10.0 mm,可见该变形控制值非常小,对基坑工程施工提出了非常严格的要求。下文拟分析某顶进工作坑开挖对下卧既有隧道的影响,并探讨了注浆加固的效果,以期为框架桥顶进工作坑的安全开挖提供参考。1 顶进工作坑计算模型某框架桥顶进工作坑开挖深度为 10.0 m,采用桩径 1.0 m、间距 1.2 m、桩长 19.0 m 的围护桩进行支护,桩顶以上 4.0 m 高度土体采取放坡处理,放坡坡率 11.50,桩顶冠梁尺寸为 1.0 m0.8 m。既有
5、地铁隧道位于顶进工作坑正下方,隧道外径为6.0 m,隧道拱顶距坑底为 10.0 m,如图 1 所示。施工之前,需论证基坑开挖对下卧地铁隧道的影响是否满足 CJJ/T 2022013 要求,如不满足应采取哪些经济有效的加固方法。为此,建立有限元计算模型进行探讨。根据地勘报告,从上至下各土层可分为素填土、粉质黏土、黏土、黏土、强风化砂岩和全风化砂岩,采用小应变土体硬化(HS-Small)本构模型对各土层进行模拟,各土层计算参数见表 1。34建材技术与应用 4/2023基金项目:安徽省自然科学基金项目(2008085ME168)。图 1 基坑邻近既有隧道方位图表中 Eref50为标准三轴排水试验所得
6、割线模量;Erefoed为侧限加载试验的切线模量;Erefur为工程应变卸载/重加载模量。表 1 土层计算参数土层容重/kN m-3凝聚力c/kPa内摩擦角/Eref50/MPaErefoed/MPaErefur/MPa素填土17.44.18.23.03.09.0粉质黏土18.97.117.45.05.015.0黏土19.114.218.77.07.021.0黏土19.322.821.310.010.030.0强风化砂岩20.252.525.715.015.075.0全风化砂岩20.466.426.720.020.0100.0 数值计算按平面应变问题考虑,桩与盾构管片等效为板单元,等效后围护桩
7、的轴向刚度 EA 为2.37107 kN m-1、抗弯刚度 EI 为 1.23106 kN m2 m-1。数值计算网格剖分情况如图 2 所示。为了分析基坑开挖卸载对下卧隧道的影响,卸载率计算见式(1):=hH(1)式中:卸载率;h 基坑开挖深度,m;H 既有隧道原始上覆土厚度,m。图 2 网格剖分情况2 基坑卸载对隧道的影响基坑开挖至底时,土体的竖向沉降等值线分布如图 3 所示(图中正值表示隆起、负值表示下沉),隧道的变形趋势如图 4 所示。可见,基坑开挖至底时,坑底的最大隆起达到+47.3 mm,隧道的隆起达到+8.8 mm。图 3 基坑开挖至底时土体竖向沉降等值线分布(单位:mm)图 4
8、基坑开挖至底时既有隧道变形趋势图基坑坑底最大隆起量与基坑开挖深度的相互关系如图 5 所示。可见,随着基坑开挖深度 h 的增加,坑底最大隆起逐渐增大,且开挖深度 h 越大隆起的增加值越大。说明基坑工程中,开挖深度 h 是重要参数之一,其对坑底土体变形影响较大。图 5 坑底隆起与基坑开挖深度的相互关系隧道竖向沉降与基坑开挖深度的相互关系如图 6 所示。可见,隧道拱顶和拱底的竖向沉降(隆起)随着基坑开挖深度的增加而逐渐增大;隧道拱底的隆起量小于拱顶的隆起量;基坑开挖深度 h 达到 9.30 m 时,隧道拱顶的隆起量已超过预警值10.0 mm。隧道上覆土层厚度 H 不同取值情况下,隧道拱顶竖向沉降与卸
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