盾構下穿對基坑穩定性影響的數值模擬分析

王陸陽，洪 勇，李蒼松,2，李 亮

(1.青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033； 2.中國鐵路西南科學研究院 成都市 610000)

0 引言

地鐵建設過程中，盾構法相較于其他開挖方法具有更加安全和高效的特點。由于盾構下穿既有建(構)筑物的情況越來越多，并且在下穿過程中存在很大的安全隱患，會造成隧道上方的建筑和支護結構發生受力變形甚至破壞并造成周圍土體的位移。對此國內外學者進行了廣泛而深入的研究，得出了盾構隧道下穿建(構)筑時對其結構受力變形、周圍土體的受力變形以及基礎沉降規律。李兵等[1]用Midas進行數值模擬的方法證明盾構施工對鄰近基坑的圍護結構產生的變形不可忽略；鞠鑫等[2]通過公式和現場實測分析得出地表沉降本質上是盾構施工引起的土體損失累積造成的，施工全過程應該采取地表沉降控制技術措施；徐祥云[3]、殷凱[4]、張晉勛[5]等對盾構下穿過程造成的地表沉降規律進行了研究；謝雄耀、王強、齊勇等[6]運用室內試驗和現場自動化檢測技術對盾構下穿房屋沉降控制技術進行了研究；也有一些學者運用現場檢測和數值模擬的方式對盾構下穿車站和已有隧道時造成已有建(構)物的變形和沉降進行研究，例如吳浩[7]、賀雪來[8]等；曾英俊、楊敏等研究表明地下連續墻沉降與連續墻插入隧道的深度有關[9]。

但現有研究成果對盾構下穿已支護基坑造成的土體和支護結構的變形沉降研究較少。特別是盾構下穿在軟土地基中修建的基坑時，將會導致基坑支護結構受力改變并且造成周圍土體位移以及基坑沉降。以青島高新區軟土地層地質條件為依托，建立了對應的三維數值模型，模擬了盾構下穿青島濱海軟土區基坑后土體和地下連續墻的受力和變形情況，以及不同的下穿深度對基坑底板沉降造成的影響。研究成果可以為盾構下穿基坑時土體和支護結構的變形控制以及選擇盾構下穿的深度提供一定依據。

1 工程實例及三維模型的建立

1.1 工程概況

紅島高新經濟區作為青島的新經濟區正在進行大規模的工程建設。紅島高新區屬第四紀全新紀(Q4)土層，多為淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉土及淤泥混砂層，屬于飽和軟黏土，而較深處則為花崗巖結構，屬于上軟土下巖石結構[10-11]。青島地鐵部分線路通過高新區的上軟土下巖石地層。本文模擬青島地鐵盾構下穿青島高新區青島D6項目居民樓已開挖基坑。本工程周圍無高大密集建筑群，距其他建筑物較遠。土體根據地質條件分為5層，土體自上而下依次劃分為素填土(0～1.2m)、粉質黏土(1.2～4.7m)、黏土(4.7～8.2m)、加固層(8.2～11.2m)、粗粒花崗巖(11.2～26.5m)。其中基坑底加固層原本為黏土，采用注漿加固方法加固。土體參數見表1。

表1 模擬圍巖土體的力學參數

基坑主體采用明挖法施工，基坑外邊界長36.6m，寬12.6m，深8.44m。基坑采用地下連續墻加兩道混凝土內支撐的支護方式，地下連續墻厚度為600mm，混凝土內支撐450mm×650mm，混凝土強度為C30。盾構管片外半徑為3.3m,厚度為0.3m,管片寬1.5m。掌子面形心處距離地表面20m。盾構沿著基坑的長度方向平行于地表面穿過，且盾構隧道的軸線在基坑長度方向軸線的正下方。隧道下穿基坑橫剖面如圖1所示。

圖1 隧道下穿基坑橫剖面圖

1.2 數值計算模型的建立

采用FLAC3D軟件建立三維模型對隧道下穿基坑的過程進行分析。整個模型尺寸為80m×60m×32m的長方體土體，以地表中心處為原點。采用固定邊界條件，底部采用固定約束，左右兩邊界為水平方向固定約束邊界，地表為自由面[12]。計算模型共218565個節點，208416個單元。建立地層條件進行初始應力平衡后進行基坑的開挖，為簡化計算，開挖過程共分為六步：首先建立地下連續墻，然后進行兩次開挖和兩道混凝土內支撐支護，最后開挖到基底標高建立底板?；娱_挖應力平衡后進行盾構下穿模擬，并且記錄隧道下穿之后基坑外部土體和維護結構的橫向變形量以及隧道下穿過程造成基坑以及土體的沉降量。盾構下穿完成后的立體模型如圖2所示。

圖2 盾構下穿完成后模型示意圖

2 計算結果分析

2.1 基坑周圍土體的橫向變形分析

盾構下穿基坑過程后造成土體橫向位移的剖面云圖如圖3所示，土體橫向應力的剖面云圖如圖4所示?？梢钥闯鲇捎诘叵逻B續墻和內支撐的保護作用，地表土體的橫向位移較大的區域與基坑是有一定距離的，基坑附近1m以內的地表土體的橫向位移并不明顯，而距離基坑3～14m處地表土體有較大的橫向位移，最大位移量約為8mm。由于底板附近土體所受應力較大導致基坑底板附近土體的橫向位移較大，最大位移量約為10mm。土體橫向位移較大的區域成一定角度斜向上對稱擴展至地表面。

圖3 土體橫向位移的剖面云圖

圖4 土體橫向應力的剖面云圖

2.2 基坑圍護結構橫向變形分析

盾構下穿基坑以后下連續墻及底板的橫向位移剖面云圖如圖5所示，地下連續墻及底板的橫向位移立體云圖如圖6所示。盾構下穿基坑后，從地表面至深處，地下連續墻的橫向位移開始逐漸增大，到達底板下方后連續墻橫向位移略有減小。由于底板附近土體位移和所受橫向應力較大，底板的橫向位移在此處最大，約為5.8mm。而底板中心附近下方的土體所受橫向應力以及橫向位移都較小，因此底板的橫向位移量由底板兩端向中間逐漸減小至接近于零。

圖5 地下連續墻及底板的橫向位移剖面云圖

圖6 地下連續墻及底板的橫向位移立體云圖

2.3 基坑以及周圍地表土體的沉降分析

盾構下穿基坑后，基坑支護結構及其周圍土體的最終沉降量云圖如圖7所示，可以看出底板中心處為支護結構沉降量最大，約為1.63cm?；右约爸車馏w的沉降量由基坑長度方向軸線處向兩側逐漸遞減至接近于零。

圖7 基坑及其周圍土體沉降云圖

2.4 盾構下穿深度對基坑沉降的影響

為進一步研究基坑最大側位移量和連續墻底板的最大沉降量與隧道位置的關系，作者分別對5種不同的盾構下穿深度進行了模擬，取底板中心處下方為連續墻底板的最大沉降量檢測點，隧道形心距地表的豎向距離分別為19m、19.5m、20m、20.5m、21m。

在不同的隧道形心到地表的豎向距離下，連續墻底板中心處下方沉降量如圖8所示。盾構掌子面距離監測點20m(約3.5倍洞徑)時連續墻底板開始沉降，穿過監測點30m(約5倍洞徑)后底板沉降量趨于穩定。可以看出在這5組數據中當盾構隧道形心距離地表面的豎向距離為19m時，連續墻底板沉降量最大，為1.80cm；當隧道形心距離地表面的豎向距離為21m時，連續墻底板沉降量最小，為1.36cm。盾構下穿基坑后底板具體沉降情況見表2。

圖8 底板中心豎向位移比較圖

隧道形心與地表距離(m)底板最終沉降值(cm)191.8019.51.72201.6320.51.46211.36

3 結論

(1)盾構下穿基坑后，由于地下連續墻和內支撐的保護作用，距離基坑1m以內地表土體的橫向位移并不明顯，但距離基坑3～14m的地表土體橫向位移較大，基坑底板附近的橫向位移較大并成一定角度斜向上對稱擴展至地表面，建議施工時應注意進行土體和基坑的加固。

(2)盾構下穿基坑時，混凝土內支撐梁與基坑底板對地下連續墻的側位移都有限制作用而且基坑底板在此過程中對地下連續墻側位移的限制作用比較顯著。

(3)盾構隧道掌子面距離監測點約3.5倍洞徑時基坑底板開始沉降，穿過監測點約5倍洞徑后底板沉降量趨于穩定。

(4)在一定范圍內，基坑底板的沉降量隨著盾構形心與地表之間豎向距離的增大而減小。