軟土基坑下地鐵隧道位移影響分析

軟土基坑下地鐵隧道位移影響分析

隨著地鐵的開通，地鐵沿線成為商業(yè)空間和住宅建筑等開發(fā)的黃金地帶。因此，越來越多的項目位于地下地鐵的兩側(cè)。井挖基礎(chǔ)超載不可避免地會導致周圍層的移動，隧道位移的變化，嚴重危及地鐵安全。此外，地鐵隧道的變形要求非常嚴格。結(jié)構(gòu)絕對最大位移不應(yīng)超過20mm，變形曲線的變形半徑不應(yīng)小于1500m，相對曲線不應(yīng)超過1.25。為了保護地鐵的正常運行，研究了隧道升降變形的計算方法，正確預(yù)測和控制隧道位移變形已成為一個必須盡快解決的問題。1小位移地鐵隧道位移的計算地鐵隧道局部結(jié)構(gòu)剛度與土體相比極大,但是相當長一段隧道的整體變形剛度較小,接近于影響土層的剛度,基本上隨周圍土體位移的變化而變化.在小位移變形的情況下,經(jīng)大量工程實踐、現(xiàn)場實測,發(fā)現(xiàn)地鐵隧道變形和土層位移基本一致.因此,可以用開挖卸荷土體位移變化來計算小變形地鐵隧道的位移.1.1土體卸荷影響深度的計算及計算模量的確定土體是典型的彈塑性材料,在很小的加荷應(yīng)力下即進入塑性狀態(tài),而卸荷時土體應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)瞬時彈性變化.根據(jù)彈塑性力學,加荷再卸荷土體中應(yīng)該存在殘余應(yīng)力.為了描述土體中的殘余應(yīng)力,可以定義一點處的殘余應(yīng)力與該點總卸荷應(yīng)力的比值為殘余應(yīng)力影響系數(shù),記為α,其值與基坑開挖深度、上覆土層厚度和土性有密切關(guān)系.實測發(fā)現(xiàn),當基坑開挖深度一定,α隨著上覆土厚度h的增加而逐漸增大,到某一深度后,其值趨向于極限1.0,說明在這一深度以下土體中沒有卸荷應(yīng)力,處于初始應(yīng)力狀態(tài).本文將α=0.95時的深度定義為殘余應(yīng)力影響深度(hr).對于上海地區(qū)軟土,經(jīng)大量工程實測數(shù)據(jù)整理分析,可得殘余應(yīng)力影響深度與某點處的殘余應(yīng)力系數(shù)的經(jīng)驗公式如下:hr=Η/(0.0612Η+0.19)(1)hr=H/(0.0612H+0.19)(1)式中:H為基坑開挖深度m;hr為殘余應(yīng)力影響深度,mα=0.30+0.65h2/h2r(0≤h≤hr)(2)α=0.30+0.65h2/h2r(0≤h≤hr)(2)式中:h為計算點處上覆土層厚度,m,當h>hr時,α=1.0.由式(1)確定卸荷影響深度hr,然后類似土體壓縮沉降的分層總和法,將此計算深度分成多層,分層計算隆起量,然后求和.基底土體位移的殘余應(yīng)力計算法具體如下:δ=n∑i=1σriEuihi(3)δ=∑i=1nσriEuihi(3)式中:δ為坑底土體的隆起量,m;n為計算土層厚度的分層數(shù);σri為第i層土的卸荷應(yīng)力平均值,kPa,σri=σ0(1-αi);hi為第i層土的厚度,m;Eui為第i層土的卸荷模量,kPa.本文將在土體軸向應(yīng)力方向上進行卸荷應(yīng)力試驗所得變形模量稱為卸荷模量.對于上海地區(qū)軟土,經(jīng)試驗研究可得考慮土性參數(shù)和卸荷應(yīng)力路徑等影響的土體卸荷模量計算公式如下:Eui=[1+(σvi-σΗi)(1+Κ0)(1+sin?)-3(1-Κ0)(1+sin?)σm2(ccos?+σΗisinφ)(1+Κ0)+3(1-Κ0)(1+sin?)σm)Rf]ˉEuiσmi(4)Eui=[1+(σvi?σHi)(1+K0)(1+sin?)?3(1?K0)(1+sin?)σm2(ccos?+σHisinφ)(1+K0)+3(1?K0)(1+sin?)σm)Rf]Euiˉˉˉˉˉσmi(4)式中:K0為靜止土壓力系數(shù);C,?為土的粘聚力和內(nèi)摩擦角;σ0為基坑開挖總的卸荷應(yīng)力,等于開挖深度內(nèi)各層土的自重應(yīng)力總和;Rf為破壞比;ˉEuiEuiˉˉˉˉˉ為初始卸荷模量系數(shù)(對于上海地區(qū)軟土,經(jīng)試驗研究以及工程實測反算分析,一般灰色淤泥質(zhì)粘土ˉEui=212.3Euiˉˉˉˉˉ=212.3;灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土ˉEui=241.2Euiˉˉˉˉˉ=241.2;灰色粘土ˉEui=265.4)Euiˉˉˉˉˉ=265.4);σvi,σHi,σmi分別為第i層土的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和平均固結(jié)應(yīng)力,對于窄基坑(B≤2.5H),由式(5a)計算;對于寬基坑(B>2.5H),由式(5b)計算式中R表示垂直向與水平向加卸荷增量的比值,隨基坑寬窄在2.0~∞之間變化,且基坑越窄,R值越大.{σvi=αiσ0+i∑j=1γjhjσΗi=Κ0(σ0+i∑j=1γjhj)-1Rσ0(1-αi)(5a)σmi=1+2Κ03(σ0+i∑j=1γjhj){σvi=αiσ0+i∑j=1γjhjσΗi=Κ0(σ0αi+i∑j=1γjhj)-1Rσ0(1-αi)(5b)σmi=1+2Κ03(σ0+i∑j=1γjhj)上述基坑土體隆起量計算方法,可以計算坑底任意土層的位移變化,克服了已有計算方法不能考慮實際卸荷應(yīng)力路徑影響的缺陷.但基坑施工時間、土體空間作用等影響土體隆起顯著,該方法并未考慮.本文在基坑土體位移殘余應(yīng)力法基礎(chǔ)上,考慮基坑開挖土體卸荷的時空效應(yīng)規(guī)律,預(yù)估不同施工情況下的基底土體隆起.1.2現(xiàn)場測量研究和改進1.2.1基坑土體開挖和抗起落架由于基坑開挖會引起基坑周圍地層和坑內(nèi)土體的移動,這清楚地表明基坑開挖是一個與周圍土體密切相關(guān)的空間問題.基坑土體的空間作用,早在三四十年代已被重視,Tergzaghi等就注意到小的開挖段產(chǎn)生的回彈量比大的開挖段要小的事實.如圖1所示,上海地區(qū)兩個不同長度開挖的基坑影響下方隧道隆起變形比較圖,從圖中可明顯看出,小的基坑開挖段(如圖1中符號2所示范圍)其坑底土體回彈較小,影響范圍也較小;大基坑開挖段其坑底土體回彈量較大而且影響范圍也較大,主要是因為小的開挖段的土體空間作用強于大的開挖段的土體空間作用.可見,土體的空間作用對于基坑周圍地層位移與坑底土體回彈的影響是顯著的.基坑土體的空間作用主要取決于基坑的形狀、深度、大小等.例如,在上海寶鋼最大的鐵皮坑工程中,由于采用圓形地下連續(xù)墻施工,呈圓形進行土體開挖,從而大大減小了坑底土體的隆起量.由于基坑形狀復(fù)雜,且很多基坑工程形狀不規(guī)則、也各不相同,考慮土體空間作用比較復(fù)雜,所以本文僅以規(guī)則矩形基坑隆起為例進行研究.矩形基坑的坑底土體回彈的空間影響因素主要有基坑的長度、寬度、深度三方面因素.基坑空間作用對土體回彈的影響人們研究較少,而空間作用對基坑的穩(wěn)定影響研究較為深入.Eide等曾對長條形、方形和長寬比為2的矩形基坑的抗隆起進行了研究,發(fā)現(xiàn)方形基坑的抗隆起安全系數(shù)比H/B=1及B/L<0.1的條形基坑大21%.當抗隆起安全系數(shù)較大時,基坑隆起量較小;當抗隆起安全系數(shù)較小時,基坑隆起變形較大.由以上研究可以看出,當基坑開挖探度、寬度已確定,基坑的長寬比變化時,開挖長度對基坑土體回彈量影響較小,相對誤差較小,滿足工程需要,所以基坑開挖長度引起土體回彈變化量可以忽略不計,而開挖深度已在基坑隆起殘余應(yīng)力法中予以考慮,本文主要考慮基坑開挖寬度這個因素對原基坑隆起殘余應(yīng)力計算方法進行修正.基坑尺寸越小則其三維空間效應(yīng)越顯著,限制基坑隆起和圍護結(jié)構(gòu)位移作用越強.根據(jù)大量基坑影響下方地鐵隧道隆起實測分析,隧道最大隆起量隨開挖寬度的增大而增大,但達到一定寬度時隆起將基本上不再變化,而且二者之間基本近似雙曲線關(guān)系收斂變化.由基坑隆起殘余應(yīng)力法可知,卸荷應(yīng)力σri、土層厚度hri等不隨基坑尺寸變化而變化,土體卸荷模量Eu是與土性、卸荷應(yīng)力路徑有關(guān)的參數(shù),其可以反映基坑下隧道隆起的空間效應(yīng)影響,所以考慮對Eu進行寬度影響系數(shù)修正.開挖寬度修正系數(shù)αB應(yīng)該與基坑寬度成雙曲線關(guān)系.根據(jù)大量基坑工程下方隧道隆起變形實測分析經(jīng)驗,αB計算確定如下:αB=0.717Η/B+0.512(6)式中:αB為卸荷模量寬度修正系數(shù);H為基坑開挖深度,m;B為基坑開挖的寬度,m.由式(6)可以看出基坑寬度修正系數(shù)αB隨著開挖寬度的增大而減小,軟土卸荷模量隨寬度的增大而減小,則地鐵隧道隆起量隨寬度的增加而變大,符合工程實際隧道隆起變化規(guī)律.式(6)中引進了基坑開挖深度參數(shù),確定在相同的寬度與深度比值下,基坑的長寬比在符合實際情況的范圍內(nèi)的變化對寬度修正系數(shù)αB的影響為零.1.2.2土體回彈變形土體在外力作用下,由于固體顆粒與孔隙水之間的粘滯力,孔隙水的滲出受到阻礙,土體變形和應(yīng)力變化被延遲,土體的應(yīng)力和變形與時間有關(guān)這種特性稱為土的流變性.土體的蠕動和流動特性都是表示土體的變形與時間之間的關(guān)系,蠕動特性是在恒定的荷載下變形隨時間發(fā)展的特性,而流動特性是變形速率隨時間的變化規(guī)律.軟弱粘性土流變性比較大,上海地區(qū)地下20m深度以內(nèi)的地層多屬軟弱的粘性土,土的強度低,含水量高,有很大的流變性,尤以深基坑下所處的淤泥質(zhì)粘土的流變性為大,對土體回彈變形有較大的影響.在具有流變性的軟土地層中進行基坑開挖,開挖施工周期和基坑暴露的時間對地層位移的影響十分明顯.軟粘土按非線性流變模型計算,對上海徐家匯地鐵車站深基坑工程基底隆起變形進行三維非線性流變性有限元分析.基坑開挖深度17m,土層自上而下為褐黃色粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土和暗綠色粉質(zhì)粘土.計算結(jié)果如圖2所示,圖中給出了基坑開挖正常施工結(jié)束時的坑底隆起實測值和有限元計算值,以及開挖施工延誤20h時最終坑底隆起的變化曲線.由圖2可看出,延誤施工20h基底隆起比正常施工基底隆起約增加了19.5%.由于土的流變性,基坑開挖卸載后,土體回彈變形隨著施工時間的延續(xù)而逐漸增大.根據(jù)土體流變模型研究和基坑隆起變形實測分析,隆起與基坑擱置時間呈指數(shù)關(guān)系變化.上述計算方法沒有考慮基坑開挖的時間效應(yīng),本文考慮對卸荷模量進行時間系數(shù)修正.由于基坑隆起量與卸荷模量成反比,開挖時間修正系數(shù)αt的倒數(shù)應(yīng)該與基坑開挖時間成指數(shù)關(guān)系.根據(jù)大量基坑影響下方隧道隆起實測分析經(jīng)驗,研究確定如下:αt=1/(1-0.462e-0.012t)(8)式中:αt為軟土卸荷模量的開挖時間修正系數(shù);t為基坑施工時間h.由式(8)知,隨著基坑暴露時間的增長,時間影響系數(shù)逐漸減小,即計算得到的軟土卸荷回彈模量逐漸減小,在開挖深度不變的條件下,土體的卸荷應(yīng)力不變,由式(3)計算所得的隆起變化量隨著時間逐漸增大,與工程實際相符.考慮基坑施工時間、空間效應(yīng)的隧道隆起計算采用經(jīng)αt,αB修正后的卸荷模量,即為Eu=αtαBEu0(9)式中:Eu0為由式(4)計算所得的初始卸荷模量.2隧道起落架的分層世紀大道楊高路立交工程基坑近似正方形,開挖寬度為34m,深度為7.4m.地鐵二號線兩條隧道在基坑正下方穿越,距離基坑開挖面僅有7m左右.地鐵保護極其嚴格,要求控制隧道位移在20mm以內(nèi),常規(guī)大面積開挖將影響地鐵正常運行.為了確保地鐵安全,應(yīng)用時空效應(yīng)原理的施工方法,沿垂直隧道縱向施工三排厚度600mm的地下連續(xù)墻圍護,將基坑分為東西兩側(cè)分別施工.西側(cè)基坑又分為D7a-1~D7a-3,D8a-1~D8a-3,六個小塊,東側(cè)基坑分為D7b-1~D7b-3,D8b-1~D8b-3六小塊分別開挖,具體位置分布如圖3.由圖3可以看出,隧道隆起變化不僅與基坑大小、時間有關(guān),而且與基坑開挖中心的距離有關(guān),如上行線隧道隆起主要受D7a,D7b影響,D8a,D8b各小塊由于距離上行線隧道較遠,根據(jù)實測分析表明,對隧道隆起影響很小,計算時可以忽略不計.場地的工程地質(zhì)概況如表1.計算基坑開挖段D7a-1影響隧道隆起,基坑開挖寬度B=5m,基坑擱置時間72h.基坑開挖深度:H=7.4m;寬度B小于2.5H=18.5m,故基坑定義為窄基坑.土體卸荷回彈計算土層厚度:hr=f(H)=(H/(0.0612H+0.19)=11.5107m地鐵隧道的隆起值變化是受土體卸荷影響深度以上至隧道頂部范圍內(nèi)土層卸荷回彈的影響,與此影響土層厚度的隆起變化基本一致,運用上述隧道隆起計算方法將此影響土層分層計算可得隧道隆起量.具體分層見表2,第一層灰色淤泥質(zhì)粘土,厚度4.06m;第二層灰色粉質(zhì)粘土,厚度0.54m.殘余應(yīng)力系數(shù)計算公式:α=0.3+0.00491h2(0≤h≤hr,單位:m);靜止土壓力系數(shù):灰色淤泥質(zhì)粘土K0=0.61,灰色粉質(zhì)粘土K0=0.58;初始卸荷模量系數(shù):灰色淤泥質(zhì)粘土ˉEui=212.3,灰色粉質(zhì)粘土ˉEui=241.2;破壞比Rf=0.79;施工時間影響系數(shù)αt=1.24;開挖寬度影響系數(shù)αB=1.57.基坑開挖段D7a-1影響隧道隆起變化,計算成果見表2.同理,利用上述考慮基坑施工影響的地鐵隧道隆起計算方法分別計算其它各個分塊基坑開挖影響地鐵隧道的隆起量,然后根據(jù)其影響范圍分別疊加求和,可以得到隧道理論計算最大隆起量,并與實測隧道隆起量進行比較,其結(jié)果如表3所示.經(jīng)以上對比分析可知,考慮時空效應(yīng)規(guī)律的基坑影響