堆載作用對臨近隧道深基坑開挖的影響

王 強，錢 程，崔進楊

( 安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

基坑開挖會對土體產(chǎn)生擾動，打破土體原有應力的平衡，引起土體應力的重新分布[1-2]，基坑工程多是對圍護體強度與穩(wěn)定性的設計，但基坑事故發(fā)生的原因多是基坑施工的不當有關，如基坑坑邊的堆載。施工現(xiàn)場的實際情況，如基坑邊的運輸車、堆積的鋼筋都會產(chǎn)生基坑堆載，若沒及時的處理這些臨時堆載，可能會導致基坑圍護體的破壞甚至失效，造成基坑的坍塌。進行堆載作用對深基坑開挖的影響分析是很有必要的，理論研究、數(shù)值模擬、工程實例現(xiàn)場實測都可用來計算預測堆載的作用。文獻[3]以Boussinesq解與圓弧滑動法，提出了一種考慮地面局部荷載的基坑抗隆起安全系數(shù)計算方法；文獻[4]給出了基坑堆載對基坑圍護結構側壓力的影響的計算方法與計算公式；文獻[5]運用PLAXIS有限元軟件對不平衡堆載作用下基坑工程的開挖過程進行了模擬，分析了不同階段基坑圍護體的位移、彎矩、軸力的差異并得出一定的規(guī)律；文獻[6]運用PLAXIS 3D Foundation模擬軟件，對相鄰基坑間堆載情況下基坑變形規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)了基坑底隆和周邊地面沉降存在的規(guī)律，并以實際工程加以驗證；文獻[7]以試件工程為背景對偏壓基坑圍護體的位移、內(nèi)力進行實測詳細分析，并對圍護體的穩(wěn)定性進行評價；文獻[8-13]使用模擬軟件來分析不平衡堆載、超挖深度、施工工序對基坑開挖工程的影響。文獻[14]針對隧道穿越軟弱破碎圍巖時出現(xiàn)塌方破壞問題，采取模型試驗和數(shù)值模擬相結合的方法，得出拱腰以下巖體往往因應力集中程度較高而率先剪切破壞。文獻[15]采用顆粒離散單元法模擬了不同開挖方法和加固措施對圍巖穩(wěn)定和變形的影響，得出隧道拱肩和拱腳應力集中處水平位移較大。

本文以實際工程為背景，采用軟件模擬基坑開挖過程，分析堆載作用對深基坑開挖中圍護體與臨近隧道變形、內(nèi)力的影響[16]，為相關工程提供參考。

1 工程概況

本基坑工程占地約13 800m2，坑底周長約470m。工程主體建筑由主樓、附樓、裙樓組成。主樓基礎采用樁基加厚板形式，底板厚4m，附樓基礎采用樁基加獨立承臺形式，底板厚1.5m，基礎的樁基為人工挖孔樁。主樓區(qū)域基坑開挖深度為23.50m，附樓與裙樓區(qū)域基坑開挖深度為21.00m，開挖土石方十分巨大。

1.1 周邊環(huán)境概況

基坑工程位于市區(qū)，環(huán)境很復雜。基坑四邊環(huán)路，周邊道路下市政管線眾多，如路燈電纜、電信線纜與上下水管等。且與敏感建、構筑物相鄰，基坑東側道路下建有地鐵隧道，地鐵隧道采用礦山法施工，鄰近基坑側隧道為地鐵停車線段。地鐵隧道主體襯砌結構距離基坑約5.0m，周邊超前支護錨桿外端距離基坑約2.0m。地鐵隧道底部埋深最深約20m。隧道襯砌斷面穿越強風化安山巖和殘積土。地鐵主管部門要求，紫峰大廈基坑工程施工對地鐵結構造成的附加變形影響不得大于15mm。典型地鐵隧道斷面圖如圖1所示，初次支護為C20噴射混凝土、S6，二次支護為C30建筑鋼筋混凝土、S8。錨桿布設形式為：Ф25中空錨桿，梅花型布置環(huán)、縱向間距1.0m，L=3.0m。

圖1 典型地鐵隧道斷面圖

1.2 工程地質條件

土層物理力學性質如表1所示。基坑場地地下水分兩類：一是上層滯水賦予上部(1)層填土中，水位在1.30～1.40m；二是弱承壓水主要賦予(5)層安山巖中，埋深5.50～9.10m。

表1 土層力學參數(shù)

注：Kh為土層水平的平均滲透系數(shù)，Kv為土層豎向的平均滲透系數(shù)。

1.3 基坑設計方案

此基坑工程圍護體為地下連續(xù)墻，外加三道水平支撐，地下連續(xù)墻為鋼筋混凝土結構，起到擋土、止水和充當?shù)叵陆Y構外墻的作用，墻體的強度等級為C30(水下強度提高一級)、墻厚0.8m、有效施工長度為28.4m、嵌入坑底以下基巖深度為7m。支撐系統(tǒng)選擇為三道鋼筋混凝土水平支撐、邊桁架結合對撐的布置型式。

2 Midas GTS NX軟件模擬

2.1 模型建立

本文運用Midas GTS NX模擬軟件對基坑工程施工過程進行建模，模型選取基坑工程的一個斷面，基坑開挖深度23.5m?；娱_挖會對土體產(chǎn)生擾動，造成周邊地表沉降，建立模擬的長為140m、寬為70m。

模擬土體選用平面應變與莫爾-庫倫本構模型，立柱、支撐與錨桿選用桁架單元，隧道襯砌與地連墻選用梁單元，立柱、錨桿選用鋼材參數(shù)，地連墻、支撐、隧道襯砌選用C30混凝土參數(shù)。為了更好的模擬地連墻與土體的相互作用，添加地連墻與周圍土體的接觸單元。

2.2 堆載與工況模擬

本文基坑模擬只有一側，在模擬中設計出不同的堆載，具體為0kN/m、20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m與100kN/m，分別用P0、P20、P40、P60、P80與P100表示?；佣演d長度為地連墻右側10m。本模擬為應力-滲流耦合分析，施工階段組選用應力-滲流-邊坡，施工模擬主要工況如下：stage1：基坑降水，基坑區(qū)域地下水降到坑底下1m處；stage2：第一次開挖，開挖土體至-1.8m；stage3：第一道支撐施工，第二次開挖，開挖土體至-9.7m；stage4：第二道支撐施工，第三次開挖，開挖土體至-17m；stage5：第三道支撐施工，開挖到坑底，開挖土體至-23.5m。

3 計算結果與分析

3.1 變形分析

本基坑工程臨近地鐵隧道，基坑開挖過程中的圍護體與隧道的變形是很重要的指標，進行了不同堆載下地連墻水平位移、隧道變形的分析。

1)地連墻水平位移分析

由圖2分析得，在無堆載的情況下，地連墻的最大水平位移發(fā)生在第二道支撐下方(-10.59m處)，變形是向基坑方向，大小為18.89mm，是由于這個工況開挖深度較大、各種荷載在增大與土體具有的流變特性也使變形加大，基坑開挖設計時要特別注意在第二道支撐附近的加固。

由圖3分析得，隨著坑邊堆載的增加，地連墻的水平位移在加大，堆載在0kN/m、20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m與100 kN/m時，地連墻水平位移及變化率如表2所示。由表2可知，當堆載為100 kN/m時地連墻水平位移會比無堆載時多31.77%，在實際的基坑工程開挖設計時，變化率不大于5%為宜，在實際施工過程中堆載應不大于20 kN/m。

圖2 地連墻水平位移

圖3 地連墻在不同堆載組合下的水平位移

S1S2S3S4S5S6(S2-S1)/S1(S3-S1)/S1(S4-S1)/S1(S5-S1)/S1(S6-S1)/S1 18.8919.6720.5021.4522.8324.894.16%8.56%13.55%20.87%31.77%

注：S1、S2、S3、S4、S5、S6分別表示地連墻在P0、P20、P40、P60、P80與P100下的水平位移，單位mm。

2)隧道變形分析

不同堆載組合下隧道最大變形如表3所示，可以看出基坑開挖引起了隧道變形。堆載為0kN/m時，隧道最大變形都發(fā)生在左線隧道，最大水平位移為7.21mm，變形為基坑方向，位置在隧道的拱腰上，豎直最大位移為3.33mm，豎直向下，位置在隧道頂部附近，最大總變形為7.43mm，小于地鐵部門的相關指標要求15mm。右隧道因為離基坑較遠，變形相對較小，最大變形為2.05mm，約為左隧道的1/4。施工對隧道結構的附加影響主要表現(xiàn)為：隧道水平變形整體大于豎向變形，水平變形為基坑方向、豎向變形為沉降。

隧道結構變形隨開挖深度而變大，開挖到底時變形最大。隨著坑邊堆載的增加，地連墻水平變形變大，堆載可以一定程度上可以降低隧道的水平變形，加大豎向變形，緩解隧道的總變形，但會大大增加地連墻的變形。也就是說只有地連墻的變形增加較大，隧道的變形才會有所降低，實際工程中通過加大堆載來降低隧道變形是不可取的。

表3 隧道變形

3.2 內(nèi)力分析

在基坑開挖過程的內(nèi)力分析中，彎矩是很重要的指標之一，進行了不同堆載下地連墻與隧道的彎矩分析。

1)地連墻彎矩分析

無堆載時，開挖到坑底的地連墻彎矩如圖4所示，可以看出在無堆載的情況下，圖中支撐-2與支撐-3的位置上，地連墻的彎矩都發(fā)生了降低，因為水平支撐的存在使得地連墻的彎矩有了很大的降低，可有效的降低土的側向壓力，最大彎矩在第二道支撐下方(-11.92m處)，大小為719.69kN·m。

地連墻在不同堆載組合作用下的彎矩圖如圖5， 由圖5分析得， 隨著坑邊堆載的增加， 地連墻的水平位移在加大， 堆載在0kN/m、 20kN/m、 40kN/m、60kN/m、80kN/m與100 kN/m時，地連墻最大彎矩及變化率如表4所示，可以看出當堆載為100 kN/m時地連墻最大彎矩會比無堆載時多10.57%，這個變形的增加是比較大的，會影響基坑開挖時地連墻的穩(wěn)定性，在實際的基坑工程開挖設計時，對坑邊堆載要給予重視。

圖4 地連墻彎矩 圖5 地連墻在不同堆載組合下的彎矩

M1M2M3M4M5M6(M2-M1)/M1(M3-M1)/M1(M4-M1)/M1(M5-M1)/M1(M6-M1)/M1 719.69733.63748.82764.93777.15795.751.94%4.05%6.29%7.99%10.57%

注：M1、M2、M3、M4、M5、M6分別表示地連墻在P0、P20、P40、P60、P80與P100下的最大彎矩，單位kN·m。

2)隧道彎矩分析

隧道在不同堆載組合作用下的彎矩如表5所示，左隧道的最大彎矩比右隧道大得多，右隧道約為左隧道的2/5，這與前面隧道的變形分析具有一致性。隨著坑邊堆載的增加，左隧道的最大彎矩在增加，當堆載為100kN/m時，左隧道最大彎矩會比無堆載時多12.61%；右隧道的最大彎矩略有降低，當堆載為100kN/m時，右隧道最大彎矩會比無堆載時降低了3.57%。實際施工中要加強注意堆載對隧道彎矩的影響。

表5 隧道彎矩

注：M1、M2、M3、M4、M5、M6分別表示隧道在P0、P20、P40、P60、P80與P100下的最大彎矩，單位kN·m。

4 結論

(1)隨著基坑的開挖，地連墻的最大水平變形發(fā)生在第二道支撐下方，地下5m到17m處，地連墻的水平變形是比較大的；隨著堆載的增加，地連墻的水平位移在加大，當堆載為20 kN/m，水平位移增幅4.16%。

(2)對地連墻與隧道彎矩分析可知，水平支撐的存在使得地連墻的彎矩有了很大的降低，可有效的降低土的側向壓力；隨著堆載的增加，地連墻的最大彎矩增大，左隧道的最大彎矩有較大增加，右隧道則略有降低。

(3)堆載作用對基坑開挖過程中的圍護體與臨近隧道都有較大影響，在實際施工過程中要注意避開較大的坑邊堆載。