緊鄰高速公路的隧道明挖區(qū)間施工機(jī)理研究

洪 源

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著地鐵工程的發(fā)展，不可避免的遇到復(fù)雜的施工環(huán)境，其中明挖法具有經(jīng)濟(jì)性和安全性的優(yōu)點在地鐵隧道施工中經(jīng)常被采用[1-3]。地鐵經(jīng)常建設(shè)在繁華城區(qū)，但是明挖法需要周圍沒有較多的既有建筑，因此，在城市中心采用明挖法開挖地鐵隧道有一定的施工難度，對此如何在繁華城區(qū)采用明挖法是國內(nèi)外一項重要的研究課題。目前，有限元數(shù)值模擬方法是研究基坑變形規(guī)律的一種常用手段[5-7]。本文依托具體深基坑施工工程，研究了基坑附近既有建筑和淤泥質(zhì)地層對基坑開挖的影響。

1 工程概況

深圳地鐵益田停車場主體基坑長555.7 m，寬50.75 m，基坑開挖深度21.7 m，南北側(cè)分別為福榮路及廣深高速公路。基坑采用明挖順筑法施工，基坑寬度約6.2 m～10.8 m，基坑深度約14.76 m～17.14 m；主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要選用800 mm地下連續(xù)墻。場地范圍內(nèi)淤泥層厚度為10 m左右，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)型式，基坑豎向設(shè)置3道支撐。

基坑范圍地層自上而下依次為素填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏性土、卵石、砂土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。由于淤泥質(zhì)黏土具有地基承載力低，穩(wěn)定時間長等特點，并且淤泥黏土在加載后變形不均勻，極易發(fā)生事故，因此降低淤泥質(zhì)黏土對工程的影響是研究的重點。

2 數(shù)值計算分析方法

基于大型有限元軟件ABAQUS，依托深圳地鐵益田車站1號隧道明挖區(qū)間，建立了二維數(shù)值計算模型，如圖1所示。其中，模型寬124 m，高50 m。兩側(cè)道路寬分別為38 m和10 m，采用實體單元劃分網(wǎng)格，共劃分為2 441。

模擬中土體采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則，支撐部分采用彈性屈服準(zhǔn)則，巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

計算模擬分析步驟如下：

1)計算初始地應(yīng)力；

2)建立地下連續(xù)墻；

3)開挖第一層，并建立第一道橫支撐；

4)開挖第二層，并建立第二道橫支撐；

5)開挖第三層，并建立第三道橫支撐。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

表2 最大橫向應(yīng)力

表2給出了不同橫向支撐作用下地鐵隧道明挖區(qū)間最大應(yīng)力示意圖。由表2可知：基坑開挖最大應(yīng)力出現(xiàn)在開挖最后一步中，最大應(yīng)力達(dá)到4.66 MPa。

3.2 應(yīng)變分析

圖2給出了第三道橫支撐作用下地鐵隧道明挖區(qū)間橫向應(yīng)變示意圖。由圖2可知：1)水平方向變形量最大的地方位于基坑頂部兩側(cè)位置，其最大值可以達(dá)到24 mm，這是在主動土壓力的影響下，基坑頂部兩側(cè)土體有比較明顯的向基坑內(nèi)部方向變化的趨勢，這與現(xiàn)有研究以及工程經(jīng)驗相符合一致。2)由于樁基的存在，基坑底部土體作為樁基的一個支撐點，其受力也是比較大的，相應(yīng)地表現(xiàn)在位移方面，基坑底部兩側(cè)也有向中間變形的趨勢，其變形量最大可以達(dá)到23 mm。

圖3給出了第三層開挖完成后地鐵隧道明挖區(qū)間豎向應(yīng)變示意圖。由圖3可知：1)基坑開挖后基坑底部會有比較明顯的隆起現(xiàn)象，這在基坑施工中影響還是比較大的，因此在施工中要特別注意采取相應(yīng)措施。2)基坑兩側(cè)部位有比較明顯的沉降產(chǎn)生，其沉降量可以達(dá)到28 mm，沉降范圍也是比較小的，周邊既有結(jié)構(gòu)的沉降位移也是非常小的，可以忽略不計。3)第三層開挖完成后地表沉降影響范圍與開挖深度成正相關(guān)，并且每層開挖后的沉降趨勢為先增大后減小。

3.3 破壞模式分析

圖4給出了第三道橫向支撐作用下地鐵隧道明挖區(qū)間失穩(wěn)破壞模式示意圖。由圖4可知：1)塑性區(qū)域主要出現(xiàn)在基坑底部以下靠近樁基的位置，該位置作為樁基的支點。2)在該位置以上部分樁基受力主要是水平指向基坑內(nèi)部，在該位置以下樁基受力主要是水平指向基坑的外部。3)在既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)的兩個角點位置的上部。由于其距離所要開挖的基坑比較近，所受基坑開挖的影響比較大，應(yīng)力水平比較高，故也相應(yīng)地出現(xiàn)了塑性區(qū)域。

4 結(jié)語

地下空間的開發(fā)利用，尤其是城市地鐵的建設(shè)，保證深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的合理和穩(wěn)定性是值得研究的。為此，依托深圳地鐵10號線基坑開挖工程，采用ABAQUS有限元軟件，研究了周圍復(fù)雜環(huán)境和淤泥質(zhì)黏土對施工的影響，得到以下研究結(jié)果：

1)按照設(shè)計要求進(jìn)行深基坑工程建設(shè)，雖然深基坑的開挖對周邊隧道的影響比較大，且運(yùn)營公路一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)將承受一定的應(yīng)力作用，但整體不會對既有公路產(chǎn)生破壞和影響。2)基坑塑性破壞區(qū)域主要集中于基坑底部與樁基相接觸的位置。3)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最大的位置位于縱向支撐與樁基之間的節(jié)點位置以及橫向第三道支撐的中部位置。因此，在施工建設(shè)過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)。