某隧道基坑開挖施工中的應(yīng)變模擬分析

王東華 朱 念 梅權(quán)武

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.中國地震局地震研究所武漢地震工程研究院，湖北 武漢 430070;3.武漢鋼鐵集團(tuán)鄂城鋼鐵有限責(zé)任公司工程管理部，湖北 鄂州 436000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)及城市建設(shè)的發(fā)展，對地下空間的開發(fā)利用成為大城市解決城市交通擁擠、土地資源緊張等問題的有效途徑，不斷發(fā)展的地下空間工程帶動了深基坑工程實踐的發(fā)展。隨著基坑深度的逐漸加大，開挖和支護(hù)的應(yīng)力、應(yīng)變分析將使不可忽視的卸載問題及其引發(fā)的土體應(yīng)力、強(qiáng)度、變形性質(zhì)等問題逐漸受到重視，這就使得數(shù)值模擬方法對土壓力、基坑穩(wěn)定性和基坑變形等進(jìn)行綜合分析的方法得到了較大的發(fā)展，這種方法已成為基坑開挖支護(hù)工程安全、高效實施的強(qiáng)力工具[1，2]。

1 工程概況

武漢市某隧道位于楊春湖地區(qū)，隧道投影長1 378.2 m，寬約17 m～18 m;共有通風(fēng)口2處、投料口3處、三通井1處、組合井1處;組合井開挖深度為5.3 m～10.2 m，其他大部分地段開挖深度為5 m～6 m。

地質(zhì)情況如下:

①雜填土，場區(qū)內(nèi)均有分布，層厚0.80 m～1.80 m;②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚 0.70 m～2.40 m;③亞粘土，層厚0.70 m～2.5 m;④殘積土，全場分布，厚度1.8 m～3.4 m，在區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖溶、滑坡、危巖、泥石流、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用，地下水及土壤對混凝土無腐蝕性。

本工程的難點有以下幾個方面:該段地下管線眾多，某些管線需要改道;施工地段地質(zhì)條件復(fù)雜，部分隧道離湖區(qū)較近，滲水大，由此造成開挖和支護(hù)困難，需針對性地采取不同的開挖方案。

2 施工組織

2.1 開挖施工

基坑開挖選用4 m3挖掘機(jī)分層挖取，層高不宜超過2 m，基坑開挖時一定要設(shè)內(nèi)支撐，在開挖過程中應(yīng)防止碰撞支護(hù)結(jié)構(gòu)。對于穩(wěn)定土層，棄渣堆積在離基坑開挖邊線10 m以外，作為回填土方，表層土質(zhì)直接轉(zhuǎn)運到棄土場。對于超挖的部分，采用級配碎石回填到設(shè)計標(biāo)高。

2.2 排水施工

因部分路段毗鄰楊春湖，防水對于本工程是第一要素。施工時沿基坑四周挖30 cm×30 cm的排水溝，在基坑靠近湖側(cè)的地方挖一個集水井，根據(jù)滲水量大小，選用合適的水泵，集中把基坑里的水抽到基坑外，同時備用一個水泵(抽水排量大于20 m3/h)，防止出現(xiàn)意外，專人負(fù)責(zé)值班。對于地表給水，靠近湖邊或公路邊，直接抽到湖里或窖井里，其他地段直接抽到臨時道路兩邊的排水溝里，最終流入湖里。

3 模擬

本文結(jié)合工程設(shè)計及施工方案，利用FLAC 3D的方法對基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。本文對計算模型作出以下假定[3，4]:

1)根據(jù)基坑實際情況，設(shè)定基坑的寬為18 m，高為6 m，分3層開挖，每層為2 m，取長度100 m的坑段為例進(jìn)行模擬，土的內(nèi)摩擦角設(shè)為30°，粘聚力為16 kPa，土的密度取1 300 kg/m3。

2)地下等效連續(xù)墻底部節(jié)點視為相對土體不動點(可能有絕對位移)，現(xiàn)制其六個自由度。

圖1為開挖2 m深后1 000次迭代的水平位移等值圖，水平位移等值線用來顯示開挖過程中的基坑水平位移變化。從圖1中可以看出，基坑頂部位移為正值且很大，這是由于在基坑開挖面以下的墻內(nèi)側(cè)被動壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)水平位移，這部分區(qū)域位于沿基坑邊界向外延伸50 cm左右，基坑底部的水平塑性區(qū)逐漸增大[5]。圖2為開挖6 m深后1 000次迭代的水平位移等值圖，土體最大側(cè)位移點深度位于坑底開挖面附近，基坑開挖過程中，坑內(nèi)土體的卸荷效應(yīng)是引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外土體側(cè)向行的主要原因，坑外土體既有豎向位移又有向坑內(nèi)的水平位移，故臨界深度以上的土體向斜下方移動，而臨界深度以下的土體向斜上方移動，其共同作用的結(jié)果是引起坑外土體的損失，從而引起坑外地表的沉降[6]。

圖1 開挖2 m深后迭代的水平位移等值圖

圖2 開挖6 m深后迭代的水平位移等值圖

4 結(jié)語

1)有限元分析用于基坑工程的開挖施工模擬是可行的，可以得到較好的模擬預(yù)測結(jié)果，對基坑工程的設(shè)計與施工具有重要參考價值。但由于未考慮地下水的影響，還存在一定的缺陷。

2)基坑開挖深度對邊坡側(cè)移有一定的影響，并且邊坡的位移隨著開挖的深度增加而增大，確?；舆吰碌姆€(wěn)定，選取合理的支護(hù)方式。根據(jù)現(xiàn)場情況，對于組合井，宜采取鉆孔灌注樁+粉噴樁支護(hù)的方案進(jìn)行開挖，其他部分可采用噴網(wǎng)或者噴錨水泥漿護(hù)坡。加強(qiáng)對基坑邊坡的觀察工作，發(fā)現(xiàn)異常情況及時進(jìn)行處理。

3)基坑開挖前，應(yīng)在其兩側(cè)開挖截水溝，防止雨水流入基坑，基坑底部應(yīng)設(shè)置集水井和排水溝，及時將坑底積水排走，以免浸泡地基[7]。

[1] 黃志全，王安明.深基坑支護(hù)工程可靠度分析與數(shù)值模擬[M].鄭州:黃河水利出版社，2009.

[2] 聶慶科，梁金國.深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3] 彭文兵.FLAC 3D實用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 程 曄，曹文貴.水電站進(jìn)水口高邊坡與引水洞優(yōu)化設(shè)計與施工過程數(shù)值模擬[J].土工基礎(chǔ)，2011，25(6):35-36.

[5] 何 瑞.某地站深基坑開挖施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律數(shù)值模擬與分析[J].鐵道勘探與設(shè)計，2010，22(5):27-28.

[6] 孫書偉，林 抗.FLAC 3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2011.

[7] 李志堅.過河管基槽開挖及基礎(chǔ)處理的技術(shù)要求[J].中國給水排水，2011，31(7):52-53.