基坑開挖對隧道穩定性影響的數值分析

王幸林

(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400016)

0 引言

隨著城市的發展，近年來地鐵在我國各大城市迅速興建，與此同時，地鐵沿線的各種工程項目的數量和規模也迅速增加，地鐵隧道的安全性不可避免地會受到周邊沿線各種工程活動影響。臨近建筑物深基坑開挖工程是較常見的對隧道影響的因素之一。位于已建地鐵隧道附近的深基坑開挖工程，由于開挖引起坑內土體回彈和周邊地層位移和沉降，隧道結構在單側卸荷的情況下，原有的受力平衡狀態受到影響，隧道結構將產生較大變形，如果變形超出規范允許范圍，將嚴重影響地鐵的正常運營和穩定性。為此，施工過程中必須嚴密監測隧道結構的變形。

本文采用ANSYS有限元程序，考慮實際施工分步開挖的影響和土體與支護結構的相互接觸作用等因素，對江蘇銀行蘇州分行園區辦公大樓基坑工程進行了全三維非線性有限元分析。該分析方法和所得結論可為該工程的設計與施工提供有益的科學依據。

1 工程概況

1.1 工程概況及其周邊環境

擬建中的江蘇銀行蘇州分行園區辦公大樓，位于蘇州工業園區，被蘇雅路、星漢街、蘇華路三條市政路半環抱。場地總占地面積約5 120 m2，擬建建筑物主樓為地上23層，地下3層。該工程基坑面積約為 3 892.7 m2，長 71.1 m，寬24.75 m?；娱_挖深度為17 m，基坑安全等級為一級。基坑到地鐵主體結構的外輪廓線距離為13.5 m。

1.2 場地的工程地質條件

擬建場地屬長江三角洲太湖流域沖湖積相堆積平原，地貌形態單一，水系發育。場地內對工程建設有影響的地下水主要為潛水、微承壓水及第Ⅰ承壓水(上段)。

1.3 基坑支護方案

該基坑圍護方案主要包括豎向和水平支撐系統，這些圍護結構之間相互連接，共同作用，形成一個整體，共同維護基坑的穩定。水平支撐體系共設置三道水平鋼筋混凝土支撐，采用現澆混凝土板，厚度300 mm。豎向支撐采用雙排三軸水泥土攪拌樁作為防滲帷幕隔斷坑內外的地下水，并采用鉆孔灌注樁作為圍護樁。

2 三維有限元分析

2.1 計算模型與計算范圍

計算模型的尺寸為:150 m×210 m，深度為地表以下40 m。以蘇華路向東為X軸正方向，星漢路向北為Y軸正方向，沿高度向上Z軸正方向。計算模型單元數為58 196;節點數為60 122;如圖1所示。

計算模型的底部采用全約束，側面采用法向約束，地表均布荷載為35 kPa。

2.2 計算參數選取

1)各土層計算參數見表1。

表1 各土層物理力學參數表

2)基坑支護與支撐結構參數見表2，表3。

表2 擋土結構參數表

表3 支撐結構參數表

3)地鐵隧道結構及其材料參數見表4。

表4 地鐵隧道材料參數

4)底板結構、樓板和邊墻及其材料參數見表5。

2.3 開挖過程模擬

基坑的初始應力計算完成后，在此基礎上進行以下各開挖步的分析:

第一步:開挖至地表以下1.4 m，澆筑第一道混凝土圍檁，施工第一道鋼混凝土支撐;

第二步:開挖至地表以下7.6 m，澆筑第二道混凝土圍檁，施工第二道鋼混凝土支撐;

第三步:開挖至地表以下13.4 m，澆筑第三道混凝土圍檁，施工第三道鋼混凝土支撐;

第四步:開挖至坑底17 m;底板澆筑。

表5 底板結構材料參數

3 計算成果及分析

為了分析基坑開挖過程中對隧道的影響，對開挖過程進行了模擬，其計算結果如圖2～圖9所示。

圖1 計算模型網格圖及支撐結構模型

圖2 四級開挖后整體水平方向變形分布圖（單位：m）

圖3 四級開挖后整體豎直方向變形分布圖（單位：m）

圖4 四級開挖后隧道水平變形分布圖（單位：m）

圖5 四級開挖后隧道沉降變形分布圖（單位：m）

圖6 底板澆筑后隧道水平方向變形分布圖（單位：m）

圖7 底板澆筑后隧道沉降變形分布圖（單位：m）

3.1 變形分析

根據圖2～圖7變形分布圖，隧道的變形分析結果如表6所示。

表6 隧道的變形分布表 mm

從表6中可以看出，在四級開挖過程中，隧道的最大水平變形為2.14 mm。在前三級開挖過程中，隧道的最大水平變形均位于左側隧道中部，并且變形方向遠離基坑開挖方向，而隧道兩端的變形趨于開挖方向，這是水平支撐構件、開挖土體的卸荷以及施工荷載共同作用的結果。在三級開挖完成后，水平支撐構件已建立完成。第四級開挖后及后續的底板澆筑以及換撐過程中，隧道整體的水平變形方向趨于開挖基坑的方向。底板澆筑完成后隧道變形趨于穩定，隧道水平變形為1.28 mm，最大沉降變形為2.21 mm，均滿足規范要求。

3.2 應力分析

根據圖8，圖9應力分布圖，隧道的應力分析結果如表7所示。

圖8 四級開挖后隧道應力分布圖

圖9 底板澆筑后隧道應力分布圖

表7 隧道的應力分布表

從表7中可以看出，在四級開挖過程中，隧道的第1主應力最大值為0.49 MPa，為拉應力，在基坑的整個開挖過程中，隧道的應力基本保持不變。

4 結語

針對現有深基坑工程位于已建地鐵隧道附近這一新問題，本文以江蘇銀行蘇州分行園區辦公大樓基坑工程為背景，考慮了樁—土相互作用等因素，采用ANSYS建立了三維有限元計算模型，較真實的反映了結構、基坑開挖、支護實際情況，對基坑開挖和支護體系進行了全時程的整體分析。從本文的計算成果看:在基坑的開挖過程中，四級開挖完成后，隧道的最大水平變形為1.35 mm，最大沉降量為1.30 mm;底板澆筑完成后，隧道的最大水平變形為1.28 mm，最大沉降量為2.21 mm。而在基坑的整個開挖過程中，隧道的應力基本保持不變。

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