深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)對下穿既有隧道的影響

蘇 妮， 曹廣勇

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

基坑開挖必然使得周圍土體與附近隧道產(chǎn)生沉降變形，對隧道的運營構(gòu)成安全問題。既有隧道在運行過程中對于變形要求非常嚴(yán)格，隧道地鐵結(jié)構(gòu)物等的絕對沉降量及水平位移量至多20 mm，變形曲率半徑最小15 000 m，相對彎曲至多1/2 500。因此，合理地控制深基坑開挖引起的周邊土體與臨近隧道變形，確保基坑工程和鄰近運行隧道的安全可靠非常重要[1]。郭家武等[2-7]通過實際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得出，控制支護結(jié)構(gòu)變形可有效控制深基坑開挖的安全性。丁克偉等[8-9]通過實際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得出，修正摩爾本構(gòu)模型的數(shù)值計算對基坑周邊臨近建筑物變形控制是有效的。

本文以徐州市某工程為背景進行深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)對周邊土體與既有隧道的影響性分析，首先設(shè)計支護方案的常用構(gòu)成結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件 MIDAS/GTS按實際工程順序建立三維模型模擬計算結(jié)果，分析基坑開挖過程中形成的周邊土體變形以及對既有隧道的影響程度，同時還分析了支護方案中常用支護結(jié)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)，為今后解決含砂姜土質(zhì)下基坑開挖下穿隧道的支護結(jié)構(gòu)影響問題提供參考。

1 工程背景

本項目基坑長30.1 m，寬15.04 m，整個基坑開挖深度9 m左右?；拥募扔兴淼朗切陆ǔ墒褂玫碾p排近距頂管隧道，隧道埋深17.42 m，兩管道直徑2.02 m，兩平行隧道橫向間距2.02 m。隧道穿越徐洪河段全長592 m，位于含砂姜黏土層，采用雙排D2020的鋼管進行頂管施工。從地質(zhì)條件來說，該工程自上而下劃分共5層：粉土夾粉砂層(厚1.06 m)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(厚4.64 m)、粉土夾粉砂層(厚1.7 m)、黏土層(厚4.0 m)以及含砂姜黏土層。隧道所處地層為含砂姜黏土層，主要成分為黏土，具備黏性大、強度高、摩阻系數(shù)較大等特點。根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場勘測，地下水均屬于潛水，基坑開挖不考慮滲流影響。

2 數(shù)值模擬計算

本文數(shù)值模擬計算采用的有限元軟件為Midas/GTS。首先，假定土體與各個結(jié)構(gòu)屬性是各向同性均勻連續(xù)的，地層的初始應(yīng)力場是均勻分布的。通過對深基坑開挖常用支護結(jié)構(gòu)不同組合方案下的數(shù)值模擬來分析對周邊土體與既有隧道的影響性與重要程度。

2.1 支護結(jié)構(gòu)組合方案

本項目初始支護方案由基坑立柱、地連墻、圈梁與內(nèi)支撐、錨桿組成，基坑開挖分3步走，每次開挖3 m左右。首先，進行基坑立柱施工與地連墻的施工；其次，隨著基坑的開挖同步設(shè)置與基坑同尺寸的圈梁與支撐。0 m位置處的第1層圈梁和內(nèi)支撐，-3 m位置處設(shè)置第2層圈梁與內(nèi)支撐，-6 m處設(shè)置第3層圈梁與錨桿。第2個支護模擬方案組成為立柱與地連墻。第3個支護模擬方案為立柱、圈梁與內(nèi)支撐、錨桿。第4個支護模擬方案為地連墻與圈梁、支撐、錨桿。圈梁與支撐尺寸分別為0.8 m×1 m和1 m×0.8 m，地連墻的厚度為1 m，立柱樁直徑為0.9 m，錨桿直徑為0.025 m，長度為10 m。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

土體材料采用莫爾-庫倫模型，材料屬性為3D單元實體，通過擴展實體幾何進行3D網(wǎng)格劃分。基坑材料屬性為3D單元實體。地連墻與隧道通道采用彈性模型，材料屬性為2D板單元。圈梁、支撐采用彈性模型，材料屬性為1D板單元。錨桿是彈性模型1D植入式桁架單元，立柱樁為1D梁單元彈性模型，需要設(shè)置立柱樁約束，限制立柱豎向的自由度，以達到1D與3D的耦合。材料屬性及主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性及力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)據(jù)分析

土體網(wǎng)格模型如圖1所示。網(wǎng)格模型示意圖分為土體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖和基坑支護結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖。

(a)土體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 (b)基坑支護結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

3.1 對既有隧道的沉降影響

各支護結(jié)構(gòu)組合下既有隧道的位移變化如圖2所示。由圖2可得，當(dāng)基坑開挖的支護方案由基坑立柱、地連墻與圈梁、內(nèi)支撐、錨桿組成時，最后一步基坑開挖后隧道的位移變化值為13.4 mm，位移變化在規(guī)定范圍內(nèi)。同理，當(dāng)采用第2、第3、第4支護方案時，基坑開挖對既有隧道的最大位移變化值分別為14.7 mm、16.5 mm以及14.2 mm。所有方案對隧道位移變化的影響值均在規(guī)定范圍(不大于20 mm)內(nèi)。

(a)第1支護方案 (b)第2支護方案

(c)第3支護方案 (d)第4支護方案

3.2 對基坑周邊土體的沉降影響

各支護方案下周邊土體縱向位移變化如圖3所示。

(a)第1支護方案 (b)第2支護方案

(c)第3支護方案 (d)第4支護方案

由圖3可得，當(dāng)基坑開挖的支護方案采用初始方案時，最后一步基坑開挖后周邊土體的最大縱向位移變化值為8.5 mm，當(dāng)采用第2、第3、第4支護方案時，基坑開挖對周邊土體縱向的位移值分別為15 mm、110.8 mm和8.8 mm。

4 結(jié) 語

對下穿既有隧道基坑開挖的不同支護方案進行有限元分析，幾種方案的組合對隧道位移變化的影響值均在規(guī)范范圍內(nèi)。在這幾種支護結(jié)構(gòu)中，地連墻的存在無論是對既有隧道位移的影響還是對基坑周邊土體的影響皆最大。若僅考慮支護方案對隧道的影響，基于安全性與經(jīng)濟性的兩方面原因則最優(yōu)方案為第2支護方案，即由立柱與地連墻結(jié)構(gòu)組成的方案；若以安全第一則第1支護方案最佳；若考慮整體土體與既有隧道的安全性影響則第1支護方案和第4支護方案最佳。