某基坑開挖對臨近寧蕪鐵路隧道影響的有限元模擬與現(xiàn)場實測

呂善國

（南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 21 1800）

1 概述

1.1 工程概況

南京某基坑工程位于南京市雨花臺區(qū)、江寧區(qū)南站北一路，東至綠都大道，南臨京滬高鐵，西接規(guī)劃道路，北靠繞城公路、南站茶都小區(qū)；該建設(shè)項目為商業(yè)混合、商業(yè)金融用地。其地塊平面總圖如圖1 所示，圖中基坑北側(cè)東西走向線為穿過此地塊的寧蕪貨隧道（圖中地鐵12 號線和寧高城際線未建）。

基坑采用明挖順作法施工，基坑?xùn)|北角和西北角采用鉆孔灌注樁+一道鋼筋混凝土角撐支護形式，其余區(qū)段采用懸臂樁支護形式。

基坑北側(cè)緊鄰寧蕪貨線鐵路隧道，其等級為Ⅰ級，該段已施工隧道為明挖暗埋結(jié)構(gòu)。

圖1 總平面圖

圖2 臨近鐵路隧道處基坑支護典型剖面圖

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

工程地質(zhì)勘察報告顯示，本場地為崗地地貌單元，基坑影響深度范圍內(nèi)場地土層從上而下分布為：

①素填土：灰黃色、褐黃色及灰色，很濕～飽和，主要由可塑狀粉質(zhì)粘土組成，結(jié)構(gòu)較松散，欠壓實。厚度在0.80～15.10m。

③1 粉質(zhì)粘土：褐黃、黃褐色，飽和，硬塑，局部可塑，中壓縮性。層厚0.50～12.10m。

④粉質(zhì)黏土夾礫石：褐黃色，飽和，可塑，土質(zhì)不均勻，中壓縮性。礫石以石英質(zhì)為主，圓磨度較差，呈次棱角狀，直徑1～6cm，少量大于10cm，含量3%～10%,呈稍～中密狀，局部含量較多。層厚0.20～2.40m。

⑤1 強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色，上部呈堅硬土狀，基巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，礦物成分顯著變化，下部呈土夾碎塊狀，手捏易碎，干鉆難以鉆進。巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。層厚1.00～5.40m。

⑤2 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：棕紅色，巖芯呈段柱狀～中柱狀，裂隙較發(fā)育，多由方解石填充，捶擊聲啞，無回彈。巖石在水中易軟化。屬于極軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。最大揭露層厚20.6m。

根據(jù)地下水賦存條件，場區(qū)地下水類型主要為松散地層中的孔隙潛水，其次為下部粉砂質(zhì)粘土夾礫石中的孔隙水?？紫稘撍€(wěn)定水位埋深為1.4～3.7m。近地表分布的淺層潛水含水層為①層人工填土，該層透水性較強，水量較豐富，富水性較好；深層潛水含水層為④粉質(zhì)黏土夾礫石，該層厚度較薄，且局部分布，透水性較差、水量較小、富水性較差，含水層含水量不穩(wěn)定。③1 粉質(zhì)粘土、⑤1 強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖含水微弱，基本不透水，視為相對隔水層。

2 基坑開挖數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

根據(jù)本工程的實際情況和特點，采用MIDAS-GTS 軟件進行二維有限元平面分析，并作如下基本假定：

1）將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料，其本構(gòu)模型采用M-C 彈塑性模型。

2）土體與樁采用平面單元，邊坡支護和既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)均采用梁單元。

3）模型的左、右邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面自由。

4）模型中圍護樁支撐采用樁側(cè)施加水平約束力來模擬。

5）根據(jù)工程經(jīng)驗和理論分析，所取模型長×高尺寸分別為180m×40m，在此區(qū)域模擬土層，并選取最不利圍護區(qū)段進行模擬計算，具體模型網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 基坑開挖后網(wǎng)格模型

2.2 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)本項目巖土工程詳細勘察報告及相關(guān)資料規(guī)范，選取基坑開挖所穿越地層的物理力學(xué)參數(shù)，如表1 和表2 所示。

2.3 計算工況

本次數(shù)值模擬計算中，通過殺死基坑開挖土體以及激活基坑支護結(jié)構(gòu)[3]來模擬基坑開挖。具體步驟如下：

step1：對隧道結(jié)構(gòu)與地層的二維模型就行初始狀態(tài)計算；

step2：殺死邊坡土體來模擬邊坡開挖；

step3：激活邊坡支護單元模擬坡面噴漿支護；

step4：激活基坑圍護樁單元，支撐位置施加約束力，約束力取理正單元計算值150KN/m；

step5 至step7：考慮到基坑深度，因此模擬開挖時將基坑分成三次開挖，每一次通過殺死基坑土體單元來模擬；

通過對不同工況的模擬來評估基坑開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖4 基坑開挖至坑底后水平位移云圖

從圖4 可以看出，基坑開挖后土體朝基坑側(cè)發(fā)生水平位移，隨著基坑開挖深度增加，基坑開挖至坑底最大水平位移約28mm。

圖5 和圖6 分別基坑開挖至坑底后鐵路隧道結(jié)構(gòu)水平位移和垂直位移變形云圖。從圖中看出在基坑開挖過程中隧道向著基坑方向出現(xiàn)整體變形，左側(cè)襯砌水平位移大于右側(cè)襯砌。隨著基坑開挖，隧道結(jié)構(gòu)水平位移不斷增大，左側(cè)墻和底板變形較大，頂板及右側(cè)墻水平位移相對較小。基坑開挖完后結(jié)構(gòu)水平位移最大值為3.32mm，位于左側(cè)墻中部。

隧道襯砌的豎向沉降位移隨著基坑的開挖不斷增大，總體上襯砌結(jié)構(gòu)向著基坑方向斜向上變形。左側(cè)墻頂部產(chǎn)生的附加位移最大，底板及右側(cè)墻則最小。基坑開挖完后隧道左側(cè)最大上抬量4.75mm，右側(cè)最大沉降量-3.11mm。

圖5 基坑開挖至坑底后隧道結(jié)構(gòu)水平位移云圖

圖6 基坑開挖至坑底后隧道結(jié)構(gòu)垂直位移云圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 基坑圍護及隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)表

圖7 鐵路隧道縱向各斷面位置平面布設(shè)圖

3 現(xiàn)場實測

3.1 測點布置

由于已建鐵路隧道保護要求嚴格，基坑開挖范圍內(nèi)填土較厚，工程的不確定性因素多[4]，為確保鐵路隧道的安全，沿鐵路隧道縱向選取19 個斷面實時進行水平、垂直位移監(jiān)測，每個隧道斷面布設(shè)6 個變形監(jiān)測點（水平、垂直位移點公用）。隧道縱向各斷面位置平面布設(shè)見圖7，鐵路隧道監(jiān)測斷面選取點位詳見圖8。

圖8 監(jiān)測斷面監(jiān)測點布設(shè)示意圖

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測工作于2014年6月7日布設(shè)全部監(jiān)測點并完成初測，至2015年4月28日進行最后一次監(jiān)測，歷時325 天，貫穿整個基坑施工過程，直至地下室頂板施工完成基坑側(cè)壁回填結(jié)束。

圖9 里程K22+840 隧道斷面水平位移變化曲線圖

圖10 隧道縱向各斷面測點水平位移累計變化曲線圖

圖9 為距離基坑較近典型隧道斷面水平位移變化曲線圖。圖10 為隧道縱向各斷面測點水平位移累計變化曲線圖。從隧道結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測結(jié)果得出監(jiān)測點750-J3 的累計水平位移量最大，其累計位移量為4.2mm，未超過報警值（10mm），其余各點累計變化量均小于4.2mm。在整個地下室施工階段，隧道結(jié)構(gòu)水平位移變化幅度較小，且變化較為平緩。各監(jiān)測點之間差異變化較小，未對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響。

圖11 里程K22+840 隧道斷面垂直位移變化曲線圖

圖12 隧道縱向各斷面測點垂直位移累計變化曲線圖

圖11 為距離基坑較近典型隧道斷面垂直位移累計變化圖。圖12 為隧道縱向各斷面測點垂直位移累計變化圖。從隧道結(jié)構(gòu)垂直位移監(jiān)測結(jié)果得出結(jié)構(gòu)垂直位移監(jiān)測點750-J5 的累計變化量最大，其累計位移量為3.3mm，未超過報警值（10.0mm）。從變化曲線圖來看，在整個地下室施工階段，隧道結(jié)構(gòu)垂直位移變形出現(xiàn)小幅度上浮現(xiàn)象，經(jīng)分析主要是臨近基坑土方挖除后，隧道結(jié)構(gòu)上方覆土中潛水水位的變化，引起隧道輕微上浮?；涌拥孜挥陲L(fēng)化巖地層，地質(zhì)條件較好，且基坑開挖深度小于隧道埋深，施工過程對隧道結(jié)構(gòu)垂直方向影響較小，各監(jiān)測斷面差異沉降較小，未對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例采用MIDAS 有限元軟件模擬了基坑工程開挖期間臨近鐵路隧道的變形發(fā)展趨勢及其受影響程度。并結(jié)合項目實施過程中鐵路隧道的監(jiān)測結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

1）現(xiàn)場實測結(jié)果證明本項目基坑支護結(jié)構(gòu)選型合理，基坑整體變形安全可控，寧蕪貨線隧道K22+630～K22+860 各監(jiān)測項目監(jiān)測點的變化速率及累計變化量均較小，寧蕪貨線處于安全可控狀態(tài)。

2）經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，鐵路隧道現(xiàn)場實測的變形趨勢與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

3）工程實踐證明，數(shù)值模擬技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用是可行性，可以為基坑支護設(shè)計和施工提供有價值的參考意義[2]。