CN114592519B - 基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,包括步骤:S1.确定基坑开挖的一维卸荷比N1;S2.确定基坑开挖的二维卸荷比N2;S3.根据卸荷比N1以及卸荷比N2并通过比较基坑开挖宽度与隧道上方覆土区顶部宽度的大小,对所述工程影响分区进行划分,得到一般影响区、显著影响区、次要影响区以及强烈影响区。本发明能够科学、可靠、快速地对工程影响分区进行划分,有益于准确识别基坑开挖卸荷对下卧既有隧道的风险大小。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程领域,具体涉及一种基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法。
背景技术
随着城市化进程的加快,轨道交通在缓解我国城市交通压力方面发挥着必不可少的作用。由于“城市病”的频发,城市地下空间的开发与利用日益增多,因此运营的轨道交通区间隧道周边不可避免地需要开挖基坑,更有甚者是在既有隧道正上方进行基坑开挖,为轨道交通结构的安全稳定与正常运营带来隐患。
工程影响分区是根据基坑开挖作业与下卧既有隧道所在区域的工程地质条件以及空间位置关系,对所处空间环境及岩土体受到基坑开挖作业影响程度的大小而进行的区域划分。现有的《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013)、《城市轨道交通结构检测监测技术标准》(DBJ50/T-271-2017)对基坑工程影响分区的划分标准依据基坑设计深度进行,未能充分考虑到基坑与下卧隧道的空间位置关系。《城市轨道交通结构安全保护技术规程》(DB33/T1139-2017)根据既有隧道上方进行基坑开挖,其适用范围有限,且未考虑到基坑开挖对下卧既有隧道围岩承载力本身的影响。
因此,这就需要一种建立充分考虑基坑开挖条件、下卧既有隧道断面特征、周边岩土体环境的工程影响分区划分方法,从而进一步确保基坑开挖这一外部作业对下卧既有隧道的工程风险得到合理有效的控制。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是克服现有技术中的缺陷,提供基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,能够科学、可靠、快速地对工程影响分区进行划分,有益于准确识别基坑开挖卸荷对下卧既有隧道的风险大小。
本发明的基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,包括如下步骤:
S1.确定基坑开挖的一维卸荷比N1;
S2.确定基坑开挖的二维卸荷比N2;
S3.根据卸荷比N1以及卸荷比N2对所述工程影响分区进行划分,具体包括:
若基坑开挖宽度L不大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N1小于设定值k1,则以地面为起点,将k1倍的埋深H与宽度D所形成的矩形横截面对应的空间区域作为一般影响区;其中,所述埋深H为既有隧道拱顶到地面的高度;
若基坑开挖宽度L不大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N1大于设定值k1而小于设定值k2,则在一般影响区的下方,将k2-k1倍的埋深H与宽度D所形成的矩形横截面对应的空间区域作为显著影响区;
若基坑开挖宽度L大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N2小于设定值k3,则将显著影响区下方及其周边的空间区域作为次要影响区;
若卸荷比N2不小于设定值k3,则将次要影响区下方及其周边的空间区域作为强烈影响区。
进一步,所述一般影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中存在两个单元的水平应力大于竖向应力且两个单元之间的竖向距离大于设置值d1。
进一步,所述显著影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中存在一个单元的水平应力大于竖向应力或存在两个单元的水平应力大于竖向应力且两个单元之间的竖向距离不大于设置值d1。
进一步,所述强烈影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中所有单元的水平应力均小于竖向应力。
本发明的有益效果是:本发明公开的一种基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,通过充分考虑基坑开挖条件、下卧既有隧道断面特征、周边岩土体环境等因素影响,以隧道围岩承载能力为依托,能方便技术人员准确识别、评估基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响,可以针对基坑开挖对下卧既有隧道本身围岩承载能力不同的工程影响,采取相应的隧道安全保护措施,确保既有隧道的风险得到合理有效的控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述:
图1为本发明的方法流程示意图;
图2为本发明的基坑开挖与下卧既有隧道的二维“地层-结构”模型示意图;
图3为本发明的监测线水平应力与竖向应力曲线示意图;
图4为本发明的基坑开挖下的最大主应力矢量变化示意图;
图5为本发明的隧道压力拱边界埋深示意图;
图6为本发明的一维卸荷比与隧道压力拱边界的关系图;
图7(a)为本发明的基坑范围位于主要覆土区时基坑与下卧隧道的剖面关系图;
图7(b)为本发明的基坑范围超出主要覆土区时基坑与下卧隧道的剖面关系图;
图8为本发明的隧道压力拱边界埋深随着二维卸荷比变化的关系图;
图9为本发明的基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明,如图所示:
本发明的基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,包括如下步骤:
S1.确定基坑开挖的一维卸荷比N1;
S2.确定基坑开挖的二维卸荷比N2;
S3.根据卸荷比N1以及卸荷比N2对所述工程影响分区进行划分,具体包括:
若基坑开挖宽度L不大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N1小于设定值k1,则以地面为起点,将k1倍的埋深H与宽度D所形成的矩形横截面对应的空间区域作为一般影响区;其中,所述埋深H为既有隧道拱顶到地面的高度;
若基坑开挖宽度L不大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N1大于设定值k1而小于设定值k2,则在一般影响区的下方,将k2-k1倍的埋深H与宽度D所形成的矩形横截面对应的空间区域作为显著影响区;
若基坑开挖宽度L大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N2小于设定值k3,则将显著影响区下方及其周边的空间区域作为次要影响区;
若卸荷比N2不小于设定值k3,则将次要影响区下方及其周边的空间区域作为强烈影响区。
本实施例中,为了确定基坑开挖的一维卸荷比N1以及确定基坑开挖的二维卸荷比N2,需要进行基坑开挖与既有隧道的二维地质模型的构建:
根据既有隧道上方的基坑平面布置形式,选取基坑开挖与既有隧道典型的二维地质剖面;其中,所述典型的二维地质剖面包括隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离h’min的剖面1、平面上垂直隧道纵向的最大基坑开挖宽度Lmax的剖面2以及介于隧道拱顶至基坑底部竖向距离h’与平面上垂直隧道纵向的基坑开挖宽度L之间的剖面3;0<h’<h’min,0<L<Lmax;
依据二维地质剖面及预设的岩土层、隧道结构的物理力学参数值等,运用MIDASGTS NX有限元软件,建立基坑与既有隧道的二维“地层-结构”模型;
根据预设的既有隧道与基坑开挖的建设时序,MIDAS GTS NX软件通过“激活”来模拟构件的施作,通过“钝化”单元来模拟基坑岩土体的开挖,从而模拟基坑开挖的施工工序,通过进行求解与计算,得到二维地质模型的数值模拟结果。
根据上述构建方法,根据某地区的一个基坑开挖与既有轨道交通隧道的空间位置关系,运用MIDAS GTS NX软件建立如图2所示的二维地质模型,图2中,L为基坑开挖宽度,h为基坑开挖深度,H为既有隧道拱顶到地面的高度,也称为既有隧道拱顶埋深,H=40m;B为既有隧道开挖宽度,B=16.5m。围岩等级为Ⅳ级,重度为25.6kN/m3,弹性模量为3.6GPa,粘聚力为1260kPa,内摩擦角为29°,泊松比0.36。
为充分考虑隧道开挖后围岩的形变、塌落,计算过程中不考虑隧道支护结构的作用,选取基坑开挖深度h与开挖宽度L作为变量,隧道位于拟开挖基坑的正下方,二者中心线重合。基坑开挖宽度L等于隧道开挖宽度B时,选取基坑开挖深度h分别为0m、5m、10m、15m进行计算分析,隧道拱顶至基坑底部的监测线为围岩应力的提取路径,得到隧道洞顶至地表竖向应力与水平应力变化曲线如图3所示。
将靠近隧道洞顶一侧的交点埋深作为压力拱的内边界,将靠近基坑底部一侧的交点埋深作为压力拱的外边界,可以得到最大主应力矢量变化如图4所示。以每基坑开挖深度1m及每基坑开挖宽度0.5B为进尺工况,得到隧道拱顶的压力拱边界埋深如图5所示。
引入基坑开挖的一维卸荷比N1,所述N1=h/H,最终得到隧道压力拱边界埋深随着一维卸荷比N1变化的关系图如图6所示。根据《公路隧道设计规范》(JTG3370.1-2018),当基坑未开挖时,即h/H为0时,隧道采用台阶法施工,计算得此隧道工况条件下深浅埋分界埋深为19.8m。
更进一步,引入基坑开挖的二维卸荷比N2,根据如下公式确定基坑开挖的二维卸荷比N2:
其中,S1为隧道上方覆土区内的基坑最大面积,即图7中阴影部分面积;S为隧道上方覆土区面积。在实际计算过程中,根据主要覆土区来计算参数S1以及S;如图7所示,所述面积S=0.5(D+B)H;根据如下公式确定隧道上方覆土区顶部宽度D:
其中,B为既有隧道开挖宽度;为围岩的内摩擦角。
依据上述计算公式,最终可以得到隧道压力拱边界埋深随着二维卸荷比N2变化的关系图如图8所示。
本实施例中,步骤S3中,可以根据实际工况,设置k1、k2以及k3的值,依据上述内容,从隧道结构安全保护的角度出发,划分了如图9所示的基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区示意图。依据图9的划分情况,k1取值为0.15,k2取值为0.225,k3取值为0.33。
所述一般影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中存在两个单元的水平应力大于竖向应力且两个单元之间的竖向距离大于设置值d1=3m。此时隧道拱顶上方形成了稳定的压力拱结构,围岩承载能力较强,基坑下卧隧道围岩能形成稳定的压力拱结构,隧道结构受力特征和稳定性较好。其中,岩土体单元是指采用“地层-结构法”对既有隧道与基坑开挖的一系列施工步序进行有限元数值模拟时,通过有限元软件进行网格划分,并赋予岩土体材料属性与本构模型的单元。
所述显著影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中存在一个单元的水平应力大于竖向应力或存在两个单元的水平应力大于竖向应力且两个单元之间的竖向距离不大于设置值d1=3m。此时隧道拱顶上方尽管形成压力拱区域,但压力拱厚度较薄,围岩承载能力较弱,隧道上方岩土层受到基坑开挖后旁侧岩土体侧压力的显著影响,无法稳定地形成压力拱区域。
所述次要影响区的隧道围岩压力拱的外边界埋深较为稳定,内边界缓慢变化。
所述强烈影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中所有单元的水平应力均小于竖向应力。此时隧道拱顶上方围岩无法形成压力拱区域,基坑开挖卸荷所引起的扰动传递影响明显,在强烈影响区中,尽管存在部分基坑开挖尺寸能使下卧隧道围岩形成厚度较小的压力拱,但考虑基坑与隧道的结构变形和安全性,亦归纳在强烈影响区中。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1.确定基坑开挖的一维卸荷比N1;
S2.确定基坑开挖的二维卸荷比N2;
S3.根据卸荷比N1以及卸荷比N2对所述工程影响分区进行划分,具体包括:
若基坑开挖宽度L不大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N1小于设定值k1,则以地面为起点,将k1倍的埋深H与宽度D所形成的矩形横截面对应的空间区域作为一般影响区;其中,所述埋深H为既有隧道拱顶到地面的高度;
若基坑开挖宽度L不大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N1大于设定值k1而小于设定值k2,则在一般影响区的下方,将k2-k1倍的埋深H与宽度D所形成的矩形横截面对应的空间区域作为显著影响区;
若基坑开挖宽度L大于隧道上方覆土区顶部宽度D且卸荷比N2小于设定值k3,则将显著影响区下方及其周边的空间区域作为次要影响区;
若卸荷比N2不小于设定值k3,则将次要影响区下方及其周边的空间区域作为强烈影响区。
2.根据权利要求1所述的基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,其特征在于:所述一般影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中存在两个单元的水平应力大于竖向应力且两个单元之间的竖向距离大于设置值d1。
3.根据权利要求1所述的基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,其特征在于:所述显著影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中存在一个单元的水平应力大于竖向应力或存在两个单元的水平应力大于竖向应力且两个单元之间的竖向距离不大于设置值d1。
4.根据权利要求1所述的基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法,其特征在于:所述强烈影响区满足如下条件:
隧道拱顶至基坑底部最小竖向距离上,岩土体单元中所有单元的水平应力均小于竖向应力。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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