某隧道基坑開挖施工中的應變模擬分析

王東華 朱 念 梅權武

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070;2.中國地震局地震研究所武漢地震工程研究院，湖北 武漢 430070;3.武漢鋼鐵集團鄂城鋼鐵有限責任公司工程管理部，湖北 鄂州 436000)

0 引言

隨著經濟及城市建設的發展，對地下空間的開發利用成為大城市解決城市交通擁擠、土地資源緊張等問題的有效途徑，不斷發展的地下空間工程帶動了深基坑工程實踐的發展。隨著基坑深度的逐漸加大，開挖和支護的應力、應變分析將使不可忽視的卸載問題及其引發的土體應力、強度、變形性質等問題逐漸受到重視，這就使得數值模擬方法對土壓力、基坑穩定性和基坑變形等進行綜合分析的方法得到了較大的發展，這種方法已成為基坑開挖支護工程安全、高效實施的強力工具[1，2]。

1 工程概況

武漢市某隧道位于楊春湖地區，隧道投影長1 378.2 m，寬約17 m～18 m;共有通風口2處、投料口3處、三通井1處、組合井1處;組合井開挖深度為5.3 m～10.2 m，其他大部分地段開挖深度為5 m～6 m。

地質情況如下:

①雜填土，場區內均有分布，層厚0.80 m～1.80 m;②淤泥質粉質粘土，層厚 0.70 m～2.40 m;③亞粘土，層厚0.70 m～2.5 m;④殘積土，全場分布，厚度1.8 m～3.4 m，在區內未發現巖溶、滑坡、危巖、泥石流、采空區等不良地質作用，地下水及土壤對混凝土無腐蝕性。

本工程的難點有以下幾個方面:該段地下管線眾多，某些管線需要改道;施工地段地質條件復雜，部分隧道離湖區較近，滲水大，由此造成開挖和支護困難，需針對性地采取不同的開挖方案。

2 施工組織

2.1 開挖施工

基坑開挖選用4 m3挖掘機分層挖取，層高不宜超過2 m，基坑開挖時一定要設內支撐，在開挖過程中應防止碰撞支護結構。對于穩定土層，棄渣堆積在離基坑開挖邊線10 m以外，作為回填土方，表層土質直接轉運到棄土場。對于超挖的部分，采用級配碎石回填到設計標高。

2.2 排水施工

因部分路段毗鄰楊春湖，防水對于本工程是第一要素。施工時沿基坑四周挖30 cm×30 cm的排水溝，在基坑靠近湖側的地方挖一個集水井，根據滲水量大小，選用合適的水泵，集中把基坑里的水抽到基坑外，同時備用一個水泵(抽水排量大于20 m3/h)，防止出現意外，專人負責值班。對于地表給水，靠近湖邊或公路邊，直接抽到湖里或窖井里，其他地段直接抽到臨時道路兩邊的排水溝里，最終流入湖里。

3 模擬

本文結合工程設計及施工方案，利用FLAC 3D的方法對基坑開挖進行了數值模擬和分析。本文對計算模型作出以下假定[3，4]:

1)根據基坑實際情況，設定基坑的寬為18 m，高為6 m，分3層開挖，每層為2 m，取長度100 m的坑段為例進行模擬，土的內摩擦角設為30°，粘聚力為16 kPa，土的密度取1 300 kg/m3。

2)地下等效連續墻底部節點視為相對土體不動點(可能有絕對位移)，現制其六個自由度。

圖1為開挖2 m深后1 000次迭代的水平位移等值圖，水平位移等值線用來顯示開挖過程中的基坑水平位移變化。從圖1中可以看出，基坑頂部位移為正值且很大，這是由于在基坑開挖面以下的墻內側被動壓力區的土體向坑內水平位移，這部分區域位于沿基坑邊界向外延伸50 cm左右，基坑底部的水平塑性區逐漸增大[5]。圖2為開挖6 m深后1 000次迭代的水平位移等值圖，土體最大側位移點深度位于坑底開挖面附近，基坑開挖過程中，坑內土體的卸荷效應是引起圍護結構和坑外土體側向行的主要原因，坑外土體既有豎向位移又有向坑內的水平位移，故臨界深度以上的土體向斜下方移動，而臨界深度以下的土體向斜上方移動，其共同作用的結果是引起坑外土體的損失，從而引起坑外地表的沉降[6]。

圖1 開挖2 m深后迭代的水平位移等值圖

圖2 開挖6 m深后迭代的水平位移等值圖

4 結語

1)有限元分析用于基坑工程的開挖施工模擬是可行的，可以得到較好的模擬預測結果，對基坑工程的設計與施工具有重要參考價值。但由于未考慮地下水的影響，還存在一定的缺陷。

2)基坑開挖深度對邊坡側移有一定的影響，并且邊坡的位移隨著開挖的深度增加而增大，確保基坑邊坡的穩定，選取合理的支護方式。根據現場情況，對于組合井，宜采取鉆孔灌注樁+粉噴樁支護的方案進行開挖，其他部分可采用噴網或者噴錨水泥漿護坡。加強對基坑邊坡的觀察工作，發現異常情況及時進行處理。

3)基坑開挖前，應在其兩側開挖截水溝，防止雨水流入基坑，基坑底部應設置集水井和排水溝，及時將坑底積水排走，以免浸泡地基[7]。

[1] 黃志全，王安明.深基坑支護工程可靠度分析與數值模擬[M].鄭州:黃河水利出版社，2009.

[2] 聶慶科，梁金國.深基坑雙排樁支護結構設計理論與應用[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[3] 彭文兵.FLAC 3D實用教程[M].北京:機械工業出版社，2009.

[4] 程 曄，曹文貴.水電站進水口高邊坡與引水洞優化設計與施工過程數值模擬[J].土工基礎，2011，25(6):35-36.

[5] 何 瑞.某地站深基坑開挖施工階段圍護結構變形規律數值模擬與分析[J].鐵道勘探與設計，2010，22(5):27-28.

[6] 孫書偉，林 抗.FLAC 3D在巖土工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社，2011.

[7] 李志堅.過河管基槽開挖及基礎處理的技術要求[J].中國給水排水，2011，31(7):52-53.