基坑卸載對既有隧道影響分析

肖博文　席培勝　朱榮軍

摘 要：地下工程的復(fù)雜性，使地鐵隧道的安全使用對變形要求非常嚴(yán)格.臨近基坑卸載對既有軌道的正常使用帶來諸多問題，通過Midas/GTS軟件創(chuàng)建基坑與隧道的三維數(shù)值模型，以合肥南站綜合交通樞紐配套南廣場基坑開挖工程為研究對象，分析不同工況下的基坑地連墻X向與Y向變形以及基坑對A、B隧道水平與豎向位移的影響.得出如下結(jié)論：卸載基坑與既有隧道間的距離對隧道水平位移變形和豎向位移變形都有影響，距離基坑越近則影響越大，反之則越小;隧道的豎向位移與基坑開挖深度成正比關(guān)系，對于水平位移，基坑卸載對隧道的影響為沿基坑最近的隧道段向兩端逐漸減小;側(cè)方隧道各個測點的位移變化為隧道縱向豎向變形趨勢一致，都為逐漸增大到峰值后再逐漸減小的凹槽型，位移最大處為中心線處;與基坑平行且在其長度范圍內(nèi)的既有隧道的水平位移影響較大，而范圍外的影響很微弱，不同工況下基坑一圈圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的趨勢均相似，最大水平位移都在中間位置，其中工況二影響最大，占比總位移百分之五十.

關(guān)鍵詞：基坑卸載;隧道;數(shù)值模擬;隧道變形

中圖分類號：U442.55? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）11-0088-04

在社會日益發(fā)展的今天，地上交通運輸和空間的使用越來越不能滿足人們的需求，怎樣去充分開發(fā)和利用地下空間變得格外重要.目前地鐵在各個城市越來越被普及，那么未來必定會有很多在已經(jīng)建的地鐵附近進(jìn)行基坑開挖卸載的工程，如何確保施工安全且盡可能降低對隧道的影響是值得去討論的問題.設(shè)法確定最合理的施工方案，做好四周的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，控制土體位移等值得考慮.因此，如何做好基坑開挖及卸載對隧道的影響的研究是極其有意義也是非常緊迫的.

眾所周知，地下工程有其獨特的未知性和復(fù)雜性，目前我們認(rèn)識的和掌握的都是不全面及不完善的，對于基坑開挖及卸載對隧道的影響這一課題是尚不成熟的.本文的研究成果可以為后續(xù)同類工程提供施工方法和參數(shù)的依據(jù)，也能提供一些經(jīng)驗參考.

1 工程概況

1.1 參數(shù)選取

合肥南站南廣場上跨312繞城高速，北接高鐵站，南鄰繁華大道，通過規(guī)劃支路與繁華大道等周邊路網(wǎng)相連.本文研究廣場西側(cè)深基坑，其側(cè)方穿過兩條已投入運行的平行隧道.基坑長221米，寬191米，占地4.30公頃，現(xiàn)分析基坑卸載對原有隧道影響.

現(xiàn)場勘查得出工程土體參數(shù)，如表1所示.

2 數(shù)值模擬

2.1 基坑模型概況

本模型依據(jù)圣維南理論，模型取基坑深度3倍為邊界到基坑底部的距離，同時考慮隧道的影響，基坑的三維計算尺寸定為300m×296m×67m，單元數(shù)為31578，節(jié)點數(shù)為4586421，如下圖1和圖2分別為模型的整體計算模型和基坑開挖后的效果圖.設(shè)垂直方向為X軸，沿隧道方向為Y軸，重力方向定為Z軸.

將基坑整體分三步進(jìn)行開挖對應(yīng)三層地下室.基坑四周通過連續(xù)墻加錨桿的方式來進(jìn)行圍護(hù)，設(shè)置參數(shù)為地連墻厚取820mm，嵌固深度31.6m，基坑地板厚度取310mm.如下圖3和圖4分別為地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道襯砌結(jié)構(gòu).

2.2 基坑開挖過程模擬

第一步：先建立整體計算模型，考慮模型各相互影響因素和約束后設(shè)置模型各數(shù)值參數(shù).

第二步：進(jìn)行隧道部分的施工，隧道建成后忽略其變形給原模型結(jié)構(gòu)帶來的影響，對影響數(shù)值進(jìn)行處理恢復(fù).隨后進(jìn)行地連墻的施工.

第三步（工況一）：先挖除第一層土體，挖至5.6m處進(jìn)行錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工.

第四步（工況二）：先挖除第二層土體，挖至12.6m處進(jìn)行錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工.

第五步（工況三）：直接將基坑開挖完畢，深度為16.9m，然后施作基坑底板進(jìn)行錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，至此全部施工完成.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道變形分析

為了得出直觀有效的變形數(shù)據(jù)結(jié)果，將兩個平行隧道分別命名為隧道A和隧道B分別在兩個隧道的每一個斷面上設(shè)置四個數(shù)據(jù)點A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4，具體位置如圖5所示.靠近基坑的隧道為A隧道，其中A2數(shù)據(jù)采集點為最靠近隧道的點，最近距離為5.41m.B隧道與A隧道平行且兩隧道中心軸線相距11.9m，兩隧道距地表埋深9.7m.

3.2 隧道豎向位移

圖6、圖7和圖8為隧道在三種工況影響下的豎向位移云圖，由圖可知在不同工況下隧道都是兩端產(chǎn)生較小的豎向位移，最大豎向位移都產(chǎn)生在隧道中部，而最大豎向位移是各不相同的，其產(chǎn)生的數(shù)值分別為1.65mm、4.30mm和5.36mm.從三張圖對比可知，相對于同一隧道隨著開挖深度的不斷加大，其豎向位移也隨之在不斷增大.通過分析可知產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是工況三環(huán)境下基坑開挖深度是最大的.聯(lián)系實際，在這一類型工程施工工程中一定要加強對鄰近建筑的檢測，確定合理的施工深度，防止對鄰近既有建筑的影響過大，影響其正常使用或產(chǎn)生破壞等.同時相較于這兩平行隧道而言，不論在哪一種工況環(huán)境下，都是靠近基坑的隧道產(chǎn)生較大的豎向位移.根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本模擬得出的豎向位移均小于20mm的要求，故說明使用地連墻加錨桿的這一支護(hù)方式是正確的.

由圖9取A隧道為研究對象具體分析A隧道A1、A2、A3、A4這四個位置的豎向位移變化特征通過對比分析，從圖中可直觀得出最靠近基坑的A2點產(chǎn)生了最大的豎向位移，最大值為-5.2mm左右.此結(jié)果是合理的，因為這四個測點中A2是基坑開挖距離最大的點，故受影響最大是合理的.從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，四個測點在隨隧道縱向變化的過程中其豎向位移的變化趨勢是相同的，即約在240m處達(dá)到最大值，向兩端逐漸減小.此外A1和A4豎向位移相差很小，變化趨勢幾乎相同.而A1和A3豎向位移相差較大，故可知基坑開挖施工對隧道底部的影響是遠(yuǎn)大于其頂部的.

通過觀察圖10，A和B兩個隧道的豎向位移對比，可以明顯地看出兩個隧道的豎向位移差距巨大，A隧道的最大值為-3.3mm而B隧道的最大值僅為-0.1mm左右.易得距離開挖基坑的距離對豎向位移變形的影響是巨大的，距離基坑越近則影響越大，反之則越小.且兩者出現(xiàn)最大豎向位移變化量的位置并不相同.A隧道出現(xiàn)在240m處，最大位移變化量約為-3.3mm.而B隧道出現(xiàn)在175m處，最大為-0.1mm左右.通過這一發(fā)現(xiàn)，要求實際施工時要時刻檢測各隧道的豎向位移變化，確保既有隧道能夠正常使用及基坑正常施工.同時，分析圖中B隧道曲線可得出，B隧道在120m到200m這一范圍內(nèi)表現(xiàn)為沉降，而在隧道端點出現(xiàn)最大隆起變形.

3.3 隧道水平位移

基坑開挖不但會使既有隧道發(fā)生豎向位移的變形，還會使隧道產(chǎn)生水平方向的位移變形.圖11、圖12和圖13分別為三種不同工況下兩隧道的水平位移云圖，規(guī)定背離基坑方向為正方向.從圖中可知，兩隧道水平位移的變化趨勢是相同的，最小值均出現(xiàn)在已建隧道的兩端，最大值均出現(xiàn)在中心位置.從圖中對比三種工況下兩隧道水平位移的變化程度可知，工況一中隧道的最小位移為-0.215mm，最大位移為-1.509mm，工況二中隧道的最小位移-0.624mm最大位移為-5.513mm，工況三中隧道的最小位移為-0.839mm，最大位移為-7.375mm.本次模擬最大水平位移為7.375mm小于查規(guī)范得到的已運營地鐵位移變化不超過20mm這一規(guī)定，故模擬所得結(jié)果是合理的.同時對比三種工況下的總體水平位移可得，隨著基坑開挖深度的增大，其對隧道水平位移影響也不斷增大，且位移皆是向基坑方向的，也符合實際施工時隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù).

觀察圖14可知，此圖為不同工況下A1測點水平位移的變化，首先從總體上可以看出三種工況下的隧道水平位移變化趨勢幾乎一致，沿著隧道方向隨隧道的距離先逐漸增大到最大水平位移后再逐漸減小，且最大水平位移均出現(xiàn)在沿隧道方向175m處，最小位移為隧道的兩端.對比三種工況可發(fā)現(xiàn)，隨著開挖深度的增加，對既有隧道的水平位移的影響也是加大的.經(jīng)過仔細(xì)觀察圖可發(fā)現(xiàn)圖形發(fā)生巨大變化的點是從水平坐標(biāo)60m到250m這一區(qū)間，這一區(qū)間恰巧與基坑寬度是一致的.故可以得出，與基坑平行且在其長度范圍內(nèi)的既有隧道的水平位移影響較大，而范圍外的影響很微弱.分析可知這是由于基坑側(cè)壁連續(xù)墻產(chǎn)生向坑內(nèi)的位移導(dǎo)致的，而基坑范圍以外有土體的約束，使隧道水平位移較小.

由圖15來分析同一隧道A四個測點A1、A2、A3、A4的水平位移變化趨勢.首先可以從圖中輕易地發(fā)現(xiàn)這四個點的水平位移變化趨勢是相同的，都是沿隧道方向隨隧道距離的增大先增大后減小呈現(xiàn)凹槽形.其中A2的水平位移較其他三個觀測點是最大的，而A2點為最靠近基坑的點，故可以得出距離基坑越近對既有隧道的影響越大.與豎向位移不同的是，對于水平位移A1點的位移在累積區(qū)間內(nèi)總是大于A3點，可以得出隧道的埋深淺處的位移變形大于深處的位移變形.同樣仔細(xì)觀察可得圖形發(fā)生巨大變化的點是從水平坐標(biāo)60m到250m這一區(qū)間，這一區(qū)間恰巧與基坑寬度是一致的，說明基坑開挖對側(cè)壁土體擾動較大.

通過觀察圖16，A和B兩個隧道的水平位移對比，可以明顯地看出兩個隧道的水平位移差距巨大，A隧道的最大值為-6.7mm而B隧道的最大值僅為-3.9mm左右.易得距離開挖基坑的距離對水平位移變形的影響是巨大的，距離基坑越近則影響越大，反之則越小.

4 結(jié)論

（1）卸載基坑與既有隧道間的距離對隧道水平位移變形和豎向位移變形都有影響，距離基坑越近則影響越大，反之則越小;

（2）隧道的豎向位移與基坑開挖深度成正比關(guān)系，對于水平位移，基坑卸載對隧道的影響為沿基坑最近的隧道段向兩端逐漸減小;

（3）側(cè)方隧道各個測點的位移變化為隧道縱向豎向變形趨勢一致，都為逐漸增大到峰值后再逐漸減小的凹槽型，位移最大處為中心線處.

（4）與基坑平行且在其長度范圍內(nèi)的既有隧道的水平位移影響較大，而范圍外的影響很微弱.不同工況下基坑一圈圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的趨勢均相似，最大水平位移都在中間位置，其中工況二影響最大，占比總位移百分之五十.

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