基坑開挖對鄰近既有下穿頂管隧道的變形影響分析

王 濤,余建民

(華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，各大城市的建設(shè)規(guī)模不斷擴大，由此產(chǎn)生了大量的基坑工程。越來越多的基坑工程鄰近或上跨既有的隧道，基坑開挖會造成周邊環(huán)境影響，主要表現(xiàn)為會改變基坑周圍土體的位移場和應(yīng)力場，引起應(yīng)力重分布[1]，從而在既有隧道上產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，嚴重威脅隧道的安全，兩者之間的沖突日益突出。因此，較為全面地評價基坑開挖條件下區(qū)間隧道的安全性具有重要的意義[2]。

頂管隧道由于有斷面超大、超淺埋、凈間距小、施工成本低等優(yōu)點，近年來被廣泛地用于城市交通人行地道、地下共同溝、軌道交通區(qū)間等位置。尤其是超大斷面的矩形頂管隧道，地面沉降、結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化極難控制[3]。因此，附近深基坑開挖應(yīng)做好變形機理研究和模擬分析來確保頂管隧道的安全使用。

本文結(jié)合鄭州市某深基坑工程，采用FLAC3D軟件模擬了基坑開挖、支護等施工過程；研究不同工況下的支護結(jié)構(gòu)、周圍土體和鄰近下穿隧道的變形規(guī)律；研究了基坑開挖影響分區(qū)及相應(yīng)的施工對策。 研究結(jié)果可為其他類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

擬建工程為鄭州金成時代廣場，主體建筑地上高40層，地下4層，地上建筑采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻體系，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)?；幽蟼?cè)為已建成住宅小區(qū)，基坑北側(cè)距國內(nèi)首條(鄭州市中州大道)矩形頂管隧道僅為13.5 m。其余兩側(cè)為普通市政道路。本工程施工暫不考慮降水問題。該場地土層的基本物理參數(shù)見表1。

表1 土層基本物理參數(shù)表

基坑上部采用放坡開挖，放坡部分采用無砂混凝土小樁+土釘支護形式，基坑下部采用排樁預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護形式，如圖1所示。

圖1 基坑支護剖面圖(尺寸標注的單位：mm)

支護排樁直徑為1.5 m，樁長為21 m，嵌固深度為10.7 m，樁間距為1.5 m，樁身混凝土強度為C30，樁間噴護C20細石混凝土厚度0.06 m；采用5道錨索，錨索采用高壓旋噴法成錨，自由段直徑為0.2 m，錨固段直徑為0.4 m，水平間距為1.5 m。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型及計算參數(shù)

依據(jù)圣維南原理，計算邊界一般選開挖尺寸的3倍～5倍比較合理[4]。計算模型為基坑北側(cè)的樁錨支護部分，其他部分不作分析?；娱_挖深度為13.3 m，模型總尺寸為120 m(x)×20 m(y)×56 m(z)，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為38 786，網(wǎng)格單元數(shù)為34 000，如圖2所示。

圖2 計算模型

由于基坑周邊有多種荷載的影響，因此在基坑周邊各剖面布置26 kPa均布荷載。假定基坑模型側(cè)向邊界采用法向約束，模型底部采用固定約束、頂面自由[5]。土體的開挖過程用空模型Null來實現(xiàn)，土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，并且不考慮場地內(nèi)地下水的影響。

對于圍護結(jié)構(gòu)的模擬，在FLAC3D軟件中可以采用襯砌單元或?qū)嶓w單元進行替代。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)上述兩種方式計算結(jié)果并無太大差異。相比于襯砌單元，實體單元有著物理模型清晰和參數(shù)相對較少且容易確定的優(yōu)點[6]，因此本工程采用實體單元進行圍護結(jié)構(gòu)的模擬。

由等效剛度原理可知，采用一維軸力桿彈性單元模擬土釘及預(yù)應(yīng)力錨桿具有同等的精度，故在預(yù)應(yīng)力錨桿模擬方面，可以采用FLAC3D自帶的Cable 單元[4]。基坑開挖完成后的支護模型如圖3所示。

圖3 基坑支護模型

對于基坑的圍護結(jié)構(gòu)和頂管隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬，參數(shù)取值見表2。

表2 實體單元計算參數(shù)取值

利用FLAC3D自帶的Cable單元模擬土釘和預(yù)應(yīng)力錨桿，見表3和表4。

表3 土釘計算參數(shù)

表4 預(yù)應(yīng)力錨桿計算參數(shù)

各種結(jié)構(gòu)單元之間的連接形式采用FLAC3D中自帶的Node-node連接，這種連接形式可以使各結(jié)構(gòu)單元之間的力和位移進行相互傳遞，共同構(gòu)成樁-錨支護結(jié)構(gòu)[7]。

2.2 施工工況

本工程主要施工步驟見表5。

表5 基坑開挖模擬過程

3 結(jié)果分析

3.1 基外土體位移

隨著基坑內(nèi)土體的開挖卸荷，會使得基坑內(nèi)原狀土體的密實度逐漸減小、孔隙率不斷增大，導(dǎo)致土體的抗剪強度不斷衰減，引起土體內(nèi)部應(yīng)力重分布[4]?？禹斖馏w應(yīng)力釋放，除了產(chǎn)生水平位移外，還會向下沉降[8]。

由于坑內(nèi)土體的開挖卸載，基坑底部有明顯的隆起，最大隆起量約為23.5 mm，如圖4所示；坑周土體沉降隨著基坑開挖深度的增大而增大，其沉降值呈現(xiàn)出隨著距坑邊緣距離的增大而逐漸減小的趨勢；開挖全部完成后，此時沉降達到最大值約6.89 mm，滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求。

圖4 開挖完成后基坑土體豎向位移云圖

基坑的開挖與支護完成后，基坑土體最大側(cè)移出現(xiàn)在了基坑底部坡腳處，最大側(cè)移值達到17.64 mm，見圖5。由圖6可以直觀看出基坑坑壁向基坑內(nèi)位移，坑底有一定的回彈隆起變形。基坑變形矢量集中在中上部，呈楔形狀，基坑底部有一定卸荷回彈量[9]。

圖5 開挖完成后基坑土體水平位移云圖

圖6 基坑開挖土體位移矢量圖

3.2 圍護結(jié)構(gòu)水平位移

基坑的圍護體系排樁是在第一步開挖后進行施工的，故樁體的水平位移從第二步開挖開始分析。由圖7可知：不同工況下，隨著基坑開挖深度的增加，墻后土體的水平位移逐漸增大，最大水平位移出現(xiàn)在基坑底部約為17.6 mm。出現(xiàn)這種變形是由于基坑的開挖會破壞墻體前后土壓力的平衡，并且隨著墻后土層的不斷變形，才可以重新獲得新的平衡。對于基底以下的圍護結(jié)構(gòu)，在墻體前被動土壓力的作用下，其變形不斷減弱，水平位移逐漸降低[10]。

圖7 支護結(jié)構(gòu)水平位移圖

3.3 基坑周圍地表沉降變形

從相關(guān)文獻和工程實踐經(jīng)驗可知，基坑外土體沉降變形主要有三角形和凹槽形兩種典型形狀[11]。為了研究基坑開挖對周邊地表沉降的變化影響，自基坑開挖邊緣向外每隔5 m設(shè)置一個監(jiān)測點，用來記錄坑外地表的沉降值[12]。地面沉降如圖8所示，為典型的凹槽形沉降曲線圖。基坑開挖完成后，地表沉降值最大的位置大概位于基坑邊緣外側(cè)15 m的地方，最大沉降值達到6.8 mm，之后隨離墻后距離的增加沉降值又逐漸減小，最后逐步趨于零。

圖8 地面沉降圖

3.4 頂管隧道變形

為了更加清晰的表示頂管隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎直位移，在每個結(jié)構(gòu)斷面分別選取(a、b、c、d)4 個點，如圖9所示。

圖9 各個隧道監(jiān)測點布置圖

頂管隧道位移確定方法如下[13]：

(1)

式中：xi為隧道第i個監(jiān)測斷面的水平位移;xci、xdi為i監(jiān)測斷面c、d處節(jié)點水平位移；zi為隧道第i個監(jiān)測斷面的豎向位移;zai、zbi為i監(jiān)測斷面a、b處節(jié)點豎直位移。

通過分析得出頂管隧道水平和豎向變形規(guī)律：

(1) 基坑開挖完成后頂管隧道結(jié)構(gòu)的水平位移表現(xiàn)為“左大、右小”的變化趨勢，即距離基坑越近水平位移越大。其中最大水平位移量為6.03 mm，最小水平位移量為0.29 mm。

(2) 左側(cè)兩隧道的豎向變形量明顯大于右側(cè)兩隧道，最大沉降位移量為3.11 mm，各部分變形均滿足頂管隧道結(jié)構(gòu)的安全使用要求。

(3) 基坑開挖施工對頂管隧道的不均勻變形影響的水平位移要強于豎向位移，因而頂管隧道在水平方向更容易出現(xiàn)拉彎破壞。

3.5 基坑影響分區(qū)及施工對策

根據(jù)基坑施工對周圍巖土體擾動和周邊環(huán)境的影響程度，可將基坑工程劃分為分為主要、次要和可能等三個工程影響分區(qū)[14]，見表6和圖10。

表6 基坑影響分區(qū)表

當隧道位于影響區(qū)時需要采取施工對策才能保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常使用，可采取下列措施：

(1) 對基坑底部以下土體，可以根據(jù)現(xiàn)場具體情況采取滿堂或局部旋噴樁加固措施。當既有隧道位于基坑側(cè)邊時，可主要對基坑被動區(qū)土體進行旋噴樁加固。對土體進行旋噴樁加固不僅能提高巖土體的密度，還能改善巖土體的抗剪強度指標，從而提高巖土體抵抗變形的能力[15]。

(2) 對頂管隧道周圍土體采用注漿加固的方式，提高土體的抗剪切能力。進而提高隧道抵抗變形的能力。

(3) 對基坑與隧道之間部位采用隔斷技術(shù)，主要是施作地下連續(xù)墻或者鋼管樁墻等措施，但其成本較高。

圖10 基坑影響分區(qū)圖

4 結(jié) 語

本文通過FLAC3D有限差分軟件對鄭州市金成時代廣場深基坑工程進行數(shù)值模擬，在采用樁錨支護結(jié)構(gòu)的支護方案下，分析了基坑開挖的穩(wěn)定性以及對鄰近既有下穿隧道的變形影響，得到了以下幾點結(jié)論：

(1) 驗證了基坑采用樁錨支護結(jié)構(gòu)的可行性，基坑支護結(jié)構(gòu)的水平變形特征為“兩端小、中間大”；地表沉降成拋物線形。符合基坑工程開挖的一般規(guī)律。

(2) 基坑開挖施工對頂管隧道的不均勻變形影響的水平位移要強于豎向位移，因而頂管隧道在水平方向更容易出現(xiàn)拉彎破壞。

(3) 采用對基坑被動區(qū)土體進行旋噴樁加固的措施，減弱其對頂管隧道的影響。