基于深基坑開挖對(duì)鄰近既有地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)變形影響的數(shù)值分析

［摘 要］本文以H中心項(xiàng)目基坑鄰近既有地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)為工程背景，簡(jiǎn)要說明基坑與隧道的位置關(guān)系、設(shè)計(jì)參數(shù)和施工保護(hù)措施等工程信息，詳細(xì)介紹采用MIDAS GTS NX軟件，模擬計(jì)算因基坑施工期間荷載變化所引起的鄰近地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，對(duì)比自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證所采用的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工措施效果，研究分析深基坑開挖對(duì)鄰近既有地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)及軌道的變形影響規(guī)律，為類似工程提供參考。

［關(guān)鍵詞］深基坑；地鐵隧道；數(shù)值分析；模擬計(jì)算；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

［中圖分類號(hào)］TU75文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，鄰近既有地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)的基坑施工情況不斷增多。為保證基坑施工及地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的允許變形量要求非常嚴(yán)格，尤其是社會(huì)關(guān)注度極高的正在運(yùn)營(yíng)的線路。鑒于地鐵結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全的重要性，本文以H中心項(xiàng)目基坑鄰近既有地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)施工為背景，采用MIDAS GTS NX軟件，模擬計(jì)算基坑施工全過程對(duì)地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，對(duì)比自動(dòng)化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究分析變形規(guī)律并給出結(jié)論和建議。

1 工程概況

H中心項(xiàng)目基坑長(zhǎng)約220 m，寬約210 m，總面積約為38 100 m2?；硬捎忙?000@1300鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，嵌固深度6.7 m。支護(hù)形式主要有1 000×1 000 mm鋼筋混凝土內(nèi)支撐、Φ609鋼管內(nèi)支撐、圍護(hù)樁+錨索、雙排樁+錨索與雙排樁+錨索+斜撐五種形式?；余徑罔F聯(lián)絡(luò)線隧道的開挖深度為21.3 m，鄰近聯(lián)絡(luò)線東端的豎井附近的開挖深度為17.3 m。

1.1 基坑與隧道關(guān)系

基坑西南鄰近地鐵1、2號(hào)線聯(lián)絡(luò)線，聯(lián)絡(luò)線長(zhǎng)度約為266.37 m，西端埋深較深約為18.36 m，東端埋深較淺約為11.19 m。聯(lián)絡(luò)線位于基坑西南方向，結(jié)構(gòu)基本平行于基坑開挖邊線，隧道橫斷面寬約5.7 m，高約6 m，隧道結(jié)構(gòu)厚度約0.35 m，西側(cè)距離基坑15.7 m，南側(cè)距離基坑8.6m。

1.2 工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地的地基土按照自上而下為：層雜填土；1層粉質(zhì)黏土；2層粉質(zhì)黏土；4層粉質(zhì)黏土；6層粗砂；1層全風(fēng)化泥巖；2層強(qiáng)風(fēng)化泥巖；3層中風(fēng)化泥巖。

1.3 施工保護(hù)措施

采取隔樁施工鉆孔灌注樁，在相鄰兩根樁的混凝土達(dá)到70 %以上設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，方可成孔施工，減小擠土效應(yīng)影響；鄰近地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)一側(cè)采取雙排樁+錨索+斜撐支護(hù)結(jié)構(gòu)；對(duì)既有地鐵臨時(shí)施工豎井采取注漿加固措施；在基坑施工過程中，對(duì)既有地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)及軌道采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)措施［1］。

2 數(shù)值建模分析

2.1 建模軟件簡(jiǎn)介

本工程采用三維有限元軟件MIDAS GTS NX對(duì)基坑施工期間因荷載變化所引起的地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)變形過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析基坑施工不同荷載變化對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響變形量。MIDAS GTS NX是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的有限元分析專業(yè)軟件，支持多種分析類型，適用于基坑、樁基、隧道、地鐵等各種工程，可針對(duì)鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)的基坑開挖工程準(zhǔn)確建模與分析。

2.2 有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX軟件模擬計(jì)算，建立“地層與結(jié)構(gòu)”的三維有限元分析模型。在有限元分析時(shí)，假設(shè)模型的各土層為理想彈塑性均勻介質(zhì)，遵循修正摩爾庫倫模型（Modified Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則，地鐵隧道結(jié)構(gòu)和基坑鉆孔圍護(hù)樁等為理想線彈性均勻介質(zhì)，采用彈性本構(gòu)模型［2］。

根據(jù)基坑與周邊地鐵結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，模型長(zhǎng)度方向（X向）的尺寸取411m；為了避開基坑開挖影響，模型寬度方向（Y向）的尺寸取427 m；根據(jù)圍護(hù)樁長(zhǎng)度、基坑深度、隧道埋深等因素確定模型高度方向（Z向）取60 m。模型采用四面體和六面體單元混合計(jì)算，共劃分單元300 965個(gè)，節(jié)點(diǎn)141 277個(gè)，有限元模型，如圖1所示。

2.3 計(jì)算參數(shù)、本構(gòu)關(guān)系及邊界條件

2.3.1 計(jì)算假設(shè)

考慮到實(shí)際工程面積大，在數(shù)值模擬中不可能完全還原實(shí)際工程情況，因此在有限元計(jì)算中進(jìn)行以下的簡(jiǎn)化和假設(shè)：土體和結(jié)構(gòu)材料為均勻介質(zhì)，連續(xù)且各項(xiàng)同性，其物理力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確可靠；地表面和各土層呈水平層狀分布的均勻介質(zhì)；在建立模型計(jì)算時(shí)，初始地應(yīng)力為土體的自身重力，不考慮巖土體和地下水的構(gòu)造應(yīng)力，模擬計(jì)算的模型變形即為施工所引起的土體變形，且不考慮時(shí)間效應(yīng)；基坑開挖施工期間，既有隧道結(jié)構(gòu)考慮非地震組合工況；假定地鐵隧道、基坑圍護(hù)樁及土體三者遵循變形協(xié)調(diào)原則；施工處于正常良好的控制條件下；將基坑圍護(hù)樁通過抗彎剛度按地下連續(xù)墻等效計(jì)算（即EI相等）。

2.3.2 計(jì)算參數(shù)

第一，土體各項(xiàng)參數(shù)為工程地質(zhì)勘查報(bào)告和已有經(jīng)驗(yàn)取值。第二，基坑開挖是土體應(yīng)力卸載的過程，因此在有限元數(shù)值計(jì)算中應(yīng)考慮土體的回彈模量，修正摩爾庫倫準(zhǔn)則中可以較好模擬土體卸載的過程，并加入了卸載彈性模量，其值為壓縮模量Es的3倍。土的強(qiáng)度采用三軸固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)。第三，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道二襯等結(jié)構(gòu)的單元類型。分析中假設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均處于彈性階段。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)重度均為25 kN/m3，彈性模量30 GPa，鋼材的重度為78.5 kN/m3，彈性模量為206 GPa［3］。

2.3.3 本構(gòu)關(guān)系

采用修正摩爾庫侖本構(gòu)模型進(jìn)行土體本構(gòu)關(guān)系的彈塑性計(jì)算，采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性計(jì)算。

2.3.4 模型邊界條件

模型計(jì)算過程中，各層土體均按天然重度計(jì)算，計(jì)算荷載包含土體和結(jié)構(gòu)的自重荷載。位移變形的邊界條件為：土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，四周為法向約束［4］。

3.4 模擬工況計(jì)算結(jié)果

如圖2所示，C2位置處隧道結(jié)構(gòu)埋深約為11.19 m，F(xiàn)位置處隧道結(jié)構(gòu)埋深約為18.36 m，根據(jù)土力學(xué)基本原理，向基坑內(nèi)的水平位移最大部位應(yīng)發(fā)生在埋深較淺位置，與數(shù)值模擬結(jié)果相同，模型內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的位移方向?yàn)閅向。

根據(jù)基坑施工各工況模擬計(jì)算的隧道結(jié)構(gòu)變形，地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大值和沉降最大值在第15荷載步出現(xiàn)，即21.3 m基坑土體開挖全部完成時(shí)。最大水平位移為2.4 mm小于變形控制值，位置處于鄰近基坑一側(cè)隧道二襯側(cè)壁；最大沉降為2.5 mm小于變形控制值，最大變形部位處于隧道結(jié)構(gòu)頂；每10米差異沉降最大值為0.2mm，差異沉降值遠(yuǎn)小于變形控制值［5］，如圖3、圖4所示。

3 隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本工程采用3臺(tái)徠卡TS60磁懸浮式全站儀和3套自動(dòng)化監(jiān)測(cè)終端控制器及配套硬軟件組成既有地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，每10 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共布設(shè)27個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)2個(gè)道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2個(gè)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)108個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

基坑施工期間，監(jiān)測(cè)終端控制器遠(yuǎn)程設(shè)置觀測(cè)模式、頻率、限差等參數(shù)，自動(dòng)觀測(cè)、記錄、發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象參數(shù)至監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)；平臺(tái)軟件則自動(dòng)平差處理觀測(cè)數(shù)據(jù)、生成報(bào)表和變化曲線、發(fā)布預(yù)警。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及施工降水階段的監(jiān)測(cè)頻率為2次/d，基坑開挖施工階段的監(jiān)測(cè)頻率為4次/d，結(jié)構(gòu)施工階段的監(jiān)測(cè)頻率為2次/d［6］。

3.4 監(jiān)測(cè)控制值

按照《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，結(jié)合有限元模型計(jì)算結(jié)果、類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、根據(jù)本工程特點(diǎn)，綜合確定地鐵隧道及軌道結(jié)構(gòu)變形控制值，如表1所示。監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)：控制值的70 %為預(yù)警值，控制值的80 %為報(bào)警值。

4 模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)變形對(duì)比分析

如圖5、圖6所示，地鐵隧道自西向東為隧道長(zhǎng)度增量方向，沉降變形值隆起方向?yàn)檎?，位移變形值向基坑方向?yàn)檎?，模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)變形情況對(duì)比如下。

4.1 沉降變形

第一，地鐵隧道軌道實(shí)測(cè)變形大于結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)變形或模擬計(jì)算變形。第二，隧道結(jié)構(gòu)及軌道實(shí)測(cè)變形同步，呈“M”形，隧道中部變形最大；模擬計(jì)算變形為西低東高，呈倒“V”形。第三，軌道實(shí)測(cè)沉降在隧道140 m處變形最大，沉降值為4 mm，同斷面的結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)沉降值為3 mm，模擬計(jì)算沉降值為1.7 mm；隧道結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)沉降在隧道130 m處變形最大，沉降值為3.1 mm，同斷面的軌道實(shí)測(cè)沉降值為3.9 mm，模擬計(jì)算沉降值為1.5mm；模擬計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)沉降在隧道220～240 m范圍變形最大，沉降值為2.5mm，對(duì)應(yīng)位置的軌道實(shí)測(cè)沉降最大值為3.4mm，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)沉降最大值為2.5 mm。第四，軌道實(shí)測(cè)19處和結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)2處變形超過監(jiān)測(cè)控制值，模擬計(jì)算結(jié)果均小于控制值［7］。

4.2 水平位移變形

第一，地鐵隧道結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)變形>軌道實(shí)測(cè)變形>模擬計(jì)算變形。第二，隧道結(jié)構(gòu)及軌道實(shí)測(cè)變形同步，呈拱形，中部變形最大；模擬計(jì)算變形為自西向東逐漸增大后減小，東部變形最大。第三，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)位移在隧道110～130 m范圍變形最大，位移值為4.2 mm，對(duì)應(yīng)位置的軌道實(shí)測(cè)最大值為3.7 mm，模擬計(jì)算最大值為1.9 mm；軌道實(shí)測(cè)位移在隧道160 m處變形最大，位移值為3.9 mm，同斷面的結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)位移值為4.2 mm，模擬計(jì)算位移值為2.3 mm；模擬計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)位移在隧道220～240 m范圍變形最大，位移值為2.9 mm，對(duì)應(yīng)位置的軌道實(shí)測(cè)位移最大值為3.6 mm，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)位移最大值為4 mm。第四，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)25處和軌道實(shí)測(cè)23處變形超過監(jiān)測(cè)控制值，模擬計(jì)算結(jié)果均小于控制值［8］。

5 結(jié)語

本文采用三維有限元軟件MIDAS GTS NX模擬計(jì)算深基坑施工全過程對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)和軌道的變形影響，對(duì)比隧道結(jié)構(gòu)及軌道自動(dòng)化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究分析并得出如下結(jié)論：

地鐵隧道結(jié)構(gòu)和軌道變形主要受基坑開挖深度、基坑與隧道距離、支撐和錨索及時(shí)性等影響。在距基坑15m范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)和軌道變明顯形，且隨基坑開挖深度與隧道埋深的差值增加而增大。基坑開挖施工過程中，距基坑小于15 m范圍內(nèi)的隧道宜采取加密監(jiān)測(cè)斷面、增加監(jiān)測(cè)頻率等加強(qiáng)監(jiān)測(cè)措施，尤其是基坑深度較隧道埋深差值較大等易發(fā)生明顯變形的位置［9］。

受深基坑施工影響，地鐵隧道結(jié)構(gòu)和軌道發(fā)生明顯隆起和向基坑一側(cè)位移變形，且已超過監(jiān)測(cè)控制值，最大變形位于隧道中部?；邮┕で埃瞬扇「綦x和加強(qiáng)支護(hù)措施，減小基坑開挖對(duì)隧道的影響；基坑施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工順序和分層開挖深度作業(yè)，嚴(yán)格遵循先圍護(hù)、后開挖原則，當(dāng)基坑開挖面上方的支撐未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，嚴(yán)禁向下超挖，未達(dá)到拆撐條件時(shí)，嚴(yán)禁拆除支撐［10］。

數(shù)值模擬計(jì)算變形明顯小于實(shí)測(cè)變形，原因是考慮土體應(yīng)變影響的三維數(shù)值分析雖然能夠較好反映基坑開挖對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響，但由于有限元模型及土體本構(gòu)關(guān)系的特點(diǎn)，難以模擬計(jì)算基坑開挖后支護(hù)不及時(shí)、暴露時(shí)間過長(zhǎng)等復(fù)雜時(shí)空效應(yīng)影響，以及基坑圍護(hù)樁與雙排樁施工過程的擠土效應(yīng)影響，因此計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值。

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［作者簡(jiǎn)介］劉鷹，男，遼寧沈陽人，中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：隧道變形數(shù)值分析。