深基坑近接施工對地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道影響數(shù)值分析

甄文戰(zhàn)　王春波

摘? 要：以成都地區(qū)深基坑近接地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工為依托，采用數(shù)值分析方法，考慮樁-土-隧道結(jié)構(gòu)的相互作用，建立了三維有限元計(jì)算分析模型，分析了基坑開挖對既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道影響;分析結(jié)果表明：隨著基坑開挖，引起臨近區(qū)間側(cè)基坑周邊地層及圍護(hù)樁變形增加，且呈現(xiàn)出臨既有線基坑邊中部大，向兩側(cè)逐漸減少的趨勢，充分反應(yīng)了基坑的空間三維特性;同時，盾構(gòu)隧道最大水平位移2.05mm，最大值位于臨近區(qū)間基坑邊中部;隧道結(jié)構(gòu)最大彎矩較初始狀態(tài)增幅約30%，剪力較初始狀態(tài)增幅約18%，但其數(shù)值均在盾構(gòu)區(qū)間隧道的承受范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果為后續(xù)類似工程提供了借鑒作用。

關(guān)鍵詞：深基坑;盾構(gòu)區(qū)間隧道;近接施工;數(shù)值分析

中圖分類號：TU431??????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，一方面越來越多的高層、超高層建筑不斷修建，其地下空間的開發(fā)逐步向超深、超大規(guī)模方向發(fā)展;另一方面由于城市軌道交通線網(wǎng)的加密、建筑場地條件限制等因素，出現(xiàn)了大量近接既有地鐵線新建深基坑工程，且距離越來越近;這勢必引起新建深基坑由基坑開挖卸載引起周圍土體變形并影響周邊地鐵設(shè)施的安全及正常使用。因此近接既有地鐵線深基坑工程已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基坑工程本身，不僅要確?；幼陨戆踩乙ＷC周邊既有線的安全及正常使用。除此外，深基坑工程對既有線影響變形分析又涉及到復(fù)雜的樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的問題。目前，鑒于其復(fù)雜性，評價深基坑施工對周邊環(huán)境的影響，無疑數(shù)值分析方法成為一種首選的強(qiáng)有力工具。

王航^[1]通過對蘇州地層臨近既有區(qū)間施工開挖工況進(jìn)行了計(jì)算分析，總結(jié)了其基坑及隧道的變形特性;宋海濱等^[2]針對臨近既有線基坑工程采用不同加固方式，對比分析了基坑變形特點(diǎn)，給出了合理的加固建議。

針對目前成都砂卵石地層特點(diǎn)，并考慮到該深基坑自身的特點(diǎn)：即基坑開挖深度大，開挖深度約31m，較區(qū)間隧道低8.2m;水平距離近，距離基坑約10m等;綜合考慮基坑自身風(fēng)險及環(huán)境風(fēng)險均較大等因素，以該項(xiàng)目深基坑近接地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工為依托，采用數(shù)值分析方法，考慮樁-土-隧道結(jié)構(gòu)的相互共同作用，建立三維計(jì)算分析模型，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2? 工程概況

2.1? 項(xiàng)目簡介

擬建項(xiàng)目基坑深度約31.0m，設(shè)6層地下室?；颖眰?cè)鄰近既有區(qū)間隧道，基坑邊線距離地鐵左線區(qū)間隧道最小水平凈距約10m。其中涉及區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，對應(yīng)線路縱坡為8‰，隧道采用300mm厚預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌環(huán)為內(nèi)直徑5.4m、外直徑6.0m。

2.2? 基坑與地鐵隧道關(guān)系

擬建項(xiàng)目基坑?xùn)|西向?qū)捈s138m（臨近地鐵區(qū)間范圍基坑寬約78m），南北向基坑長度約120m，基坑開挖深度約31m;其中基坑圍護(hù)樁距離2號線盾構(gòu)區(qū)間右線最小水平凈距10m，盾構(gòu)區(qū)間軌面埋深約21.5m?；优c地鐵盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系如圖1～2所示。

臨近地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道圍護(hù)樁（IJ范圍）采用直徑1500@2000mm旋挖樁，樁長約40.0m，豎向設(shè)置5道混凝土支撐+臨時立柱內(nèi)支撐體系，臨時立柱采用鋼構(gòu)立柱，鋼構(gòu)立柱在基底以下為鋼筋混凝土灌注樁（樁徑1.2m），基坑底以上為鋼構(gòu)柱外包C30混凝土。

3? 數(shù)值分析模型

3.1? 數(shù)值模型簡介

地鐵2號線區(qū)間隧道與項(xiàng)目基坑工程近似呈空間平行分布，采用大型巖土工程數(shù)值計(jì)算分析軟件Midas GTS NX，建立全基坑三維模型。模型x方向即區(qū)間隧道縱向取350m，模型y方向即區(qū)間隧道橫斷面方向取300m，基坑兩側(cè)均外擴(kuò)約1倍的基坑開挖寬度;模型豎向（z方向）按實(shí)際地質(zhì)情況取60m，隧道埋深約16.6m，模型底部距基坑坑底29m。模型中盾構(gòu)隧道襯砌用板單元模擬，基坑工程圍護(hù)樁、立柱樁、內(nèi)支撐、冠梁、砼腰梁采用梁單元模擬，錨索采用桁架單元模擬，其余單元用實(shí)體單元模擬，如圖3～4所示。

3.2? 模型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)該項(xiàng)目巖土工程詳細(xì)勘察報告，各層巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.3? 模型計(jì)算參數(shù)

本文重點(diǎn)分析項(xiàng)目基坑工程開挖對地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，為了達(dá)到數(shù)值模擬與實(shí)際工況相一致，根據(jù)現(xiàn)場施工組織及基坑開挖步序要求，數(shù)值模擬計(jì)算開挖步序詳見表2。其中初始工況需進(jìn)行位移清零及建立初始應(yīng)力場。

4? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1? 基坑周邊地層變形分析

圖5為基坑對應(yīng)不同工況下沿Y方向（即沿區(qū)間隧道橫向）位移云圖，由于篇幅所限，僅給出了工況2、工況圖9（開挖至隧道底）及工況11（基坑見底）下的變形云圖。由圖可知隨著基坑開挖深度的增加，地層沿Y向變形值也逐漸增大;當(dāng)基坑開挖完成時，最大變形值為7.4mm（臨近區(qū)間側(cè)最大值約6mm），且最大值發(fā)生在該側(cè)基坑邊中部，這也充分反應(yīng)出了基坑的三維空間效應(yīng)，與實(shí)際監(jiān)測變形數(shù)值變形規(guī)律一致。

4.2? 圍護(hù)樁變形分析

圖6為圍護(hù)樁對應(yīng)不同工況下沿Y方向（即沿區(qū)間隧道橫向）位移云圖，如前所述，由于篇幅所限，僅給出了三種工況下的圍護(hù)樁變形圖;由圖可知，圍護(hù)樁變形規(guī)律與基坑周邊土體變化規(guī)律基本一致，即臨近該側(cè)基坑邊中部變形值最大，變形值約6mm。

4.3? 區(qū)間隧道水平位移分析

圖7為盾構(gòu)區(qū)間隧道沿隧道橫向位移云圖，由該圖可知，隨著基坑的開挖，隧道的水平變形趨于不均勻，可知此時對隧道的受力更為不利，最大變形位于臨既有線側(cè)基坑邊中部，最大值約2.05mm;圖8為不同工況下隧道水平變形曲線，由該圖可知，隨著基坑的開挖，隧道變形主要出現(xiàn)在工況8之后，即隧道范圍及以下土體開挖階段，因此應(yīng)重視對應(yīng)范圍內(nèi)土體開挖步序及支撐架設(shè)情況，避免隧道產(chǎn)生較大的變形。

4.4? 區(qū)間隧道內(nèi)力分析

圖9為基坑見底后隧道彎矩云圖，由圖可知，基坑開挖完成后對應(yīng)的最大彎矩為105KN.m，根據(jù)既有管片及配筋，經(jīng)核算滿足受力要求;圖10為不同工況下彎矩變化曲線圖，由圖可知，隨著基坑的開挖，隧道彎矩內(nèi)力也逐步增大，增幅約30%。

圖11為基坑見底后隧道剪力云圖，由圖可知，基坑開挖完成后對應(yīng)的最大剪力為120.9KN，根據(jù)既有管片及配筋，經(jīng)核算滿足受力要求;圖12為不同工況下剪力變化曲線圖，由圖可知，隨著基坑的開挖，隧道剪力也逐步增大，增幅約18%。

6 結(jié)語

本文通過上述三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

1）隨著基坑開挖，引起臨近區(qū)間側(cè)基坑周邊地層及圍護(hù)樁變形增加，向坑內(nèi)的變形約6mm，且呈現(xiàn)出該側(cè)基坑邊中部大，向兩側(cè)逐漸減少的趨勢，充分反應(yīng)了基坑的空間三維特性。

2）盾構(gòu)隧道的變形隨著基坑的開挖不斷增加，隧道最大水平位移2.05mm，最大值位于臨近區(qū)間側(cè)基坑中部;同時最大隧道拱頂沉降0.59mm，拱底隆起0.37mm，水平向的變形量均大于豎向的變形量。

3）盾構(gòu)隧道的內(nèi)力隨著基坑的開挖不斷增加，隧道結(jié)構(gòu)最大彎矩為105.1KN.m，較初始狀態(tài)增幅約30%，剪力為120.9KN，較初始狀態(tài)增幅約18%，其數(shù)值均在盾構(gòu)隧道的承受范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王航. 建筑基坑近接施工對地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道影響分析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化， 2017， 第6期： 238-240.

[2] 宋海濱， 李剛柱，? 殷劉帥. 深基坑對緊鄰地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道變形的影響性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2013 （03）： 97-101.