基坑開挖對涉支護結(jié)構(gòu)下穿盾構(gòu)隧道變形的三維模擬與影響規(guī)律研究

(廣東省地質(zhì)建設(shè)工程集團公司，廣東 廣州 510080)

0 引 言

隨著城市化進程的日益加快，地鐵上蓋建筑越來越多，臨近或騎壓于地鐵隧道上方的基坑工程隨之增多(丁智等，2021；許四法等，2021；應(yīng)宏偉等，2021；張宏等，2021)。深厚軟土地層中的深基坑施工開挖勢必引起場地應(yīng)力的重新分布，打破基坑緊鄰地鐵隧道的受力平衡，若不嚴格控制基坑開挖過程中的施工效應(yīng)，受影響的地鐵盾構(gòu)隧道易出現(xiàn)因過大的不均勻沉降而導(dǎo)致的滲漏甚至接頭或主體結(jié)構(gòu)的破壞，極大影響地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常運營，因此需嚴格控制已運營地鐵軌道的變形(陳俊生等，2012；李健津等，2016)。

傳統(tǒng)的基坑設(shè)計規(guī)范方法只能計算支護結(jié)構(gòu)自身的受力和變形，無法評估基坑開挖對緊鄰隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，采用有限元軟件建立包括基坑支護結(jié)構(gòu)及周邊建構(gòu)筑物的三維數(shù)值模型是解決該問題的有效方法(溫科偉等，2018)。

近年來，對基坑施工引起的安全問題，尤其是地鐵隧道的安全問題進行了大量的數(shù)值模擬研究，并取得了一定的成果(王衛(wèi)東等，2004；黃宏偉等，2012；魏綱，2013；鄭剛等，2016；程康等，2020；葛鵬等，2020；魏綱等，2020)。深厚軟土地區(qū)埋深較淺的盾構(gòu)隧道必會影響基坑支護結(jié)構(gòu)的布置(隧道與支護結(jié)構(gòu)相涉)，導(dǎo)致受影響部分的支護結(jié)構(gòu)嵌固深度不足，踢腳位移和坑底隆起較大，因而對下穿隧道的變形產(chǎn)生重大影響。

然而，深基坑開挖對緊鄰既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律的研究尚顯不足。以珠海某大廈深基坑支護工程為例，結(jié)合以往的研究，采用Midas/GTS有限元軟件，建立有效的三維模型，對受不同下穿隧道影響的支護結(jié)構(gòu)的布置形式進行數(shù)值分析，為相關(guān)工程提供理論支撐和應(yīng)用參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

某大廈基坑支護工程項目占地面積為21 921 m2，2層地下室?；拥摹?.00標高相當于絕對標高的+4.3 m，兩層地下室基坑底相對標高為-11.1 m，基坑開挖深度約11.0 m，支護總長約555 m。場地的原始地貌屬濱海灘涂，現(xiàn)已填土整平。其中，基坑?xùn)|北角下方有某城軌盾構(gòu)隧道穿越，隧道頂距基坑底的最小豎向距離僅11.48 m?；觽?cè)壁安全等級為一級。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig. 1 Layout of foundation pit supporting structure

1.2 水文地質(zhì)工程地質(zhì)概況

場地區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水豐富，土質(zhì)情況較差，場內(nèi)地層發(fā)育，自上而下依次為人工填土2.2～22.3 m、淤泥0.4～20.6 m、黏土1.2～12.2 m、全風(fēng)化花崗巖0.6～6.8 m、強風(fēng)化花崗巖0.3～7.8 m、中風(fēng)化花崗巖3.0～5.7 m，地層分布不均。基坑開挖范圍主要為人工填土和淤泥，人工填土層較厚?；娱_挖前，在基坑周邊設(shè)置φ750@450的攪拌樁作止水帷幕，基坑周邊淤泥層最厚>17 m；基坑?xùn)|北角下方有某城軌盾構(gòu)隧道穿過，隧道上半部分位于淤泥層，擬采用φ700@400的水泥攪拌樁對坑內(nèi)進行加固，加固范圍為寬15 m、深15 m?？紤]基坑所處地質(zhì)條件和其他綜合因素，擬采用灌注樁+內(nèi)支撐支護，選用1 200 mm支護樁，間距1 400 mm，設(shè)置2道鋼筋混凝土支撐。基坑支護結(jié)構(gòu)平面布置見圖1，隧道與基坑支護結(jié)構(gòu)的典型剖面見圖2。

2 三維有限元模型的建立

2.1 基本情況

受下穿隧道的影響，支護樁樁底仍位于淤泥層中(圖2)，導(dǎo)致支護樁嵌固深度不足，影響基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。常規(guī)情況下，支護樁嵌固深度愈大，支護穩(wěn)定性愈好，但對于下穿隧道的情況，支護樁嵌固深度愈大，施工過程中對隧道的影響愈大。因此，利用三維有限元數(shù)值模擬分析支護樁底面與隧道頂面的豎向間距S以及支護樁邊緣與隧道邊緣的水平間距S1對基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移和隧道隆起變形的影響規(guī)律，確定短樁部分支護結(jié)構(gòu)的合理布置范圍，S和S1的幾何意義如圖3所示。三維有限元模型(圖4)取510 m×270 m×50 m(長×寬×高)的區(qū)域，上部為自由邊界，底部全約束，各側(cè)邊限制對應(yīng)方向的水平位移，根據(jù)抗彎剛度相等的原則，支護樁等效為連續(xù)墻，寬0.954 m。

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖(剖面位置見圖1)Fig. 2 Sections of foundation pit supporting structure (see Fig. 1 for section position)(a) Section 4-2-4-2；(b) Section 4′-4′

圖3 S和S1的幾何意義示意圖Fig. 3 Schematic diagram of geometric meaning of S and S1

圖4 Midas/GTS有限元模型Fig. 4 Midas/GTS finite element model

2.2 施工工況模擬

有限元模擬共設(shè)置下列7個施工工況：① 初始地應(yīng)力平衡，步位移清零；② 施工支護樁、冠梁、支撐立柱和第一道支撐；③ 基坑開挖至第二道支撐底，施工第二道支撐和對應(yīng)腰梁；④ 基坑開挖至坑底，施工完畢。

2.3 基本假定

該模型建立的基本假定主要如下：① 土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)體系和下穿盾構(gòu)隧道本構(gòu)模型采用線性彈性模型，有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)見表1；② 假定各土層均呈均質(zhì)水平分布，模型地層分布取下穿隧道部分基坑坑邊的最不利鉆孔(圖2中的ZK52)為代表；③ 不考慮基坑開挖過程中地下水的影響；④ 不考慮時間因素。

表1 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 支護樁底與隧道頂豎向間距S的影響模擬結(jié)果(S1=4 m)

根據(jù)支護樁底與隧道頂豎向間距S對隧道隆起量影響的模擬結(jié)果(圖5)、S對支護結(jié)構(gòu)東側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果(圖6)、S對支護結(jié)構(gòu)南側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果(圖7)，可得出支護結(jié)構(gòu)的水平位移和下穿隧道隆起量隨S的變化規(guī)律(圖8)。

圖8顯示：當S<4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移及隧道的隆起變形均隨S的增加而緩慢增加；當S≥4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移及隧道的隆起變形均隨S的增加而快速增加。隨著S的增加，支護樁的嵌固深度減小，支護結(jié)構(gòu)的整體剛度降低，坑底淤泥更易繞過支護樁底而隆起，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)水平位移和下穿隧道隆起變形增加。當S=5 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移為39.2 mm，超過其深層水平位移的監(jiān)測預(yù)警值(36.0 mm)；當S=4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移為35.3 mm，接近預(yù)警值。因此，建議S≤4 m?；涌拥滓韵氯杂休^厚的淤泥，為避免坑底產(chǎn)生不可控的隆起，實際工程中S=3 m，此時對應(yīng)的支護樁嵌固深度為8.48 m。

3.2 支護樁邊緣與隧道邊緣間距S1的影響模擬結(jié)果(S=3 m)

根據(jù)支護樁邊緣與隧道邊緣間距S1對隧道隆起量影響的模擬結(jié)果(圖9)、S1對支護結(jié)構(gòu)東側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果(圖10)、S1對支護結(jié)構(gòu)南側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果(圖11)，可以得出支護結(jié)構(gòu)水平位移和下穿隧道隆起量隨S1的變化規(guī)律(圖12)。

圖12顯示：當S1≤4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移及隧道的隆起變形均隨S1的增加而緩慢增加；當S1>4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移及隧道隆起變形均隨S1的增加而快速增加。隨著S1的增加，短樁分布范圍增加，支護結(jié)構(gòu)整體剛度相應(yīng)降低，淤泥從短樁底部涌入坑底的范圍更大，坑底隆起量增加，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)的水平位移和下穿隧道隆起變形增加；當S=6 m時，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移達36.9 mm，基坑?xùn)|側(cè)樁底踢腳位移為27.2 mm，超過支護結(jié)構(gòu)深層水平位移的監(jiān)測預(yù)警值(36.0 mm)以及支護結(jié)構(gòu)底部水平位移預(yù)警值(24.0 mm)。因此，建議S1≤4 m。實際工程中S1=4 m。

圖5 S對隧道隆起量影響的模擬結(jié)果示意圖Fig. 5 Simulation results diagrams of the influence of S on tunnel uplift

圖6 S對支護結(jié)構(gòu)東側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果示意圖Fig. 6 Simulation results diagrams of the influence of S on the eastern horizontal displacement of the supporting structure

圖7 S對支護結(jié)構(gòu)南側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果示意圖Fig. 7 Simulation results diagrams of the influence of S on the southern horizontal displacement of the supporting structure

圖8 支護結(jié)構(gòu)水平位移和下穿隧道隆起量隨S的變化規(guī)律1-支護結(jié)構(gòu)南側(cè)最大位移；2-支護結(jié)構(gòu)東側(cè)最大位移；3-下穿隧道最大隆起量Fig. 8 Changes of horizontal displacement of the supporting structure and uplift of underneath tunnels with respect to S

4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比較

根據(jù)上述分析，該大廈基坑支護工程涉下穿盾構(gòu)隧道部分的短樁布置范圍為S=3 m、S1=4 m。對支護結(jié)構(gòu)與下穿隧道相涉的位置均進行了相應(yīng)監(jiān)測(圖13、圖14)。圖14展示了開挖至坑底時Midas/GTS有限元軟件模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對比，其中，BCX1測斜管位于短樁處，管底未能進入相對穩(wěn)定的土層，測斜管位移以管口為相對零點，監(jiān)測支護樁底部的相對位移情況，深層位移監(jiān)測結(jié)果是相對的；S8測斜管位于正常長度的支護樁中，以管底位移為相對零點。

圖14顯示，基坑?xùn)|側(cè)的實測深層水平位移最大值為19.8 mm(預(yù)警值為36.0 mm)，支護結(jié)構(gòu)底部水平位移最大值為23.9 mm(預(yù)警值為24.0 mm)，均小于監(jiān)測預(yù)警值，同時，基坑?xùn)|側(cè)土體深層水平位移的監(jiān)測值與有限元模擬的結(jié)果具有良好的一致性。目前項目已完工，基坑支護結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果良好，基坑下穿某城軌盾構(gòu)隧道已建成通車，運行效果良好。

圖9 S1對隧道隆起量影響的模擬結(jié)果示意圖Fig. 9 Simulation results diagrams of the influence of S1 on tunnel uplift

圖10 S1對支護結(jié)構(gòu)東側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果示意圖Fig. 10 Simulation results diagrams of the influence of S1 on the eastern horizontal displacement of the supporting structure

圖11 S1對支護結(jié)構(gòu)南側(cè)水平位移影響的模擬結(jié)果示意圖Fig. 11 Simulation results diagrams of the influence of S1 on the southern horizontal displacement of the supporting structure

圖12 支護結(jié)構(gòu)水平位移和下穿隧道隆起量隨S1的變化規(guī)律1-支護結(jié)構(gòu)南側(cè)最大位移；2-支護結(jié)構(gòu)東側(cè)最大位移；3-下穿隧道最大隆起量Fig. 12 Changes of horizontal displacement of the supporting structure and uplift of underneath tunnels with respect to S1

圖13 基坑監(jiān)測平面布置圖Fig. 13 Foundation pit monitoring layout

圖14 計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比圖1-BCX1監(jiān)測結(jié)果；2-BCX1模擬結(jié)果；3-S8監(jiān)測結(jié)果；4-S8模擬結(jié)果Fig. 14 Comparison between calculation results and monitoring results

5 結(jié) 論

某大廈基坑支護工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水豐富，基坑開挖深度大，同時，東北角下穿涉支護結(jié)構(gòu)盾構(gòu)隧道，對基坑的支護結(jié)構(gòu)，尤其是與下穿隧道相涉部分的支護結(jié)構(gòu)的選型提出了較高要求。通過研究支護樁底面與隧道頂面的豎向間距S以及支護樁邊緣與隧道邊緣的水平間距S1對基坑支護結(jié)構(gòu)和隧道隆起的影響規(guī)律，探索涉下穿隧道的支護結(jié)構(gòu)的合理布置形式。主要結(jié)論如下。

(1) 深厚軟土地層中基坑開挖會導(dǎo)致下穿盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較大的隆起變形。

(2) 隧道頂部支護樁嵌固深度的減小對支護結(jié)構(gòu)變形和下穿隧道隆起均產(chǎn)生重要影響。當S<4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移以及隧道的隆起變形均隨S的增加而緩慢增加；當S≥4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移以及隧道的隆起變形均隨S的增加而快速增加。當S1≤4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移以及隧道的隆起變形均隨S1的增加而緩慢增加；當S1>4 m時，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移及隧道的隆起變形均隨S1的增加而快速增加。