基坑近接既有地铁盾构在桩锚技术的基础上对隧道施工安全影响分析
发布时间：2014-09-22 19:19
【摘要】 对于在既有地铁盾构隧道旁采用桩锚技术施工的大型基坑工程,由于基坑的大面积开挖卸荷打破了原有的地层平衡条件,使得基坑周围土体在不平衡力的作用下向着基坑方向变形和位移,同时这种不平衡作用改变了既有盾构隧道周边围岩应力状态,导致围岩应力出现应力重分布,而既有盾构隧道是根据原先的围岩条件设计而成,再者地铁盾构隧道对岩土体变形比较敏感,极易由于岩土的变形而出现不均匀位移,当基坑开挖的卸荷影响达到一定程度,就会威胁到盾构隧道的正常使用和结构安全,如轨道线形不满足列车运营要求,盾构接头螺栓出现拉伸破坏,管片接头防水措施失效,盾构管片出现纵向错动等现象的产生。那么在基坑开挖的一个多大范围之内,基坑开挖对邻近既有盾构隧道影响比较强烈,必须采取施工对策才能保证盾构隧道的正常使用和基坑的顺利施工；在什么范围内基坑开挖对邻近既有盾构隧道影响比较弱甚至没有影响,只需采用一般的施工辅助措施甚至不需要采取施工对策,这是摆在广大学者和岩土工程师面前亟待解决的一个问题。本文以沈阳中环广场南块地超大基坑近接既有地铁盾构隧道施工工程为背景,在对盾构隧道纵向等效刚度模型进行研究分析的基础上确定将盾构隧道纵向变形曲率作为近接影响分区准则,然后利用大型有限元软件Abaqus,通过改变既有盾构和基坑围护结构之间的距离,对既有盾构隧道位于基坑侧方、基坑底面-45°方向、基坑被动土区、基坑底面正下方4种类型12种工况进行三维数值模拟,分析基坑开挖对地表沉降变形,既有盾构隧道变形和连续墙水平变形的影响规律,主要结论及成果如下：(1)通过对盾构隧道纵向等效刚度模型的研究,表明盾构隧道纵向变形曲率半径和螺栓张开量与螺栓内力之间存在着力学和数学上的关系,也是基坑近接盾构隧道施工中隧道结构安全和正常使用的关键指标,从而确定将盾构隧道纵向变形曲率半径作为近接影响判断准则。(2)将盾构隧道轨道线形是否受到影响的临界状态、盾构隧道管片环间接头处于极限状态对应的盾构隧道纵向变形曲率半径分别作为强弱影响区和弱无影响区的划分阈值,然后在数值模拟分析的基础上建立基于桩锚技术的基坑近接既有盾构隧道施工工程的影响分区图,并提出了相应的施工对策,对同类工程设计和施工具有一定借鉴意义。
第1章绪论
1.1问题的提出
人类社会的进步和发展总是围绕着“衣、食、住、行”而展开，而“住、行”对于任何一座城市来说都显得尤为重要，尤其对中国这个人均占地面积稀少的国家来说，更是重中之重。伴随着城市化进程的发展，人流不断向着城市涌入，于是城市居民居住和出行与城市建设用地稀少之间的矛盾越来越突出，如何解决这一矛盾成为了推动城市发展的关键问题。对于出行来说，传统的交通手段已难以满足城市人民的交通需求，“堵城’’仿佛一夜之间成为了很多大城市的代名词。地铁因为具有运输速度快、投送人流量大、安全性能高等特点，正在被越来越多的城市采纳和推广，截至目前为止，全国正在规划和建设地铁的城市已有33座，预计在2010年一2015年全国地铁建设总投资将近12000亿元，全国地铁总里程将达到6100公里，而北京、上海、天津、广州、深圳等城市已基本形成了地铁运营网络。对于居住问题，像北京、上海、深圳等城市的地面空间已处于饱和阶段，如若继续发展地上空间，将打破原有的生态平衡系统形成热岛效应，不利于城市的健康发展。因此开发地下空间，可以有效提高城市土地资源利用率，增加绿化用地，改善城市的生态环境，促进人和自然的和谐发展。
由于地铁往往修筑在城市的中心地带，周围房屋建筑、管线、地下商场密集，传统的矿山法施工很难有用武之地，而盾构法因为其具有机械化程度高、施工速度快、对周围环境影响小等特点而被广泛采用。传统矿山法包含两层衬砌，即初支和二衬，而盾构隧道则由预制管片通过螺栓连接而成，其受力机理和其他施工方法修筑的地铁險道存在明显的区别。
目前，已在各大城市中成功开发了一大批各种各样的地下空间，如地铁、地下商场、地下通道、地下油库、地下粮仓、地下停车场，以及各种地下民用和军用设施等，这势必造成基坑工程的大量产生。这些基坑工程通常位于城市的繁华区域，周围地面和地下建筑（构）物密集，其地理环境极其特殊，基坑的施工除了需要考虑自身的安全外，还要保证周围建（构）筑物的安全和正常使用。其中对于采用桩铺技术施工的大型基坑工程，由于盾构險道对周围地层的变形比较敏感，如何在基坑施工时保证地铁盾构險道的正常运营和安全，将基坑工程对盾构險道的影响控制在合理的范围之内，是摆在广大地下工程研究者面前的一个突出问题。对于地铁盾构隧道的控制和保护，上海地区研究较早，国内其他城市普遍参考上海地区的地铁保护标准，即地铁險道的绝对位移（上海为20mm、）和險道变形的曲率半径（上海为15000rn)进行限制’就存在着两个问题，首先，如果单纯从维持基坑正常施工来说，是很难满足地铁隧道对变形的严格要求；再者就是基坑和盾构險道之间的距离为多少时不会对盾构險道造成影响，当距离小到多少的时候又必须采取辅助措施才能满足地铁險道的变形要求；最后地铁險道位于基坑的侧方和下方时，基坑开挖对它们的影响和作用机理存在什么样的差别。
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1.2课题的研究意义
基坑施工过程是基坑支护体系和周围土体相互作用不断变化的一个过程，土体是支护结构体系的主要荷载来源，基坑支护结构作为荷载的主要承载体系。基坑幵挖不仅受支护结构形式的影响，而且与周围土体的工程地质和水文地质紧密相连。支护体系的设计涉及土力学中岩土体稳定、土体变形、渗流和地基承载力等问题，并且涵盖了结构工程和岩土工程两个不同学科的内容。而基坑支护体系设计，除了少数支护墙作为后期结构墙之外，绝大部分都是作为临时结构，而临时结构的安全储备通常小于永久结构，因此基坑施工存在很大的风险性。
当基坑位于开阔区域，基坑设计往往以基坑稳定作为设计条件，当基坑所处环境比较复杂，如基坑周围存在地铁、地下管线、建筑物等建（构）筑物时，就需要对基坑支护结构体系的变形进行控制，以变形控制作为主要的设计依据。基坑开挖是土体卸荷的一个过程，基坑的幵挖打破了原有的岩土体力学平衡体系，而周围土体在这种不平衡力的驱使下发生变形与位移。支护体系就是为了平衡由于基坑开挖卸荷产生的不平衡力而施作的，由此可见基坑支护结构体系类型的合理性关系着整个基坑施工的顺利进行和周围建（构）筑物的安全。
基于圣维南原理，基坑开挖对周围土层的影响是局部的，且在局部影响范围之内存在着梯度关系。对于釆用桩锚技术施工的基坑工程，当邻近盾构隧道和基坑围护结构距离多远时，基坑施工会对其造成影响，需要采取相关对策进行风险规避，抑或当盾构隧道离基坑多远时，基坑施工不会对邻近地铁盾构險道的安全运营造成影响，而不必采取任何辅助措施，从而建立一个基坑近接地铁盾构隧道安全影响分区。依据这个安全影响分区，可以大大简便基坑的设计施工过程，利于基坑的快速设计，最终更好的指导施工实践。
1.3国内外研究现状
1.3.1基坑施工引起变形的研究现状
侯学渊在“城市基坑工程发展的几点看法”一文中，针对城市基坑所处的复杂周边环境，提出基坑设计应该从原有的强度控制设计向变形控制设计转变，才能满足周围建（构）筑物的变形要求，同时指出设计应当与施工相配合，通过施工数据的反分析指导和修正设计。
李琳、杨敏、熊巨华(2007)通过对46个在上海和杭州地区成功修建的软土基坑工程的实测数据进行统计分析的基础上，研究了最大相对侧移与开挖深度的关系、最大侧移埋深与开挖深度的关系、支撑的相对刚度与开挖深度的关系、抗隆起稳定安全系数与最大相对侧移的关系，发现基底隆起、周围土体变形、围护桩位移这三者之间存在紧密的联系，指出增大基坑底面抗隆起安全系数可有效减小周围地表沉降，同时指出现有规范中的变形控制标准偏于保守。
刘国彬、侯学渊[3j提出了一种计算软土基坑底部隆起变形的新方法一残余应力分析法，该法考虑了基坑施工过程的应力路径和岩土体的应力历史，反应了基坑幵挖卸荷作用下岩土体的应力调整过程，经多个工程实践证明，残余应力分析法可预测基底隆起变形量，为基坑稳定和变形的判断提供了强有力的依据。
俞建霖、龚晓南[4j考虑到基坑变形是由存在親合关系的的基底隆起位移、地面沉降、围护位移这三部分组成，用传统的等值梁法、弹性地基梁法、平面应变法较难反应基坑施工实际变形，因而开发了三维有限元分析程序研究了围护结构位移、周围地表沉降基坑底部隆起的变形空间分布情况。
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第2章基坑变形与基坑支护结构内力分析
基坑是一种为建筑物基础或者地下室施工提供施工环境的地下空间。基坑根据有无支护结构分为两大类，即无支护基坑和有支护基坑。无支护基坑一般在基坑开挖深度较小，地下水位比较低，场地开阔且周围无重耍建（构）筑物的情况下采用，其施工一般采用放坡幵挖形式。当基坑坑壁土质不稳定，地下水位较低，埋深较大且周围地面或者地下环境中存在建（构）筑物无法采用放坡开挖吋，就必须利用支护进行基坑施工。城市中地面建筑物和地下管线、地下横通道、地下铁道等建（构）筑物密集，不具备放坡施工条件，通常采用有支护的基坑形式。本文主要探讨的是有支护基坑且支护结构作为一种临时性的结构形式（和围护结构与结构物二墙合一的结构形式[21别开来），为建筑物基础和地下室的安全施工提供地下空间。
本文主要研究的是基坑开挖对邻近地铁盾构險道的安全影响，基坑施工是导致盾构隧道变形和位移的根源，而基坑是分阶段施工，不同施工阶段周围不同部位土体的变形和位移运动通常表现不一样的形式，因此有必要对基坑变形与支护结构内力展幵研究。基坑幵挖卸荷打破了原有的土体平衡状态，基坑周围土体应力得到释放，土体在不平衡力作用下向着基坑开挖空间运动。盾构隧道的结构刚度远远大于土体刚度，基于极限思想，假定盾构險道刚度不断减小，减小到和土体的刚度相同，基坑的幵挖将导致周围土体和盾构隧道同时运动，此时盾构險道和周围土体的变形是一致的，相应的盾构險道变形可以称它为盾构隧道随动变形；而实际情况中，盾构隧道的刚度远远大于土体刚度，基坑开挖将同样导致周围土体的变形位移，而盾构隧道和周围土体的变形和位移存在差异，盾构隧道对周围土体的变形产生抵抗作用，就如同插入变形土体中加强钢筋一样，此时引起的盾构隧道变形称为盾构隧道抵抗变形，当土体的变形过大，盾构險道就会因为其抵抗变形能力达到极限状态而产生破坏，如螺栓拉断、管片开裂。
2.1基坑变形的主要影响因素
基坑变形主要包含支护体系变形和周围土体的变形，当基坑周围环境存在隧道、管线、房屋建筑物等地面与地下工程结构物时，还包含周围建（构）筑物的变形。基坑变形与施工过程息息相关，不同施工阶段有着不一样的变形状态。基坑变形影响因素众多，概括起来主要包括基坑的规模与大小、基坑所处区域的工程地质与水文地质情况、基坑支护结构设计、施工方法、时间效应与空间效应。
对于某个确定性的基坑来说，基坑所处环境是无法改变的，如基坑的平面尺寸与开挖深度、工程地质与水文地质、基坑周边环境等。为了探求基坑施工过程中的变形规律及其对周围环境的影响，有必要对基坑的主要变形影响因素进行研究。
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2.2支护结构设计计算方法
2.2.1弹性地基梁法
基坑施工通常采用分层分段形式进行开挖，开挖到一定深度，为了维持坑壁的稳定和抵抗土压力增大造成的围护结构变形，就必须施作横向支撑，因而在不同开挖深度和相应的支撑施作阶段，基坑具有不同的受力和变形，如图2-4。弹性地基梁法基于一定的力学假定，可以较好地分析随着基坑开挖深度的变化和支撑的施作下围护桩墙的受力情况，因而在围护结构设计中得到广泛采用。平面弹性地基梁法是将围护结构看作竖向埋置于土体中的弹性地基梁，基坑底面以上的水平支撑和锚杆、描索等支撑结构用水平弹賛支座模拟，基坑外侧土体自重产生的土压力作用在弹性地基梁上，而基坑底面以下土体根据水平弹性抗力系数假定为水平弹黄支座。由于该法能够根据基坑开挖阶段考虑土压力变化和支撑施作对围护结构的影响，可以有效计算和较真实地反映围护桩墙随着基坑开挖深度不断变化的内力和变形，因而在实践过程中得到广泛运用，《建筑基坑支护技术规程》也将该法作为围护桩墙内力和变形的主要计算方法，并对其作了详细的阐述。
围护结构为排桩结构时按照卑桩进行分析，排桩围护结构外侧土压力计算宽度ba根据刚度等效原理取为排桩间距，对于嵌固段作用于排桩上的土压力A和其相应计算宽度参照《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012[42j中相关规定进行取值（如图2-5 )。
平面弹性地基梁法的难点就是基坑底部土体水平抗力的确定，也就是如何将土体简化成为水平弹簧支座，即土体弹簧刚度的确定问题。土体弹黃刚度的计算公式如下：
KH= kHbh (2-4)
其中，h代表地基土水平基床系数（kN/m); b, A分别代表土体弹簧的水平和竖向计算间距（m)。
水平基床系数的计算公式如下，可按照下图中五种不同的形式计算。
KH=A0+kzN (2-5)
式中，A为水平地面处的水平基床系数，其值通常取为0;k为比例系数；Z为计算深度；N为常数。
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第3章地铁盾构隧道安全控制标准研究.........................................25
3.1盾构隧道横断面计算理论与模型.........................................25
3.1.1惯用计算法.........................................25
3.1.2修正惯用计算法.........................................26
3.1.3多铰铰接环法.........................................26
3.1.4梁弹簧模型法.........................................27
3.2盾构隧道纵向计算理论与模型.........................................27
3.2.1纵向梁-弹簧模型.........................................27
3.2.2纵向等效刚度模型理论.........................................29
3.3区间盾构隧道临界曲率半径及环缝张开量.........................................35
3.3.1盾构隧道临界曲率半径.........................................35
3.3.2盾构隧道相关界值间的关系分析.........................................36
3.4地铁盾构隧道安全控制标准分析.........................................37
3.5本章小结.........................................37
第4章基于桩锚技术的基坑近接既有地铁盾构隧道安全影响研究.........................................38
4.1研究范围的确定.........................................38
4.2有限元分析概况.........................................38
4.2.1模型的建立.........................................38
4.2.2模拟工况及施工方法.........................................43
4.3基坑近接侧方既有盾构隧道的有限元分析.........................................46
4.3.1地表沉降变形分析.........................................46
4.3.2盾构險道变形分析.........................................47
4.3.3连续墙水平变形分析.........................................51
4.4基坑底面45°角方向上存在既有盾构隧道的有限元分析.........................................52
4.4.1地表沉降变形分析.........................................52
4.4.2盾构隧道变形分析.........................................53
4.4.3连续墙水平变形分析.........................................58
4.5基坑被动土区存在既有盾构隧道的有限元分析.........................................59
4.5.1地表沉降变形分析.........................................59
4.5.2盾构隧道变形分析.........................................60
4.5.3连续墙水平变形分析.........................................64
4.6基坑下伏既有盾构隧道的有限元分析.........................................65
4.6.1地表沉降变形分析.........................................65
4.6.2盾构隧道变形分析.........................................66
4.6.3连续墙水平变形分析.........................................71
4.7本章小结.........................................72
第5章基坑近接既有地铁盾构隧道安全影响分区及对策研究
5.1国内外基坑近接施工工程的影响分区、近接度研究
关于近接施工的研究，日本做的较全面和系统，并形成了相关指南，其在1997年颁布的《既有铁路險道近接施工指南》中针对既有铁路隧道上方进行明挖基坑这一类型工程，根据残留埋深比将近接影响分做了三级区划，具体见下表5-1。
由北京城建勘测设计院主编的《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013[54j对基坑和險道施工工程做了较简单的分区。对于基坑工程，根据基坑施工对周边围岩扰动和对周围环境的影响程度，将基坑影响划分为强烈、一般和轻微三个级别，见表5-2和图5-1。
2007年，R本公布的《城市铁路结构物邻近施工对策手册》针对近接施工工程类型、近接工程的大小规模、近接工程的空间位置关系、与既有險道的距离、近接工程所处地形地质环境、既有结构的结构健全度、施工对策等做出判断，对近接工程的近接度做出区划，并将近接影响区域划分为采取对策范围、注意范围、无影响范围三个范围。其中对于基坑近接建筑物施工工程的影响区划如图5-2。
图中Z),= (2c-g)/rxtan(90°-α)，c代表土体粘聚力，q代表作用于基础上的建筑荷载值，r代表土体重度，α= 45°+ φ/2 （φ为内摩擦角）。图中I、II、III分别代表对策范围、注意范围、无影响范围。该近接影响分区是以既有建筑物作为研究问题，没有考虑基坑施工方法、基坑规模、周围地质情况和支护参数等对近接影响分的影响，因而其分区比较保守。李俊松博士[55]在针对上述近接影响分区中存在的问题，以京石客运专线石家庄險道中明挖基坑工程为研究背景，通过数值模拟利用强度折减法对近接距离、既有建筑物荷载宽度、预应力描索、围护结构弹模、围护结构厚度等进行强度折减，并以塑性区是否贯通作为基坑失稳的判断依据来计算基坑支护结构的安全系数，最终确定将锚索预应力作为分区判断准则进行影响分区。
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结论与展望
结论
本文以沈阳中环广场南块地基坑近接既有盾构隧道施工工程为依托，通过对纵向等效刚度模型的研究分析，确定将纵向变形曲率半径作为近接影响分区准则，然后利用大型有限元软件Abaqus建立三维分析模型，对当盾构隧道位于基坑侧方、盾构隧道位于基坑底面45°方向、盾构隧道位于基坑被动土区、基坑底部正下方4种类型12工况进行了有限元模拟，研究分析了在常规施工条件下采用桩锚技术的基坑近接既有盾构隧道施工的安全影响及其分K，具体结论如下：
(1)通过对纵向等效刚度模型的研究，发现盾构隧道纵向变形曲率半径和螺栓张幵量与螺栓内力之间存在着力学和数学上的关系，即微观层面的螺栓张开量与螺栓内力可通过宏观层面的纵向变形曲率半径反映，同时考虑到地铁盾构隧道对地层的不均匀变形比较敏感，因而可将纵向变形曲率半径作为近接影响判断准则。
(2)当纵向变形曲率半径大于15000m时，对轨道线形影响较小，盾构隧道管片接头螺栓都处于弹性受力状态，此时盾构隧道可以正常使用，隧道结构安全；当纵向变形曲率半径大于4120m但小于15000m时，接头螺栓仍处于弹性受力状态，但轨道线形受到一定影响；而当纵向变形曲率半径小于4120m时，盾构隧道接头螺栓已经处于塑性受力状态，之后隧道纵向弯曲刚度下降速度很快，同时轨道线形受到较大影响，盾构隧道的使用功能受到重大威胁。因此，可以将纵向变形曲率半径15000m作为弱、无影响区的划分界值，将4120m作为强、弱影响区的划分阈值。
(3)当盾构隧道位置确定时，盾构隧道水平、竖向变形均随着基坑开挖深度的增大而不断增大，且基坑开挖对基底下方盾构隧道的变形影响要强于侧方和其他方位上盾构隧道的变形影响。
(4)当盾构隧道与围护结构之间的距离不断增大时，基坑开挖对盾构隧道的影响不断减小，即水平、竖向位移和纵向曲率半径均不断减小。研究发现，基坑开挖对基坑侧方、基坑底面-45°方向的盾构隧道水平位移影响大于竖向位移影响，而当盾构隧道位于基坑底部以下正中央和被动土区时，恰好相反。
(5)通过数值模拟可以得到各工况的盾构隧道的水平和竖向变形曲线，然后利用matlab进行分段拟合求得相应的水平和竖向纵向最小变形曲率半径，对比发现类型1和类型2中各工况的水平纵向变形曲率半径起控制作用，而类型3和类型4中各工况的竖向纵向变形曲率半径起控制作用。
(6)由于基坑开挖围岩应力重分布只存在于局部区域，而且应力在局部区域存在梯度关系，并且基坑开挖对盾构隧道近接影响与基坑围护结构和盾构隧道的之间距离的N次方成反比，就可利用matlab进行曲线拟合求得各类型中的纵向变形曲率半径和距离的关系式，然后将纵向变形曲率半径分界值4120m和15000m代入关系式计算出各类型中强、弱、无影响区域分界距离，最终以此绘制在常规施工条件下基于桩锚技术的基坑近接既有盾构隧道施工的安全影响分区图。
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本文编号：9137
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