基于MIDAS的三維深基坑隧道模擬研究

李勇軍，黃雨茜，程學(xué)磊，李文東，李順群

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001；2.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；3.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；4.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，地面資源越來越稀缺，與城市化的需求之間的矛盾日益嚴(yán)重。為有效地利用土地，城市中開始加快建筑縱向空間的發(fā)展[1]。工程的深度隨著大量地下空間與高層建筑的建設(shè)也越來越大，其施工的難度也隨深度與規(guī)模不斷增加而增大。周圍的其他建筑必然會(huì)因深基坑的開挖而產(chǎn)生不可忽視的影響，尤其是對(duì)形變控制要求非常苛刻的地鐵隧道，其需要將變形控制在十幾毫米甚至幾毫米之間[2-3]。而且由于開挖基坑，原隧道變形場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，使原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生開裂及變形，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故如圖1 所示。地下工程中對(duì)于基坑變形的控制目前已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題[4-5]。

圖1 基坑變形

圖2 建模部分選取圖

圖3 檢查網(wǎng)格耦合及屬性賦予

在深大基坑的施工項(xiàng)目中，對(duì)基坑各個(gè)方位的變形進(jìn)行控制，不僅能夠使基坑本身的穩(wěn)定性和安全性得到相應(yīng)的保證，而且在施工過程中能夠保證其對(duì)周邊環(huán)境的位移不會(huì)發(fā)生變化。為了保護(hù)基坑周圍的環(huán)境，在不同的土質(zhì)區(qū)域，施工的擾動(dòng)所引起的地表下沉變化是不同的[6]。在土地質(zhì)量好的地區(qū)，采取適當(dāng)措施控制的話，可以有效保證周邊現(xiàn)存市政環(huán)境的安全；在土壤質(zhì)量不夠好的地區(qū)，基坑中挖掘產(chǎn)生的土體應(yīng)力卸載會(huì)影響基坑周邊環(huán)境和支護(hù)結(jié)構(gòu)，在這過程中會(huì)對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生較大的影響[7-8]。

本文依托合肥經(jīng)開區(qū)大學(xué)城地下空間利用項(xiàng)目，利用MIDAS GTS 有限元數(shù)值模擬軟件在三維模型中針對(duì)隧道的變形趨勢(shì)進(jìn)行了模擬分析，以期為基坑開挖及隧道等工程應(yīng)用提供相應(yīng)的參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

合肥大學(xué)城地下空間工程?hào)|廣場(chǎng)工程由西側(cè)地下兩層主體結(jié)構(gòu)與東側(cè)地下一層地鐵聯(lián)絡(luò)通道組成。場(chǎng)地北臨蓮蕊路，基坑邊線在道路紅線外0.6m；南臨石柱路，基坑邊線在道路紅線1.0m；西臨百鳥路，基坑邊線距離道路紅線33.3m；東臨翡翠路，基坑邊線緊貼道路紅線，翡翠路下的地鐵區(qū)間隧道的西側(cè)區(qū)間隧道中心線距離東廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)主體邊線約20.3m。

該地下空間工程基坑西側(cè)呈矩形、東側(cè)呈半圓形、東廣場(chǎng)基坑西段呈矩形、東側(cè)呈半圓形，基坑?xùn)|西向總長度為316.0m，西側(cè)矩形段南北向長度為100.5m，東側(cè)半圓段南北向總長度為182.0m，基坑周長946.0m，占地面積約35616m2。地下一層區(qū)域是東側(cè)地鐵聯(lián)絡(luò)通道，基坑開挖9.1～12.0m 深；地下二層主體區(qū)域是建筑1～29 軸區(qū)域，基坑開挖13.10～15.05m 深。本基坑開挖深度大于5.0m，根據(jù)規(guī)劃方案，本項(xiàng)目場(chǎng)地周邊均為現(xiàn)狀道路且基坑?xùn)|側(cè)有現(xiàn)狀地鐵區(qū)間隧道，其支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)綜合考慮，安全等級(jí)為一級(jí)。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

經(jīng)勘察，本工地的宏觀地形單元屬于江淮丘陵，場(chǎng)地地形總體呈中部低、東西高，微地形屬于岡山擬建工程場(chǎng)地，現(xiàn)為城市景觀綠地，建設(shè)場(chǎng)地其地下水位主要由大氣降水進(jìn)行補(bǔ)給。地下潛水水位根據(jù)季節(jié)不同有0.5m 左右的變動(dòng)幅度。鋼筋混凝土中的鋼筋、混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)由于該區(qū)域的地基土及地下水微腐蝕性的工程地質(zhì)性質(zhì)而產(chǎn)生一定的不利影響，本工程擬建地下空間穩(wěn)定水位為現(xiàn)狀地面以下0.5～1.0m，耐浮水位設(shè)計(jì)可取室外整平標(biāo)高0.5m。

2 基坑施工工序

第一步：基坑內(nèi)做圍護(hù)樁和主體抗拔樁、支撐下鋼格構(gòu)立柱及立柱樁。

第二步：圍護(hù)樁區(qū)域內(nèi)采用分層開挖、平面分塊的盆式開挖，首先對(duì)中部區(qū)域進(jìn)行開挖，其次對(duì)其周圍區(qū)域進(jìn)行開挖，依次向下，分層、分塊開挖，每層開挖深度不超過3m，開挖面坡比為1：1。此段范圍內(nèi)，基坑需南北對(duì)稱開挖及支護(hù)。開挖至“盆式開挖臨界線”處，施做圍護(hù)樁冠梁，并進(jìn)行冠梁頂坡面的插筋及樁頂坡面和盆式開挖臨界線坡面的噴漿掛網(wǎng)工作（土方開挖過程中，當(dāng)未開挖至“盆式開挖臨界線”時(shí)，隨時(shí)注意基坑內(nèi)的排水工作，必要時(shí)及時(shí)覆蓋土工布等）。

第三步：當(dāng)盆式開挖范圍內(nèi)的土體開挖至基坑底部時(shí)，施工主體結(jié)構(gòu)的墊層、底板、樁承臺(tái)及結(jié)構(gòu)底板采用后澆帶。

第四步：待中間盆式開挖部分主體結(jié)構(gòu)的墊層、底板及樁承臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，并且已施工完的底板大于后澆帶范圍，待在底板上澆筑第一道支撐的牛腿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用槽式開挖的方法將第一道斜撐所在位置處的土體開挖到支撐下0.5m，后加設(shè)第一道斜撐，施工第一道斜撐的聯(lián)系梁。

第五步：挖土第二個(gè)斜支撐牛腿的地方施工此部分主體的墊層、底板、樁承臺(tái)及第二道斜撐的牛腳，待底板和牛腳的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用槽式挖掘方法，將第二道斜支撐的土挖到0.5m。后架設(shè)第一道斜撐，施工第二個(gè)斜柱的連接梁。繼續(xù)挖掘支撐著泥土的殘余施工主體結(jié)構(gòu)的墊層、底板、承臺(tái)至支護(hù)樁邊緣。

3 基坑整體模型及施工階段劃分

3.1 模型介紹

假定土層為各向同性，對(duì)整體基坑進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入MIDAS 進(jìn)行更細(xì)致的三維制圖后生成實(shí)體，按照土層分割土體。在此模型的計(jì)算過程中，假定彈性模型為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土，修正的摩爾-庫侖模型為土體；土層的分布形式為水平成層，所有材料為各向同性、連續(xù)且均質(zhì)；不考慮開挖前其初始應(yīng)力狀態(tài)；施工結(jié)果不受其地下水的影響。

3.2 施工階段劃分

模型網(wǎng)格劃分如圖4 所示，其中矩形階段施工工況的初始應(yīng)力分析為激活所有土層、邊界條件、靜力荷載-自重。工況1～10 步驟：①進(jìn)行第一層開挖，鈍化開挖1，開挖1-1，并且進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，激活圍護(hù)樁；②進(jìn)行第二層開挖，鈍化開挖2，開挖2-2；③進(jìn)行第三層開挖，鈍化開挖3；④進(jìn)行第四層開挖，鈍化開挖4；⑤進(jìn)行第五層開挖，鈍化開挖5；⑥進(jìn)行第六層開挖，鈍化開挖6，并且進(jìn)行底板、斜撐施工，激活底板1、斜撐1；⑦進(jìn)行第七層開挖，鈍化開挖7；⑧進(jìn)行第八層開挖，鈍化開挖8，進(jìn)行底板、斜撐施工，激活底板2、斜撐2；⑨進(jìn)行第九層開挖，鈍化開挖9；⑩進(jìn)行第十層開挖，鈍化開挖10，進(jìn)行底板的施工，激活底板3。

圖4 網(wǎng)格劃分

圓弧階段模型施工工況的初始應(yīng)力分析為激活所有土層、邊界條件、靜力荷載-自重。工況1～5步驟：①進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，激活圍護(hù)樁，并進(jìn)行第一道水平撐施工；②進(jìn)行第一層開挖，鈍化開挖1，并進(jìn)行第二道水平撐施工；③進(jìn)行第二層開挖，鈍化開挖2；④進(jìn)行第三層開挖，鈍化開挖3；⑤進(jìn)行第四層開挖，鈍化開挖4，進(jìn)行底板施工。

4 模型計(jì)算結(jié)果及分析

三維基坑模型由于模型過大，在劃分網(wǎng)格時(shí)選擇的尺寸也很大。為了方便收斂，土體采用的是彈性本構(gòu)，故在精確度上可能不夠精確。其中該模型X、Y 方向水平位移如圖5 所示，由圖可知，位移最大值為13.51mm，并且隨著基坑的距離越來越小。調(diào)出隧道盾構(gòu)瓦片的網(wǎng)格，顯示全部位移研究。

圖5 X、Y方向水平位移云圖

如圖6 所示，隧道位移最大點(diǎn)發(fā)生在中段的靠近基坑一側(cè)的上方，其周邊建筑物沉降也發(fā)生在基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣處。且因?yàn)楸宦裰迷诨拥装逑拢噪S著與基坑的距離越遠(yuǎn)，沉降值越來越小并慢慢趨于穩(wěn)定。基坑內(nèi)土壤被挖走，土體卸載帶動(dòng)土體朝向基坑內(nèi)移動(dòng)，隧道受土體的影響產(chǎn)生位移，又因?yàn)樗淼朗侵锌盏模詴?huì)產(chǎn)生浮力導(dǎo)致隧道輕微上浮，其變形趨勢(shì)如圖7 所示。當(dāng)土方開挖時(shí)，隨著地表與基坑壁的距離越遠(yuǎn)，位移的變化逐漸趨于穩(wěn)定。最大位移量也隨著坑的挖掘深度的增加而增加，最后穩(wěn)定在10.2mm。有隧道的基坑側(cè)方的沉降曲線，圍護(hù)樁邊緣的基坑的地表豎向位移值最大，但與沒有隧道的基坑開挖沉降不同，整個(gè)地表有隆起的趨勢(shì)。在工況10 中基坑出現(xiàn)了先沉降、隆起再趨于平靜的走勢(shì)，這是由于基坑的開挖造成坑外土體發(fā)生水平方向的卸荷，其兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，從而使隧道整體因此周圍土體發(fā)生了向坑側(cè)的位移，在模擬的工況中隧道的埋深大于基坑開挖深度，而隧道在開挖中慢慢上浮。

圖6 隧道總位移云圖

圖7 三維隧道位移趨勢(shì)

如圖8 所示，通過兩個(gè)位移趨勢(shì)圖可以確定結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。隧道的最大位移為0.73mm，發(fā)生在模型建立截取的隧道中段，即臨近地鐵一側(cè)的基坑中間部位。地鐵隧道的變形隨著其與基坑中位的距離增加而逐漸減小，這是由于在開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)中心位置是變形最大的部位，隧道整體剛度大，在周圍土體出現(xiàn)了輕微上浮。

圖8 二維隧道位移趨勢(shì)

5 結(jié)語

基坑開挖時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形的最大值發(fā)生在基坑的中間部位，而不是在兩端；

周邊建筑物沉降發(fā)生在基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣處，且隨著與基坑的距離越遠(yuǎn)，沉降值越來越小且慢慢趨于穩(wěn)定；

基坑底部土體的縱向隆起邊緣部分小于其中部；

當(dāng)基坑邊緣有臨近隧道，開挖時(shí)其由于周圍的土體受到擾動(dòng)產(chǎn)生位移進(jìn)而發(fā)生變形，也會(huì)導(dǎo)致埋置在基坑周圍土體中的物體隨土體的位移而位移。