基坑開挖對既有地下隧道影響的數(shù)值分析

□文/李廣軍

基坑開挖對既有地下隧道影響的數(shù)值分析

□文/李廣軍

地鐵隧道附近常常會出現(xiàn)建筑基坑工程騎跨于已運行地鐵區(qū)間隧道之上的問題。基坑開挖會使坑底隧道產(chǎn)生顯著的位移與變形且由于基坑開挖的空間效應，位于坑底不同位置的隧道在開挖過程中會產(chǎn)生不同的反應。文章利用有限元軟件ABAQUS建立多個三維有限元模型，以隧道與基坑的相對位置作為變量，建立對比模型，對基底及隧道加固方案加以分析，得到了一些有益的結(jié)果，為解決基坑工程騎跨于已運行地鐵區(qū)間隧道之上這一新問題提供依據(jù)。

有限元；基坑；隧道；上抬位移；回彈

隨著城市建設(shè)發(fā)展的需要，地鐵隧道在使用階段不可避免地會受到各種工程活動影響，臨近區(qū)域工程活動是較常見的對隧道產(chǎn)生重大影響的因素。近年來，出現(xiàn)基坑工程騎跨于已運行地鐵區(qū)間隧道之上的問題。基坑的開挖會引起坑內(nèi)土體的回彈，從而引起地鐵區(qū)間隧道的上抬；另一方面，隧道本身也在開挖過程中發(fā)生形變。地鐵對隧道的變形要求極其嚴格，絕對最大位移不能超過20mm，隧道相對變形不超過15mm，隧道變形曲率半徑必須＞15000m，相對變形必須＜1/2500。基坑開挖過程中，如未很好地對隧道進行加固，很可能使隧道變形超出允許范圍，導致無法正常使用。由于以往類似的工程經(jīng)驗較少，如何準確預測基坑開挖造成的隧道上抬位移及自身相對變形并對其實施行之有效的加固措施，便成為急待解決的問題。

1 工程概況

天津站交通樞紐工程綜合配套樓位于天津站后廣場，北鄰新兆路、南鄰京津城際基本站臺、東鄰惠森家園多層住宅、西鄰京津城際站房，北側(cè)與地鐵2號線區(qū)間相鄰。綜合配套樓基坑長約80m，寬45m，開挖深度為8.5m，基坑下方有地鐵9號線2條隧道東西向穿過。隧道外徑6.2m，內(nèi)徑5.6m，采用盾構(gòu)法施工。隧道頂部距坑底約9m，其中隧道2頂部距地連墻墻底僅有2m左右。基坑平面見圖1。

根據(jù)最初安排的施工順序，地鐵9號線隧道在綜合配套樓底板封閉后穿越基坑。一方面，基坑底土體固結(jié)完成，基坑內(nèi)土體開挖引起的應力釋放對隧道基本不產(chǎn)生影響；另一方面，綜合配套樓底板封閉后，隧道的推進也基本不會引起坑內(nèi)土體進一步回彈。這樣的工序安排是合理的。然而，由于某些原因，綜合配套樓工期延誤。施工順序變?yōu)?號線隧道先行穿越基坑范圍，綜合配套樓再進行開挖，出現(xiàn)基坑工程騎跨于既有地鐵區(qū)間隧道之上的問題。

2 模型簡介

本文采用準靜態(tài)的方法模擬基坑開挖過程。為了簡化計算，假設(shè)襯砌管片和接頭的剛度相等，將隧道簡化為自由變形圓環(huán)模型。地下連續(xù)墻和土體以及隧道和土體之間，由于兩種材料性質(zhì)相差很遠，在一定條件下有可能在其接觸面上產(chǎn)生錯動滑移或開裂。地下連續(xù)墻和土體以及隧道和土體之間設(shè)置接觸面，接觸面無厚度、小滑移，接觸面的本構(gòu)關(guān)系為切線方向采用Mohr-Coulumb摩擦模型，μ＝0.3，法線方向為剛性，即不允許接觸面的相互嵌入。

三維模型尺寸為長×寬×高＝135m×4m×60m。隧道埋深26m，外徑6.2m，內(nèi)徑5.6m；基坑寬度45m，地連墻深度16m；分三步開挖，每步的開挖深度分別為2、3、3.5m。

土體單元選用六面體孔壓單元，因涉及到摩擦接觸，考慮到計算精度，最終采用 ABAQUS中的完全積分三維孔壓單元 C3D8P；土體模型采用修正劍橋模型。

既有隧道相對于基坑的不同位置，將直接影響著基坑開挖過程中隧道的變形情況，以隧道相對基坑中心位置x作為變量，建立對比模型。

模型土層條件按照天津站交通樞紐工程綜合配套樓基坑工程實地情況取得，各層土參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報告情況算得，見表1。

表1 土層參數(shù)

3 結(jié)果分析

模型1。隧道位于基坑中心，變形示意見圖2。

隧道的最大豎向位移發(fā)生在隧道拱頂，最小豎向位移發(fā)生在隧道拱底；其最大水平位移發(fā)生在隧道兩側(cè)拱腰處，最小水平位移發(fā)生在隧道拱頂和拱底。而所有的位移都是隨著基坑開挖，逐步增大的。開挖后，隧道豎向與橫向均卸載，而卸載的程度存在明顯的差異。但由于豎向卸載大于橫向卸載，致使隧道發(fā)生豎向伸長變形。

模型2和模型3。隧道分別向右偏離基坑中心10、20m，隧道均位于基坑內(nèi)。變形示意見圖3和圖4。

隧道向右偏離基坑中心程度越大，其豎向位移越小，卸荷效應愈不明顯。最大豎向位移發(fā)生在拱頂偏左的位置；最小豎向位移發(fā)生在拱底偏右的位置。這說明，基坑開挖卸荷會引發(fā)坑內(nèi)土體向坑中心水平移動并帶動隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑中心的水平位移，越靠近基坑中部，這種向坑中心水平移動的趨勢越不明顯。因為，基坑中心土體在開挖工況下更多的表現(xiàn)為豎向回彈，而基坑邊緣土體由于墻后土體向坑內(nèi)轉(zhuǎn)移更多地表現(xiàn)為側(cè)向移動并且坑內(nèi)土體埋深越淺向坑中心水平移動的趨勢越明顯。

模型4和模型5。隧道分別向右偏離基坑中心30、40m，隧道都位于基坑外。變形示意見圖5和圖6。

對于模型4和模型5，無論豎向還是水平位移都較之模型1小很多，基坑的開挖對坑外隧道影響并不明顯。從變形趨勢來看，坑內(nèi)與坑外的隧道變形趨勢是相反的。處于坑內(nèi)的隧道，由于豎向的卸載比水平向卸載要明顯，有豎向拉長趨勢；而坑外隧道水平向卸載，豎向幾乎無卸載，坑外隧道是被壓扁的。

隧道的最大豎向位移發(fā)生在拱底偏左位置，隧道偏離基坑中心程度越大，最大豎向位移就越小，隧道變形情況與基坑外土體位移趨勢基本一致。

4 加固方案

上述數(shù)值模型試驗中，隧道的最大上抬位移超過35mm。若不對隧道周邊土體進行加固，基坑開挖后將引起隧道變形過大，甚至導致隧道漏水。隧道漏水又在一定程度上引起基坑內(nèi)部水土流失，嚴重的將引起上部建筑不均勻沉降甚至開裂。

通過多方論證，最終采用在基坑原有裙邊加固的基礎(chǔ)上，對基底土體實施抽條加固的措施。抽條加固采用礦渣硅酸鹽水泥土攪拌樁，水泥摻入量15%，水灰比要求控制在0.45～0.5，完成后的滲透系數(shù)≤10-7cm/s。要求攪拌樁體28d材料強度標準值達到1000kPa以上。見圖7。

抽條加固使基底土體明顯改性，剛度增大，較為有效地減小基底回彈變形。隧道結(jié)構(gòu)的上抬位移主要是由于坑內(nèi)隧道以下土體回彈帶動其向上運動造成的，所以盡量減小坑內(nèi)土體尤其是隧道以下土體的回彈能更有效地降低隧道上抬位移。

另外，地鐵9號線隧道亦采取了隧道二次注漿加固措施，最終隧道上抬位移均＜20mm。

5 結(jié)論與建議

1）基坑開挖引起坑底土體的回彈，進而引起基坑下覆既有隧道的上抬位移，坑內(nèi)隧道的上抬位移是明顯的，往往需要對其進行預測并實施行之有效的加固措施，將上抬位移控制在允許范圍內(nèi)；位于坑外的隧道上抬位移較坑內(nèi)隧道要小得多。

2）基坑底部土體在開挖過程中豎向與橫向卸載量存在較大差異，會使坑底隧道產(chǎn)生明顯變形。而開挖對坑外土體影響較小，坑外隧道的變形也小于坑內(nèi)。

3）對于坑內(nèi)隧道，其相對基坑的水平位置不同，變形規(guī)律也不同。當隧道處于坑底正中時，其上抬位移及相對變形都最大。隨著隧道向基坑一側(cè)偏移，上抬位移及相對變形都會隨之減小，與此同時最大、最小豎向位移點都發(fā)生了相應的規(guī)律變化，隧道也會發(fā)生越來越明顯的側(cè)向位移。

4）基底加固使基底土體明顯改性，剛度增大，較為有效地減小基底回彈變形。隧道結(jié)構(gòu)的上抬位移主要是由于坑內(nèi)隧道以下土體回彈帶動其向上運動造成的，所以盡量減小坑內(nèi)土體尤其是隧道以下土體的回彈能更有效地降低隧道上抬位移。

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U459

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1008-3197（2011）02-33-03

2011-02-17

李廣軍/男，1984年出生，助理工程師，碩士，天津城投建設(shè)有限公司，從事地下結(jié)構(gòu)施工管理工作。