基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道變形及參數(shù)影響分析

朱冬冬

(新疆新路交通工程有限責(zé)任公司 烏魯木齊市 830000)

0 引言

城市建設(shè)過(guò)程中，由于地下交通錯(cuò)綜復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)遇到既有隧道上方基坑開(kāi)挖工程。基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土體會(huì)發(fā)生卸荷效應(yīng)，進(jìn)而會(huì)影響隧道的安全。文獻(xiàn)[1-2]采用大型有限元軟件對(duì)某市地鐵隧道上方的基坑工程開(kāi)挖進(jìn)行了模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[3-4]以某城市地鐵隧道正上方基坑開(kāi)挖為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件對(duì)基坑開(kāi)挖的全過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，研究結(jié)果可為隧道變形控制提供參考；文獻(xiàn)[5]以某地地鐵6號(hào)線建設(shè)為研究對(duì)象，采用數(shù)值方法重點(diǎn)分析了基坑開(kāi)挖寬度、隧道直徑以及地層模量變化對(duì)隧道變形的影響；文獻(xiàn)[6]采用數(shù)值模擬方法，重點(diǎn)模擬了對(duì)基坑的開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程，驗(yàn)證了基坑開(kāi)挖中使用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)這一方法的的可行性。主要以某城市既有隧道上方基坑開(kāi)挖工程為研究對(duì)象，采用有限元軟件建立數(shù)值模型，重點(diǎn)研究基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道沉降影響，并主要對(duì)基坑開(kāi)挖深度、隧道中心與基坑底部距離二者的所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

某擬建基坑工程下側(cè)存在一條已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的城市地鐵，已知該隧道外直徑為6.0m，下穿基坑正中央，基坑長(zhǎng)和寬相等，該處主要土質(zhì)為粉土。隧道中心的埋深為16m，基坑的開(kāi)挖深度h1為6.0m。隧道中心與基坑底部距離h2為10m，支護(hù)樁板墻之間間距為32m，樁板墻的深度為20m，具體如圖1所示。主要利用數(shù)值軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以便為施工提供參考。

圖1 隧道與基坑位置關(guān)系圖

2 數(shù)值建模

2.1 網(wǎng)格劃分

通過(guò)采用ABAQUS有限元軟件建模，數(shù)值模型大致如圖2所示。模擬過(guò)程中，相關(guān)參數(shù)按上述工程概況取值，模型的長(zhǎng)寬高均為60m。如圖2所示，給出了隧道模型圖和隧道與樁板墻位置模型圖，隧道采用預(yù)制管片支護(hù)。支護(hù)樁墻采用連續(xù)結(jié)構(gòu)的連墻代替，厚度大小取0.65m。隧道圍巖和樁墻均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬；襯砌采用結(jié)構(gòu)單元模擬；此外，本構(gòu)模型均采用修正劍橋模型。

圖2 數(shù)值模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)和過(guò)程

模擬過(guò)程中粉土的物理力學(xué)參數(shù)主要如表1所示。此外，劍橋模型中的土體初始孔隙比取0.80，修正劍橋模型臨界狀態(tài)有效應(yīng)力比取1.42，對(duì)數(shù)體積模量為0.0614，彈性對(duì)數(shù)體積模量為0.0022。隧道襯砌及樁墻的力學(xué)參數(shù)則如表2所示。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道結(jié)構(gòu)以及樁墻的相關(guān)力學(xué)參數(shù)

在基坑開(kāi)挖之前，應(yīng)先進(jìn)行隧道開(kāi)挖支護(hù)，并考慮既有隧道已經(jīng)固結(jié)穩(wěn)定，將位移清零。基坑開(kāi)挖過(guò)程中每次開(kāi)挖2m，分三次開(kāi)挖完成。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 基坑開(kāi)挖誘發(fā)的隧道豎向變形分析

基坑開(kāi)挖完后的隧道整體沉降云圖如圖3所示。由圖3可知，基坑正中心隧道頂部隆起最大，最大值為11.3mm。由基坑中心處隧道向兩端隧道隆起值逐漸減小，從隧道頂部到底部，隧道隆起值也逐漸減小。

圖3 基坑開(kāi)挖完后的隧道沉降云圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬得到的隧道沉降對(duì)比曲線如圖4所示。圖中顯示沿隧道縱向方向，隧道頂部最大豎向位移呈現(xiàn)出近似高斯曲線分布。其中，基坑正中心下方隧道隆起值最大，向兩側(cè)緩慢減小。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比數(shù)值模擬值大8.0%左右，說(shuō)明數(shù)值結(jié)果的可靠性。在基坑寬度范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值略大于數(shù)值模擬值，在基坑寬度范圍之外，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線近似重合。

圖4 實(shí)測(cè)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比曲線

3.2 參數(shù)影響分析

3.2.1基坑開(kāi)挖深度h1的影響

為了分析基坑開(kāi)挖深度h1變化產(chǎn)生的影響，假定隧道中心與基坑底部距離h2為6m且不變，分別取h1為4m、6m、8m、10m和12m五種情況，由于篇幅有限，本節(jié)只給出了h1取4m和12m時(shí)的模型豎向云圖，具體如圖5所示。由圖可知，當(dāng)h1取4m時(shí)，基坑底部正中心隆起值最大，最大值為14.5mm，從基坑中心向基坑兩邊，隆起逐漸減小。當(dāng)h1取12m時(shí)，基坑底部正中心隆起值為27.6mm，即隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，基坑底部土體和隧道的豎向位移均增大。

圖5 不同基坑開(kāi)挖深度時(shí)的模型豎向位移云圖

不同基坑開(kāi)挖深度時(shí)隧道頂部最大豎向位移曲線如圖6所示。由圖6可知，h1取4m、6m、8m、10m和12m時(shí)的隧道頂部最大豎向位移分別為7.2mm、10.4mm、12.6mm、15.1mm和16.9mm，即表示隧道頂部最大豎向位移隨基坑開(kāi)挖深度增大而則增大。

圖6 不同基坑開(kāi)挖深度對(duì)應(yīng)的隧道頂部豎向位移

相比于h1取4m時(shí)，h1取6m、8m、10m和12m時(shí)的隧道頂部最大豎向位移分別增大了44.4%、75.0%、109.7%和134.7%。

綜上可知，隨基坑開(kāi)挖深度增大，基坑底部土體和隧道頂部最大豎向位移逐漸增大，這是由于基坑開(kāi)挖會(huì)誘發(fā)土體發(fā)生卸荷效應(yīng)，進(jìn)而引起基坑底部土體和隧道上隆。

3.2.2隧道中心與基坑底部距離h2的影響

為了分析隧道中心與基坑底部距離h2變化產(chǎn)生的影響，假定基坑開(kāi)挖深度h1為6m且不變。本節(jié)取h2為2m、5m、8m、11m、14m、17m和20m共七種情況，由于篇幅有限，本節(jié)只給出了h2取2m和20m時(shí)的模型豎向云圖，具體如圖7所示。

圖7 不同h2時(shí)的模型豎向位移云圖

由圖7可知，當(dāng)h2取2m時(shí)，基坑底部正中心隆起值最大，大小為22.0mm，當(dāng)h2取20m時(shí)，基坑底部正中心隆起值為19.7mm。即，隨著隧道中心與基坑底部距離的增大，基坑底部土體和隧道的豎向位移均減小。

隧道中心與基坑底部不同距離時(shí)的最大豎向位移曲線如圖8所示。由圖可知，h2取2m、5m、8m、11m、14m、17m和20m時(shí)的隧道頂部最大豎向位移分別為12.4mm、11.2mm、9.3mm、7.8mm、6.5mm、5.1mm和4.3mm，隧道頂部最大豎向位移隨隧道中心與基坑底部距離的增大而減小，相比于h2取2m時(shí)，h2取5m、8m、11m、14m、17m和20m時(shí)的隧道頂部最大豎向位移分別減小了9.7%、25.0%、37.1%、47.6%、58.9%和65.3%。

圖8 隧道頂部最大豎向位移隨h2變化曲線

4 結(jié)論

主要采用數(shù)值模擬方法對(duì)某城市隧道上方基坑開(kāi)挖工程進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

(1)基坑開(kāi)挖之后，隧道發(fā)生整體的隆起，其中基坑正中心隧道頂部隆起最大，由基坑中心下方處隧道向兩端隧道隆起值逐漸減小，從隧道頂部到底部，隧道隆起值也逐漸減小。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬方法得到隧道最大隆起值為11.3mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到隧道最大隆起值為12.2mm，二者相差8.0%左右，由于現(xiàn)場(chǎng)施工情況與數(shù)值模擬不完全一致，盡管有一定出入，但認(rèn)為數(shù)值模型分析及結(jié)果是合理的。

(3)隨基坑開(kāi)挖深度增大，隧道頂部最大豎向位移逐漸增大，這與基坑開(kāi)挖會(huì)誘發(fā)土體出現(xiàn)卸荷效應(yīng)有關(guān)。此外，隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷增大，土體卸荷的水平也不斷增大，導(dǎo)致隧道豎向位移逐漸增大。

(4)隨著隧道中心與基坑底部距離的增大，隧道頂部最大豎向位移逐漸減小。這是因?yàn)榇藭r(shí)隧道距離基坑底部距離越來(lái)越遠(yuǎn)，基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)隧道產(chǎn)生的影響逐漸減小，使得隧道豎向位移逐漸減小。