深基坑施工對鄰近連拱隧道影響特性分析

胡文亮，陳寅春

(重慶市設(shè)計院，重慶400015)

0 引言

隨著我國房地產(chǎn)業(yè)和城市地下交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)在正常運營階段，周圍環(huán)境的各種新修建筑工程會對其產(chǎn)生影響，特別是鄰近隧道的深基坑工程，一般距離隧道結(jié)構(gòu)較近，不可避免地對隧道結(jié)構(gòu)及隧道圍巖產(chǎn)生一定影響。

關(guān)于鄰近地下結(jié)構(gòu)與建筑基坑施工過程中的相互影響，有學(xué)者進行了相關(guān)研究。朱士云，等［1］針對上海地鐵一號線上雅居樂國際廣場基坑施工技術(shù)進行了探討;吳波，等［2］對地鐵區(qū)間隧道施工影響鄰近管線進行了三維數(shù)值分析，為管線安全性進行預(yù)測;李志高，等［3］結(jié)合上海東方路下立交工程大面積基坑施工工藝上分析了開挖卸載對下臥隧道的影響，提出了減小隧道變形的施工控制措施;況龍川［4］根據(jù)基坑開挖工況與地鐵隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了基坑開挖影響地鐵隧道的主要因素。

目前在深基坑施工對連拱隧道影響方面的研究較少，筆者結(jié)合重慶農(nóng)村商業(yè)銀行大廈基坑實際工程采用有限元數(shù)值仿真模型研究深基坑施工對鄰近連拱隧道影響特性，以據(jù)此評價隧道結(jié)構(gòu)安全性，以期對今后類似工程提供參考和積累經(jīng)驗。

1 工程概況

重慶農(nóng)村商業(yè)銀行大廈基坑尺寸為86 m×70 m×32 m，基坑與江溉路隧道方向平行，基坑基底分為兩級，一級基底高于隧道拱頂9.3 m，在此基礎(chǔ)上遠離隧道推移6.7 m后形成二級基底，基底低于隧道拱頂1.75 m;基坑邊界距隧道中線14.0 m。

基坑鄰近隧道為兩車道中隔墻連拱隧道，單洞凈寬10.42 m，凈高6.82 m。隧道初期支護采用錨噴支護，支護參數(shù)為：R25錨桿L=3.5 m@1.0 m×1.0 m，0.2 m 厚噴射混凝土;隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土，二襯結(jié)構(gòu)雙向配筋，配筋參數(shù)為Φ22 mm@150 mm。隧道埋深約30 m，隧道圍巖等級為IV級。連拱隧道與基坑位置關(guān)系見圖1。

圖1 連拱隧道與基坑位置關(guān)系(單位：m)Fig.1 Position of multi-arch tunnel and foundation pit

2 有限元模型分析

2.1 計算模型

為全面分析基坑開挖對鄰近隧道的空間效應(yīng)影響，根據(jù)隧道與基坑尺寸及相互位置關(guān)系等的因素建立三維有限元模型(圖2)，基坑邊界距模型邊界控制30 m，隧道距離模型邊界3倍洞徑，取模型尺寸為180 m×180 m。模型網(wǎng)格劃分遵循受力關(guān)鍵部位網(wǎng)格密，非關(guān)鍵部分逐漸稀疏的原則［5］。巖土及中墻采用六面體實體單元，隧道二次襯砌采用板單元，賦予板單元厚度0.5 m。模型邊界條件為：模型底邊豎向位移約束，前后左右采用水平法向約束，頂部為自由面。

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model of structure system

2.2 計算條件

通過巖土有限元軟件MIDAS/GTS軟件建立有限元模型仿真模擬基坑施工開挖過程進行分析基坑對連拱隧道的影響。

計算采用巖土及結(jié)構(gòu)的材料遵循有限變形理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系［6］和 Drucker-Prager屈服準則［7］。材料參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及地勘報告取值見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of material

計算模擬施工步驟如下：

1)初始地應(yīng)力場模擬。

2)連拱隧道開挖及支護襯砌模擬。根據(jù)規(guī)范對隧道開挖模擬荷載釋放系數(shù)進行如下分配［8］：圍巖及初期支護荷載釋放系數(shù)50%，二襯結(jié)構(gòu)荷載釋放系數(shù)50%。

3)基坑分層開挖模擬。基坑分層開挖高度2～3 m，并及時施做基坑側(cè)壁支護。

2.3 計算結(jié)果

通過有限元模型對基坑分層開挖進行施工階段計算分析基坑施工過程對鄰近連拱隧道的影響。

2.3.1 變形分析

經(jīng)計算提取基坑施工過程連拱隧道結(jié)構(gòu)變形結(jié)果，見圖3。

圖3 基坑開挖引起隧道結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.3 Tunnel construction deformation caused by foundation pit

伴隨著基坑開挖深度的增加，隧道結(jié)構(gòu)變形量及變形區(qū)域都有所增大。在基坑土體開挖于連拱隧道一側(cè)為卸載過程，隧道結(jié)構(gòu)變形最大值區(qū)域從拱肩轉(zhuǎn)向拱腰，方向為卸載的合力方向，最大位移區(qū)域變化與卸載合力方向變化相符。

模擬基坑施工過程中基坑側(cè)壁有無支護兩種工況，經(jīng)計算對比分析基坑支護情況對鄰近隧道結(jié)構(gòu)的影響。對兩種工況下提取各個不同開挖深度下隧道結(jié)構(gòu)變形最大值，見圖4。

圖4 基坑開挖過程引起隧道結(jié)構(gòu)變形最大值Fig.4 The displacement extreme value of tunnel structure

通過對兩種工況下各開挖深度下隧道結(jié)構(gòu)變形最大值對比分析，基坑側(cè)壁進行有效支護工況下隧道結(jié)構(gòu)最大變形為14.7 mm，而基坑無支護工況下隧道結(jié)構(gòu)最大變形為20.8 mm;說明深基坑開挖進行有效的基坑支護措施對鄰近隧道結(jié)構(gòu)變形有一定的控制作用。

2.3.2 應(yīng)力分析

經(jīng)計算提取基坑施工前后連拱隧道結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力(主拉應(yīng)力)結(jié)果，見表2、圖5。

表2 基坑開挖前后隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比Table 2 Tunnel stress comparison before and after pit excavation/MPa

圖5 基坑開挖前、后隧道結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力Fig.5 The first principal stress of tunnel before and after pit excavation

通過對比分析基坑開挖前后連拱隧道結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力變化。開挖前隧道二襯第一主應(yīng)力最大值分布在拱腳區(qū)域，應(yīng)力值在縱向無變化，最大值出現(xiàn)在外拱腳，為4.9 MPa;在開挖后基坑投影區(qū)段臨基坑一側(cè)隧道洞室二襯外拱腳第1主應(yīng)力最大值由4.9MPa減小至1.9 MPa，投影區(qū)段外30 ～50 m 范圍內(nèi)外拱腳應(yīng)力最大值由4.9 MPa增大至5.6 MPa;在基坑投影區(qū)段中墻兩側(cè)內(nèi)拱腳應(yīng)力最大值由2.1 MPa增大至4.9 MPa?；娱_挖卸載在影響范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力增大。

經(jīng)計算提取基坑施工前后連拱隧道結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)結(jié)果，見表2、圖6。

圖6 基坑開挖前、后隧道結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力Fig.6 The third principal stress of tunnel before and after pit excavation

通過對比分析基坑開挖前后連拱隧道結(jié)構(gòu)的第三主應(yīng)力變化。開挖前隧道二襯結(jié)構(gòu)的第三主應(yīng)力分布縱向無明顯變化，最大值出現(xiàn)在外拱腳，達－13.0 MPa;在開挖后基坑投影區(qū)段隧道拱頂?shù)谌鲬?yīng)力最大值由 －3.2 MPa減小至 －0.6 MPa，近基坑側(cè)隧道外拱腳第三主應(yīng)力最大值由－12.1 MPa減小至－5.1 MPa。基坑開挖卸載影響范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的主壓應(yīng)力整體減小。

2.3.3 應(yīng)變分析

經(jīng)計算提取基坑施工前后連拱隧道圍巖結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)變(主拉應(yīng)變)結(jié)果，見圖7。

圖7 基坑開挖前后隧道結(jié)構(gòu)第1主應(yīng)變Fig.7 The first principal strain of tunnel before and after pit excavation

經(jīng)計算提取基坑施工前后連拱隧道結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)變(主壓應(yīng)變)結(jié)果，見圖8。

圖8 基坑開挖前、后隧道結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)變Fig.8 The third principal strain of tunnel before and after pit excavation

對比分析基坑開挖前后連拱隧道圍巖結(jié)構(gòu)的主應(yīng)變變化情況可知，基坑開挖引起連拱隧道圍巖主拉應(yīng)變區(qū)域增大，主壓應(yīng)變區(qū)域減小，表明隧道圍巖穩(wěn)定性降低，與隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

采用巖土通用有限元軟件MIDAS/GTS分析研究深基坑施工對鄰近連拱隧道影響特性，得到結(jié)論如下：

1)基坑施工過程其側(cè)壁穩(wěn)定對鄰近連拱隧道結(jié)構(gòu)有較大影響?；觽?cè)壁有效的支撐可以減小對鄰近地下結(jié)構(gòu)的影響。

2)隨著基坑開挖深度的增加，隧道結(jié)構(gòu)對基坑影響的響應(yīng)增大。連拱隧道由于中墻的存在減小了遠基坑側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)受基坑開挖的影響，近基坑一側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為突出。

3)基坑開挖引起連拱隧道圍巖主拉應(yīng)變區(qū)域增大，主壓應(yīng)變區(qū)域減小，圍巖穩(wěn)定性降低，對連拱隧道結(jié)構(gòu)受力不利。

4)基坑開挖改變了隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變場進而影響到隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

［1］朱士云，侯愛民，潘建華，等.地鐵隧道正上方建筑物淺基坑施工技術(shù)［J］.建筑科技，2009，2(2)：102-105.Zhu Shiyun，Hou Aimin，Pan Jianhua，et al.Construction technique of shallow foundation pit above subway tunnel［J］.Architecture Technology，2009，2(2)：102-105.

［2］吳波，高波.地鐵區(qū)間隧道施工對近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，12(2)：2451-2456.Wu Bo，Gao Bo.3-D Numerical simulation on effect of tunnel construction on adjacent pipeline［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，12(2)：2451-2456.

［3］李志高，劉國彬，曾遠，等.基坑開挖引起下方隧道的變形控制［J］.地下空間與工程學(xué)報，2006，2(3)：264-270.Li Zhigao，Liu Guobin，Zeng Yuan，et al.Control measures of Ttunnel displacement by over-excavation unloading［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，2(3)：264-270.

［4］況龍川.深基坑施工對地鐵隧道的影響［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22(3)：57-62.Kuang Longchuan.Influence of construction of deep foundation pit on tunnels of metro［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000(3)：57-62.

［5］周建昆，李志宏.緊鄰隧道基坑工程對隧道變形影響的數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6(增刊1)：1398-1403.Zhou Jiankun，Li Zhihong.Numerical analysis on deformation effect of metro tunnels due to adjacent excavation project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，6(S1)：1398-1403.

［6］Doege E，Bohnsack R.Closed die technologies for hot forging［J］.Journal of Material Processing Technology，2000，98(2)：165-170.

［7］ZienKiewiez O C.The Finite Element Method［M］.3rd ed.London：Mcgraw Hill，1977.

［8］JTG D 70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.JTG D 70—2004 Code for Design of Road Tunnel［S］.Beijing：China Communications Press，2004.