基坑開挖對(duì)臨近隧道變形影響研究

郭繼勇

(新疆水利水電項(xiàng)目管理有限公司,烏魯木齊 830000)

1 概 述

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,城市密度大幅提高,地上空間資源利用緊張,而地下空間的高效利用可將土地資源利用率最大化,因此基坑工程的發(fā)展越來(lái)越迅速。但由于設(shè)計(jì)及施工不當(dāng),基坑變形及對(duì)臨近建筑的影響等問題在建設(shè)過程中時(shí)有發(fā)生。

為科學(xué)應(yīng)對(duì)基坑開挖過程中對(duì)臨近建筑物的影響,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。何忠明等［1］基于FLAC3D數(shù)值有限元,研究了深基坑施工對(duì)臨近地鐵隧道變形影響。結(jié)果表明,支撐剛度、地連墻厚度及嵌固深度對(duì)臨近隧道變形均會(huì)產(chǎn)生影響,隧道水平位移隨基坑施工時(shí)間變得越來(lái)越突出。白洋［2］基于有限元,分析了基坑開挖施工對(duì)鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,采用SMW工法樁+三軸攪拌樁止水帷幕進(jìn)行支護(hù),可以顯著減小基坑施工隨既有隧道的影響,達(dá)到保護(hù)隧道的目的。陳輝［3］基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了鄭州地區(qū)某臨近地鐵隧道的超大深基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道影響。結(jié)果表明,采用分區(qū)跳倉(cāng)施工可以大幅減少對(duì)既有隧道的影響,且隨著基坑的開挖,隧道表現(xiàn)出橫長(zhǎng)豎短的橢圓壓縮狀態(tài)。江威、齊娟［4］基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),研究了武漢地鐵二號(hào)線隧道兩側(cè)基坑工程開挖施工對(duì)臨近地鐵隧道的變形影響,分析隧道側(cè)移和沉降的原因,提出了合理的支護(hù)形式建議。詹劍青、劉添俊［5］基于數(shù)值模擬,研究了深基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道影響。結(jié)果表明,當(dāng)隧道在基坑正下方時(shí),開挖對(duì)隧道的影響最顯著;當(dāng)隧道在基坑側(cè)面時(shí),隧道的變形表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。馬永峰等［6］基于三維數(shù)值模擬,研究了軟弱土基坑開挖對(duì)臨近隧道的影響。結(jié)果表明,不進(jìn)行加固的基坑不能保證隧道的安全運(yùn)營(yíng),基坑開挖過程中要保證支撐剛度。馬永峰等［7］研究了軟土區(qū)臨近隧道基坑施工分析及方案優(yōu)化,通過方案比選給出了最優(yōu)基坑支護(hù)方案。張紅勇［8］基于數(shù)值模擬,研究了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道力學(xué)性狀的影響。結(jié)果表明,隧道變形和內(nèi)力改變隨基坑開挖深度的增大而增大,實(shí)際工程中要合理進(jìn)行支護(hù)。郭典塔等［9］基于有限元數(shù)值模擬,研究了緊鄰地鐵隧道基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,基坑深度、距離等參數(shù)對(duì)臨近隧道的變形有較明顯的影響,并在研究基礎(chǔ)上給出了基坑開挖合理的支護(hù)方式和施工工藝。

本文基于三維數(shù)值模擬,建立基坑開挖模型,研究深基坑開挖對(duì)臨近隧道變形的影響,為類似工程的施工及設(shè)計(jì)具提供參考與借鑒。

2 工程概況及數(shù)值模型

2.1 工程概況

研究區(qū)地處軟土帶,基坑開挖深度24m,面積13 500m2,其中基坑距旁側(cè)隧道的最小距離為8m。根據(jù)鉆孔資料,基坑巖層由上至下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、殘積土和強(qiáng)風(fēng)化安山巖。

2.2 模型建立

采用MIDAS軟件,建立典型三維數(shù)值計(jì)算模型,見圖1。為減小模型范圍對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,適當(dāng)增大建模范圍,其中模型長(zhǎng)×寬×高為200m×200m×50m。模型的邊界條件為:底面為3個(gè)方向全約束,四周約束水平位移,頂部為開挖自由邊界。巖土體計(jì)算本構(gòu)為摩爾-庫(kù)倫模型,巖土體、地下連續(xù)墻及內(nèi)支撐分別采用3D單元、2D板單元和1D桿單元,接觸面設(shè)置GOODMAN接觸單元。此外,為了與實(shí)際情況相符合,本文考慮列車荷載,在隧道底部施加20kN/m的線荷載。

2.3 材料參數(shù)

計(jì)算采用的巖土體材料參數(shù)主要基于鉆孔取樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)以及參考既有相關(guān)研究獲得,最終使用的材料參數(shù)匯總見表1。計(jì)算中,假定地連墻彈性模量、泊松比和重度分別為28GPa、0.21和25 kN/m3;內(nèi)支撐彈性模量、泊松比和重度分別為25GPa、0.15和24 kN/m3;襯砌結(jié)構(gòu)彈性模量、泊松比和重度分別為25GPa、0.22和25 kN/m3。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,隧道拱頂和左拱腰變形的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見圖2。由圖2可知,左拱腰水平位移和拱頂沉降位移數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi),表明本文的數(shù)值模擬是合理的。

圖2 隧道位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果

3.2 基坑與隧道間水平距離的影響

圖3為隧道拱頂和左拱腰隨著基坑距隧道距離變化的變形曲線。由表3可知,拱頂沉降曲線和左拱腰水平變形趨勢(shì)均表現(xiàn)出拋物線形態(tài)。拱頂和拱腰變形隨著距隧道距離的增大而減小,并在基坑中心處變形達(dá)到最大。當(dāng)基坑距隧道距離為4、6、8、10和12m時(shí),拱頂?shù)淖畲蟪两抵捣謩e為11、8.1、4.3、2.6和1.1mm。因此,當(dāng)水平距離大于8m時(shí),基坑開挖對(duì)隧道的變形影響減小。此外,左拱腰的最大水平位移值分別為13.6、8.1、6.6、4.0和2.5mm,且拱腰的水平位移峰值發(fā)生在基坑中部位置,隨著距離的增大,影響越來(lái)越不顯著。圖3表明,當(dāng)不考慮列車荷載時(shí),拱頂最大沉降值為9.1mm,而左拱腰最大水平位移為9.8mm。

圖3 隧道不同位置變形曲線

圖4為隧道開挖階段地下連續(xù)墻的變形規(guī)律。由圖4可知,地連墻的變形隨深度增大而先增大后減小。在深度為10m位置處,變形達(dá)到最大,最大值分別為16、13.4、11.2、10.3和9.6mm。因此,隨著距離的增大,基坑開挖對(duì)地連墻的變形影響也越來(lái)越弱。綜合以上分析得出,基坑與隧道的安全距離為大于8m。根據(jù)隧道拱頂和左拱腰的變形結(jié)果發(fā)現(xiàn),隧道變形均未超過規(guī)范規(guī)定的最大預(yù)警值,因此隧道是安全的。

圖4 地下連續(xù)墻變形曲線

3.3 地連墻嵌固深度影響

為了進(jìn)一步研究地連墻嵌固深度對(duì)隧道變形的影響,在地連墻嵌固深度分別為1、4、7和10m工況下,隧道拱頂和左拱腰處的變形曲線見圖5。

圖5(a)表明,當(dāng)?shù)剡B墻嵌固段深度由1m增大至10m時(shí),隧道拱頂?shù)某两涤砷_始的12.4mm減小至5.5mm,減小比例為55.6%。由此可見,增大地連墻嵌固深度對(duì)減小隧道變形有積極作用。圖5(b)為左拱腰在不同地連墻嵌固深度下的變形規(guī)律,總體來(lái)看,拱腰變形趨勢(shì)表現(xiàn)出與拱頂變形相同的規(guī)律。綜合以上分析,地連墻嵌固深度對(duì)隧道變形影響較大,但當(dāng)?shù)剡B墻嵌固深度增大至一定程度時(shí),其影響有限。對(duì)于本文基坑而言,地連墻合理嵌固深度為7m。

圖6為嵌固段深度對(duì)地連墻變形的影響。由圖6可知,增大嵌固深度可以顯著減小地連墻變形和基坑變形,但隨嵌固深度的進(jìn)一步增大,嵌固深度的影響逐漸變小。

圖5 隧道不同位置變形曲線

圖6 隧道不同位置變形曲線

4 結(jié) 論

本文基于數(shù)值模擬,研究了基坑開挖對(duì)臨近隧道的變形影響規(guī)律,結(jié)論如下:

1)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比,左拱腰水平位移和拱頂沉降位移的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi),表明本文的數(shù)值模擬是合理的。

2)拱頂沉降和拱腰變形隨著距隧道距離增大而減小,變形在基坑中心位移達(dá)到最大。當(dāng)基坑距隧道距離分別為4、6、8、10和12m時(shí),拱頂?shù)淖畲蟪两抵捣謩e為11、8.1、4.3、2.6和1.1mm。因此,當(dāng)基坑距隧道的距離大于8m時(shí),基坑開挖對(duì)隧道變形影響減弱。因此,實(shí)際基坑施工中需預(yù)留最小安全距離。

3)增大地連墻嵌固深度對(duì)減小隧道變形有積極作用。當(dāng)?shù)剡B墻嵌固段深度由1m增大至10m時(shí),隧道拱頂?shù)某两涤?2.4mm減小至5.5mm,但當(dāng)?shù)剡B墻嵌固深度增大至7m時(shí),嵌固段長(zhǎng)度對(duì)臨近隧道和支護(hù)變形的影響同樣逐漸減弱。