長大深基坑施工對下臥盾構(gòu)隧道影響分析

劉偉龍 ,張宇

（1.廣州地鐵建設(shè)管理有限公司，廣東 廣州 510220；2.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

隨著城市地下空間開發(fā)規(guī)模的日益增大和城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，新建基坑工程不可避免地要鄰近既有地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行施工[1-2]，甚至上跨既有地鐵區(qū)間隧道[3]。大量研究表明，基坑開挖卸載作用引起坑內(nèi)土體回彈，導(dǎo)致鄰近隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起變形和附加應(yīng)力，嚴(yán)重時將危害地鐵運(yùn)營正常使用和安全[4]。本研究以廣州珠江琶醍啤酒文化創(chuàng)意園區(qū)長大深基坑工程為背景，通過Midas GTS 有限元數(shù)值模擬方法，對基坑施工全過程進(jìn)行模擬，分析了施工過程中下臥盾構(gòu)隧道變形和內(nèi)力變化規(guī)律，以期為類似工程提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

廣州珠江琶醍啤酒文化創(chuàng)意園區(qū)東區(qū)地下空間及停車場項目基坑長約158m，寬約103m，基坑開挖面積約為9456m2，開挖深度約為10.3～13.6m，為形狀不規(guī)則的長大深異性基坑。基坑場地正下方地鐵18 號線區(qū)間盾構(gòu)隧道直徑為8.5m，隧道埋深為23.947～26.075m。基坑與地鐵區(qū)間的平面位置關(guān)系如圖1 所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

基坑場地范圍處于三水?dāng)嘞菖璧貣|延部分，場區(qū)內(nèi)未見斷層。基坑深度范圍內(nèi)土層從上至下依次為素填土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉砂、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下穩(wěn)定水位埋深為1.40～1.80m，地下水類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 基坑開挖與支護(hù)設(shè)計方案

綜合考慮基坑尺寸和周邊環(huán)境，基坑分為三個開挖區(qū)域（見圖1）。其中，一區(qū)上跨地鐵區(qū)間隧道，開挖深度為10.3m，采用Ф1200@1350 鉆孔灌注樁加一道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)型式，并對基底以下淤泥質(zhì)砂土層采用三軸攪拌樁進(jìn)行加固，加固深度為基底以下3.3～4.3m；二、三區(qū)開挖深度為13.6m，采用Ф1200@1350 鉆孔灌注樁加兩道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)設(shè)計型式。基坑采用坑內(nèi)降水方式，每次降水深度為基坑開挖面以下1.0m，基坑外不降水，圍護(hù)樁外側(cè)采用Ф850 @600 三軸攪拌樁止水，攪拌樁長度為16.5m。

2 數(shù)值模擬分析

基于有限元數(shù)值模擬方法，建立三維數(shù)值計算模型，對基坑施工全過程進(jìn)行動態(tài)模擬。

2.1 數(shù)值模型的建立

為消除邊界條件影響，取模型左右邊界、前后邊界及下邊界距離基坑開挖邊緣為3～5 倍基坑開挖深度，上邊界取至地面，則模型尺寸為X 方向（基坑長度方向）290m，Y 方向（基坑寬度方向）210m，Z 方向（豎向）60m。模型側(cè)面設(shè)置水平約束，下邊界為固定約束，上邊界為自由邊界。

土體采用實體單元模擬，隧道襯砌、基坑主體結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板、側(cè)墻采用板單元模擬，基坑圍結(jié)構(gòu)通過等效剛度原則將圍護(hù)樁等效成地連墻板單元模擬，內(nèi)支撐、冠梁、腰梁、格構(gòu)柱以及主體結(jié)構(gòu)抗拔樁、結(jié)構(gòu)柱采用梁單元模擬。基坑與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系網(wǎng)格圖如圖2 所示。

2.2 計算工況

針對基坑施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，總共分為16個計算工況，并通過設(shè)置模型水位線邊界條件模擬基坑開挖降水，計算工況設(shè)置見表1。

表1 計算工況

3 基坑施工對下臥隧道影響分析

3.1 隧道豎向位移分析

圖3 所示為基坑施工過程中隧道最大隆起位移變化規(guī)律，其中橫坐標(biāo)為計算工況，只取每個工況最終數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由圖3 可得出以下結(jié)論：

圖3 基坑施工過程中隧道最大隆起位移變化規(guī)律

（1）在施作圍護(hù)樁、基底加固、抗拔樁和立柱樁以及第一次降水過程中，隧道整體發(fā)生下沉，且下沉量逐漸增大，最大下沉量為0.407mm。

（2）基坑開挖后，隧道產(chǎn)生豎向隆起變形，且隨著開挖深度和開挖面積的增加，隆起值逐漸增大，最大隆起值發(fā)生在一區(qū)基坑土體開挖至基底時，其數(shù)值為1.979 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范[5]限值為15mm。

（3）基坑開挖過程中，每次基坑內(nèi)降水，隧道隆起值均會產(chǎn)生一定回彈，隆起值減小。

（4）基坑開挖完成后，隨著地下室主體結(jié)構(gòu)施作，隧道隆起值逐漸減小。

由圖3 可知，基坑開挖至一區(qū)基底時隧道隆起變形最大，該工況下隧道豎向位移云圖如圖4 所示，可以看出，隧道豎向位移呈現(xiàn)出“中間隆起，兩端下沉，且隆起值遠(yuǎn)大于下沉值”的分布特征，隧道最大隆起值為1.979mm，發(fā)生在左線隧道中部位置，隧道最大下沉值為0.391mm，發(fā)生在右線隧道端部位置，表明基坑開挖卸載引起基底土體回彈而導(dǎo)致基坑正下方隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大隆起變形。

圖4 基坑開挖至一區(qū)基底時隧道豎向位移云圖

3.2 隧道水平位移分析

圖5 所示為基坑施工過程中隧道最大水平位移變化規(guī)律，可以看出，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作后，隧道水平位移快速增長，隨著基坑施工過程的推進(jìn)，水平位移變化較小。隧道最大水平位移發(fā)生在二、三區(qū)基坑開挖至基底時，其數(shù)值為0.934mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范[5]限值為15mm。

圖5 基坑施工過程中隧道最大水平位移變化規(guī)律

3.3 隧道內(nèi)力分析

圖6 所示為基坑施工過程中隧道襯砌最大彎矩變化規(guī)律。隨著基坑開挖，隧道襯砌彎矩逐漸增大，且在地下室主體結(jié)構(gòu)施工后基本不變。隧道襯砌最大彎矩發(fā)生在二、三區(qū)基坑開挖至基底時，其數(shù)值為114.584kN，且根據(jù)配筋復(fù)核結(jié)果，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖6 基坑施工過程中隧道襯砌最大彎矩變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文通過有限元數(shù)值模擬手段，研究了長大深基坑施工對下臥隧道的影響，得出以下結(jié)論：

（1）基坑開挖引起下臥隧道產(chǎn)生豎向隆起位移和水平位移，并以豎向隆起變形為主導(dǎo)，且隧道變形量隨開挖深度和開挖面積的增加而增大。

（2）基坑開挖降水及主體結(jié)構(gòu)施作導(dǎo)致隧道產(chǎn)生附加沉降變形，有利于控制隧道豎向隆起位移，尤其是主體結(jié)構(gòu)施工完成后，基坑正下方隧道最大豎向位移由隆起1.979mm 變?yōu)橄鲁?.116mm。

（3）基坑開挖引起隧道豎向位移、水平位移及襯砌安全系數(shù)均在規(guī)范容許范圍之內(nèi)，隧道安全可控，說明基坑設(shè)計和施工措施合理、可靠。