近接既有地鐵隧道的深基坑施工過程影響分析

0 引言

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，深基坑施工與既有地鐵隧道的空間距離日益縮短，這給地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和日常運營帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。因此深入分析近接既有地鐵隧道的深基坑施工過程，明確施工活動對地鐵隧道可能產(chǎn)生的影響，對于保障地鐵系統(tǒng)的安全運行具有重要意義[1-2]。

大量學(xué)者對深基坑在施工過程中對就近地鐵隧道產(chǎn)生影響進行了研究。杜偉[3闡述了基坑施工對臨近地鐵高架橋的影響，通過數(shù)值模擬、數(shù)值模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究深基坑開挖對鄰近高架路的影響，評價開挖過程中深基坑的安全性和穩(wěn)定性，以及開挖過程中對樁基變形和沉降的影響。閆路平等[4]以蕪湖數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園近接軌道2號線隧道為例，建立數(shù)值模型模擬基坑開挖與回填中的水土壓力，分析隧道豎向變形，結(jié)果表明基坑開挖越深隧道變形越大，開挖至坑底并回填后沉降有所減少。

本文基于以上研究成果，以某近接既有隧道的深基坑為例，采用有限元手段分析深基坑在開挖過程中對深基坑支護結(jié)構(gòu)變形的影響和臨近地鐵隧道變形及內(nèi)力的影響。

1工程概況

某深基坑工程開挖面積達 3200m² ，基坑開挖深度達13m。基坑周邊存在一既有地鐵隧道，隧道直徑達 10m 屬于大直徑隧道。隧道拱底距地表 19.5m ，深基坑距地鐵隧道最近距離僅為 27m ?；硬捎门艠?+ 內(nèi)支撐聯(lián)合支護，樁頂設(shè)置混凝土壓頂梁，排樁外側(cè)設(shè)置一排高壓旋噴樁用作止水帷幕。由于基坑與隧道距離很小，基坑開挖勢必會對既有隧道產(chǎn)生不利影響。

2有限元模型模擬

2.1三維模型構(gòu)建

根據(jù)基坑設(shè)計方案，建立基坑-隧道三維模型，整個模型尺寸為 250m×200m×40m ，隧道模型直徑設(shè)為 10m ，長為 200m 。采用10節(jié)點四面體單元對整個模型進行網(wǎng)格劃分，并局部進行網(wǎng)格加密，模型共劃分出235872個網(wǎng)格單元和358742個節(jié)點。

模型邊界條件如下：模型四周設(shè)為豎向固定、水平自由條件，模型表面設(shè)為豎向和水平自由條件，模型底面設(shè)為豎向和水平完全固定。

根據(jù)現(xiàn)場勘察報告，采用修正的摩爾-庫倫模型描述土體本構(gòu)關(guān)系，具體參數(shù)如表1所示。土層從上至下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、含粉砂的粉質(zhì)黏土、淤泥、粉土、強風(fēng)化砂巖。

表1土體模型參數(shù)

2.2模擬工況設(shè)置

依據(jù)現(xiàn)場實際施工工況，設(shè)置如表2所示的模擬工況內(nèi)容。

表2模擬工況及內(nèi)容

2.3 監(jiān)測點布置

為更好的分析基坑變形規(guī)律，在模型中設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1監(jiān)測點布置

3試驗結(jié)果分析

3.1基坑施工對樁的影響

3.1.1 樁頂?shù)乃轿灰?/p>

選取6個樁頂監(jiān)測點，繪制出施工過程中樁頂水平位移變化曲線如圖2所示。從圖2可以看到，隨著深基坑的逐步施工，支護樁樁頂所承受的水平荷載逐漸增大，樁頂水平位移亦逐步增加。這是由于基坑土體開挖后，支護結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)更大的側(cè)向土壓力，因而樁頂水平持續(xù)增大。

所有監(jiān)測點中，監(jiān)測點W01和W02的增大趨勢最明顯。分析認為，這2個測點離已有隧道一側(cè)較近，由于隧道開挖導(dǎo)致的土體應(yīng)力重分布和隧道潛在位移，對周邊土體產(chǎn)生顯著影響，故位于既有隧道附近的監(jiān)測點

圖2支護樁樁頂水平位移變化曲線

W01和W02更容易受到臨近深基坑開挖的影響。監(jiān)測點W01樁頂水平位移為最大值，約為 17.3mm 。由于其余4個監(jiān)測點離基坑距離遠，且受到混凝土冠梁支持，導(dǎo)致其樁頂水平位移變化有限。

3.1.2樁身的側(cè)向位移

圖3為施工過程中支護樁樁身側(cè)向位移變化曲線。從圖3可以看到，基坑的開挖深度增加，導(dǎo)致樁身所承受的側(cè)向土壓力隨之增大，進而使得樁身的側(cè)向位移逐漸增加。這是因為隨著基坑開挖的深入，基坑內(nèi)外側(cè)土體壓力差增大，進而產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移趨勢，土壓力作用在支護樁上，最終導(dǎo)致支護樁樁身整體側(cè)向變形。

從圖3同時可以看到，監(jiān)測點CX01的樁身側(cè)向位移沿深度呈線性變化，最大側(cè)向位移發(fā)生在地表位置。監(jiān)測點CX02樁身側(cè)向位移隨深度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最大側(cè)向位移發(fā)生在深度約10m處。監(jiān)測點CX01和CX02的側(cè)向位移最大值分別為 16.7mm 和23.8mm ?？傮w上圖3與圖2規(guī)律相似，在基坑臨近坑底的開挖過程中，樁身側(cè)向變形迅速增大。

3.1.3中柱的豎向沉降

在基坑施工的過程中，由于多種因素的影響，混凝土柱的受力往往會出現(xiàn)不均勻的情況，進而導(dǎo)致中柱間沉降不一致的問題。為此，本文對選取監(jiān)測點L01和L03兩根中柱的監(jiān)測結(jié)果進行分析。

基坑施工過程中柱沉降變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看到，在基坑開挖過程中，中柱的沉降表現(xiàn)出先平穩(wěn)增加后急劇增加的趨勢。這主要是因為基坑開挖初期，土體對中柱的側(cè)向支撐作用明顯，中心柱受到的豎向壓力相對穩(wěn)定，因此沉降較為平穩(wěn)。然而，隨著開挖深度的進一步增加，土體對中柱的支撐作用逐漸減弱，柱子所受豎向壓力增大，導(dǎo)致沉降速度加快，最終呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢。

3.2深基坑施工對隧道的影響

基坑開挖對地鐵隧道變形及內(nèi)力的影響顯著。在基坑開挖過程中，由于土體被開挖，周邊土層地應(yīng)力重分布，地鐵隧道受到附加應(yīng)力的作用，進而引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的變形。同時，受基坑開挖的影響，隧道內(nèi)力分布也會發(fā)生改變，增加結(jié)構(gòu)受力不均的風(fēng)險，對地鐵隧道的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成威脅。

3.2.1地鐵隧道變形

選取地鐵隧道中8個監(jiān)測點的水平位移與豎向位移進行分析，其中4個監(jiān)測點位于隧道右側(cè)，4個點位于隧道左側(cè)，地鐵隧道變形監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到，隨著基坑開挖深度的增加，隧道的水平位移與豎向位移均增加。主要是因為開挖導(dǎo)致周圍土體卸荷，進而產(chǎn)生應(yīng)力重分布。開挖深度越大，土體卸載的范圍和程度也隨之?dāng)U大，使得隧道周圍土體對隧道的約束作用減弱，從而導(dǎo)致隧道在水平和豎向方向上發(fā)生更顯著的變形。隧道左側(cè)的位移明顯大于右側(cè)，是由于隧道左側(cè)更靠近深基坑。

在第10～35的施工步驟中，隧道的豎向和水平位移均較小，主要是因為支護結(jié)構(gòu)起到了支撐作用。在基坑35～45的開挖步驟中，隧道的位移急劇增大，主要是因為深基坑開挖引起的地下水下降、土體滲透性能下降，臨近隧道圍巖的應(yīng)力場和位移場迅速向隧道內(nèi)擴散，導(dǎo)致隧道的變形增加。

總體來看，既有隧道最大水平位移為 2.6mm ，最大豎向位移為 0.9mm ，均均被限制在 8mm 以內(nèi)，滿足工程設(shè)計要求。

表3不同工況下隧道襯砌內(nèi)力變化結(jié)果

3.2.2地鐵隧道襯砌內(nèi)力

不同模擬工況對應(yīng)的隧道襯砌內(nèi)力變化結(jié)果如表3所示。從表3中可以看到，隧道左側(cè)的軸力與彎矩明顯大于右側(cè)，模擬工況7對應(yīng)的隧道襯砌軸力和彎矩分別達到最大，分別為710kN、 188.2kN?m ，對應(yīng)的增長率分別為 1.97% 、 0.27% 。

由此表明，基坑開挖對隧道的內(nèi)力影響相對較小，同時也更深入地說明該基坑所采用的支護結(jié)構(gòu)在設(shè)計和實施上均能滿足安全性的要求，確保了施工過程的穩(wěn)定性和安全性。

4結(jié)論

本文依托某深基坑工程，借助數(shù)值模擬手段，分析了深基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)和既有隧道的受力變形影響。得到結(jié)論如下：

1）隨著深基坑的逐步開挖，支護樁頂端的水平位移逐漸增加，支護樁身的側(cè)向位移也逐漸增大。支護樁頂水平位移最大為 17.2mm ；支護樁身側(cè)向位移最大為23.7mm 。深基坑土體開挖越深，中柱的沉降首先緩慢增大，隨后迅速增大，中柱最大沉降不超過 10mm

2）深基坑施工過程中，既有隧道的水平與豎向位移均增加，但剛開始增長較為平緩，隨后隧道位移急劇增大。隧道最大水平位移為 2.6mm ，最大豎向位移為 0.9mm 隧道襯砌軸力和彎矩到最大分別為710kN、188kN ?m 既有隧道變形和受力均滿足設(shè)計要求。

參考文獻

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[3]杜偉.鄰近地鐵施工明挖隧道基坑安全影響控制研究[J].西部交通科技，2024（12）：128-132.

[4]閆路平，馬鵬遠，代勇.深基坑鄰近既有地鐵隧道施工變形控制研究[J].交通世界，2024（36）：116-119.