软土基坑下地铁隧道位移影响分析

软土基坑下地铁隧道位移影响分析

随着地铁的开通，地铁沿线成为商业空间和住宅建筑等开发的黄金地带。因此，越来越多的项目位于地下地铁的两侧。井挖基础超载不可避免地会导致周围层的移动，隧道位移的变化，严重危及地铁安全。此外，地铁隧道的变形要求非常严格。结构绝对最大位移不应超过20mm，变形曲线的变形半径不应小于1500m，相对曲线不应超过1.25。为了保护地铁的正常运行，研究了隧道升降变形的计算方法，正确预测和控制隧道位移变形已成为一个必须尽快解决的问题。1小位移地铁隧道位移的计算地铁隧道局部结构刚度与土体相比极大,但是相当长一段隧道的整体变形刚度较小,接近于影响土层的刚度,基本上随周围土体位移的变化而变化.在小位移变形的情况下,经大量工程实践、现场实测,发现地铁隧道变形和土层位移基本一致.因此,可以用开挖卸荷土体位移变化来计算小变形地铁隧道的位移.1.1土体卸荷影响深度的计算及计算模量的确定土体是典型的弹塑性材料,在很小的加荷应力下即进入塑性状态,而卸荷时土体应力应变呈现瞬时弹性变化.根据弹塑性力学,加荷再卸荷土体中应该存在残余应力.为了描述土体中的残余应力,可以定义一点处的残余应力与该点总卸荷应力的比值为残余应力影响系数,记为α,其值与基坑开挖深度、上覆土层厚度和土性有密切关系.实测发现,当基坑开挖深度一定,α随着上覆土厚度h的增加而逐渐增大,到某一深度后,其值趋向于极限1.0,说明在这一深度以下土体中没有卸荷应力,处于初始应力状态.本文将α=0.95时的深度定义为残余应力影响深度(hr).对于上海地区软土,经大量工程实测数据整理分析,可得残余应力影响深度与某点处的残余应力系数的经验公式如下:hr=Η/(0.0612Η+0.19)(1)hr=H/(0.0612H+0.19)(1)式中:H为基坑开挖深度m;hr为残余应力影响深度,mα=0.30+0.65h2/h2r(0≤h≤hr)(2)α=0.30+0.65h2/h2r(0≤h≤hr)(2)式中:h为计算点处上覆土层厚度,m,当h>hr时,α=1.0.由式(1)确定卸荷影响深度hr,然后类似土体压缩沉降的分层总和法,将此计算深度分成多层,分层计算隆起量,然后求和.基底土体位移的残余应力计算法具体如下:δ=n∑i=1σriEuihi(3)δ=∑i=1nσriEuihi(3)式中:δ为坑底土体的隆起量,m;n为计算土层厚度的分层数;σri为第i层土的卸荷应力平均值,kPa,σri=σ0(1-αi);hi为第i层土的厚度,m;Eui为第i层土的卸荷模量,kPa.本文将在土体轴向应力方向上进行卸荷应力试验所得变形模量称为卸荷模量.对于上海地区软土,经试验研究可得考虑土性参数和卸荷应力路径等影响的土体卸荷模量计算公式如下:Eui=[1+(σvi-σΗi)(1+Κ0)(1+sinϕ)-3(1-Κ0)(1+sinϕ)σm2(ccosϕ+σΗisinφ)(1+Κ0)+3(1-Κ0)(1+sinϕ)σm)Rf]¯Euiσmi(4)Eui=[1+(σvi−σHi)(1+K0)(1+sinϕ)−3(1−K0)(1+sinϕ)σm2(ccosϕ+σHisinφ)(1+K0)+3(1−K0)(1+sinϕ)σm)Rf]Eui¯¯¯¯¯σmi(4)式中:K0为静止土压力系数;C,ϕ为土的粘聚力和内摩擦角;σ0为基坑开挖总的卸荷应力,等于开挖深度内各层土的自重应力总和;Rf为破坏比;¯EuiEui¯¯¯¯¯为初始卸荷模量系数(对于上海地区软土,经试验研究以及工程实测反算分析,一般灰色淤泥质粘土¯Eui=212.3Eui¯¯¯¯¯=212.3;灰色淤泥质粉质粘土¯Eui=241.2Eui¯¯¯¯¯=241.2;灰色粘土¯Eui=265.4)Eui¯¯¯¯¯=265.4);σvi,σHi,σmi分别为第i层土的垂直应力、水平应力和平均固结应力,对于窄基坑(B≤2.5H),由式(5a)计算;对于宽基坑(B>2.5H),由式(5b)计算式中R表示垂直向与水平向加卸荷增量的比值,随基坑宽窄在2.0~∞之间变化,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)上述基坑土体隆起量计算方法,可以计算坑底任意土层的位移变化,克服了已有计算方法不能考虑实际卸荷应力路径影响的缺陷.但基坑施工时间、土体空间作用等影响土体隆起显著,该方法并未考虑.本文在基坑土体位移残余应力法基础上,考虑基坑开挖土体卸荷的时空效应规律,预估不同施工情况下的基底土体隆起.1.2现场测量研究和改进1.2.1基坑土体开挖和抗起落架由于基坑开挖会引起基坑周围地层和坑内土体的移动,这清楚地表明基坑开挖是一个与周围土体密切相关的空间问题.基坑土体的空间作用,早在三四十年代已被重视,Tergzaghi等就注意到小的开挖段产生的回弹量比大的开挖段要小的事实.如图1所示,上海地区两个不同长度开挖的基坑影响下方隧道隆起变形比较图,从图中可明显看出,小的基坑开挖段(如图1中符号2所示范围)其坑底土体回弹较小,影响范围也较小;大基坑开挖段其坑底土体回弹量较大而且影响范围也较大,主要是因为小的开挖段的土体空间作用强于大的开挖段的土体空间作用.可见,土体的空间作用对于基坑周围地层位移与坑底土体回弹的影响是显著的.基坑土体的空间作用主要取决于基坑的形状、深度、大小等.例如,在上海宝钢最大的铁皮坑工程中,由于采用圆形地下连续墙施工,呈圆形进行土体开挖,从而大大减小了坑底土体的隆起量.由于基坑形状复杂,且很多基坑工程形状不规则、也各不相同,考虑土体空间作用比较复杂,所以本文仅以规则矩形基坑隆起为例进行研究.矩形基坑的坑底土体回弹的空间影响因素主要有基坑的长度、宽度、深度三方面因素.基坑空间作用对土体回弹的影响人们研究较少,而空间作用对基坑的稳定影响研究较为深入.Eide等曾对长条形、方形和长宽比为2的矩形基坑的抗隆起进行了研究,发现方形基坑的抗隆起安全系数比H/B=1及B/L<0.1的条形基坑大21%.当抗隆起安全系数较大时,基坑隆起量较小;当抗隆起安全系数较小时,基坑隆起变形较大.由以上研究可以看出,当基坑开挖探度、宽度已确定,基坑的长宽比变化时,开挖长度对基坑土体回弹量影响较小,相对误差较小,满足工程需要,所以基坑开挖长度引起土体回弹变化量可以忽略不计,而开挖深度已在基坑隆起残余应力法中予以考虑,本文主要考虑基坑开挖宽度这个因素对原基坑隆起残余应力计算方法进行修正.基坑尺寸越小则其三维空间效应越显著,限制基坑隆起和围护结构位移作用越强.根据大量基坑影响下方地铁隧道隆起实测分析,隧道最大隆起量随开挖宽度的增大而增大,但达到一定宽度时隆起将基本上不再变化,而且二者之间基本近似双曲线关系收敛变化.由基坑隆起残余应力法可知,卸荷应力σri、土层厚度hri等不随基坑尺寸变化而变化,土体卸荷模量Eu是与土性、卸荷应力路径有关的参数,其可以反映基坑下隧道隆起的空间效应影响,所以考虑对Eu进行宽度影响系数修正.开挖宽度修正系数αB应该与基坑宽度成双曲线关系.根据大量基坑工程下方隧道隆起变形实测分析经验,αB计算确定如下:αB=0.717Η/B+0.512(6)式中:αB为卸荷模量宽度修正系数;H为基坑开挖深度,m;B为基坑开挖的宽度,m.由式(6)可以看出基坑宽度修正系数αB随着开挖宽度的增大而减小,软土卸荷模量随宽度的增大而减小,则地铁隧道隆起量随宽度的增加而变大,符合工程实际隧道隆起变化规律.式(6)中引进了基坑开挖深度参数,确定在相同的宽度与深度比值下,基坑的长宽比在符合实际情况的范围内的变化对宽度修正系数αB的影响为零.1.2.2土体回弹变形土体在外力作用下,由于固体颗粒与孔隙水之间的粘滞力,孔隙水的渗出受到阻碍,土体变形和应力变化被延迟,土体的应力和变形与时间有关这种特性称为土的流变性.土体的蠕动和流动特性都是表示土体的变形与时间之间的关系,蠕动特性是在恒定的荷载下变形随时间发展的特性,而流动特性是变形速率随时间的变化规律.软弱粘性土流变性比较大,上海地区地下20m深度以内的地层多属软弱的粘性土,土的强度低,含水量高,有很大的流变性,尤以深基坑下所处的淤泥质粘土的流变性为大,对土体回弹变形有较大的影响.在具有流变性的软土地层中进行基坑开挖,开挖施工周期和基坑暴露的时间对地层位移的影响十分明显.软粘土按非线性流变模型计算,对上海徐家汇地铁车站深基坑工程基底隆起变形进行三维非线性流变性有限元分析.基坑开挖深度17m,土层自上而下为褐黄色粉质粘土、淤泥质粘土和暗绿色粉质粘土.计算结果如图2所示,图中给出了基坑开挖正常施工结束时的坑底隆起实测值和有限元计算值,以及开挖施工延误20h时最终坑底隆起的变化曲线.由图2可看出,延误施工20h基底隆起比正常施工基底隆起约增加了19.5%.由于土的流变性,基坑开挖卸载后,土体回弹变形随着施工时间的延续而逐渐增大.根据土体流变模型研究和基坑隆起变形实测分析,隆起与基坑搁置时间呈指数关系变化.上述计算方法没有考虑基坑开挖的时间效应,本文考虑对卸荷模量进行时间系数修正.由于基坑隆起量与卸荷模量成反比,开挖时间修正系数αt的倒数应该与基坑开挖时间成指数关系.根据大量基坑影响下方隧道隆起实测分析经验,研究确定如下:αt=1/(1-0.462e-0.012t)(8)式中:αt为软土卸荷模量的开挖时间修正系数;t为基坑施工时间h.由式(8)知,随着基坑暴露时间的增长,时间影响系数逐渐减小,即计算得到的软土卸荷回弹模量逐渐减小,在开挖深度不变的条件下,土体的卸荷应力不变,由式(3)计算所得的隆起变化量随着时间逐渐增大,与工程实际相符.考虑基坑施工时间、空间效应的隧道隆起计算采用经αt,αB修正后的卸荷模量,即为Eu=αtαBEu0(9)式中:Eu0为由式(4)计算所得的初始卸荷模量.2隧道起落架的分层世纪大道杨高路立交工程基坑近似正方形,开挖宽度为34m,深度为7.4m.地铁二号线两条隧道在基坑正下方穿越,距离基坑开挖面仅有7m左右.地铁保护极其严格,要求控制隧道位移在20mm以内,常规大面积开挖将影响地铁正常运行.为了确保地铁安全,应用时空效应原理的施工方法,沿垂直隧道纵向施工三排厚度600mm的地下连续墙围护,将基坑分为东西两侧分别施工.西侧基坑又分为D7a-1~D7a-3,D8a-1~D8a-3,六个小块,东侧基坑分为D7b-1~D7b-3,D8b-1~D8b-3六小块分别开挖,具体位置分布如图3.由图3可以看出,隧道隆起变化不仅与基坑大小、时间有关,而且与基坑开挖中心的距离有关,如上行线隧道隆起主要受D7a,D7b影响,D8a,D8b各小块由于距离上行线隧道较远,根据实测分析表明,对隧道隆起影响很小,计算时可以忽略不计.场地的工程地质概况如表1.计算基坑开挖段D7a-1影响隧道隆起,基坑开挖宽度B=5m,基坑搁置时间72h.基坑开挖深度:H=7.4m;宽度B小于2.5H=18.5m,故基坑定义为窄基坑.土体卸荷回弹计算土层厚度:hr=f(H)=(H/(0.0612H+0.19)=11.5107m地铁隧道的隆起值变化是受土体卸荷影响深度以上至隧道顶部范围内土层卸荷回弹的影响,与此影响土层厚度的隆起变化基本一致,运用上述隧道隆起计算方法将此影响土层分层计算可得隧道隆起量.具体分层见表2,第一层灰色淤泥质粘土,厚度4.06m;第二层灰色粉质粘土,厚度0.54m.残余应力系数计算公式:α=0.3+0.00491h2(0≤h≤hr,单位:m);静止土压力系数:灰色淤泥质粘土K0=0.61,灰色粉质粘土K0=0.58;初始卸荷模量系数:灰色淤泥质粘土¯Eui=212.3,灰色粉质粘土¯Eui=241.2;破坏比Rf=0.79;施工时间影响系数αt=1.24;开挖宽度影响系数αB=1.57.基坑开挖段D7a-1影响隧道隆起变化,计算成果见表2.同理,利用上述考虑基坑施工影响的地铁隧道隆起计算方法分别计算其它各个分块基坑开挖影响地铁隧道的隆起量,然后根据其影响范围分别叠加求和,可以得到隧道理论计算最大隆起量,并与实测隧道隆起量进行比较,其结果如表3所示.经以上对比分析可知,考虑时空效应规律的基坑影响