城市框架式下穿隧道基坑穩(wěn)定性分析

摘 要：在城市下穿隧道施工基坑開挖的過(guò)程中，基坑穩(wěn)定性不僅影響工程的質(zhì)量和安全，對(duì)隧道跨線的既有結(jié)構(gòu)物也會(huì)有影響。利用有限元數(shù)值模擬的方式，對(duì)基坑開挖不同深度階段時(shí)的結(jié)構(gòu)物位移變形特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：基坑周圍地表沉降及水平位移受基坑開挖的影響范圍隨著開挖深度加深不斷增加；支護(hù)樁受周邊土壓力產(chǎn)生側(cè)向變形，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在開挖面附近；坑底隆起高度與開挖深度、基坑寬度有關(guān)系，開挖深度為主要影響因素，其最大值主要集中在基坑中心處且開挖深度越深，坑底越容易整體隆起。

關(guān)鍵詞：市政工程；下穿隧道；基坑穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U 45" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市交通量急劇增加，城市土地高度利用，下穿隧道等跨線結(jié)構(gòu)作為緩解城市交通壓力的重要形式也隨之涌現(xiàn)[1]。雖然目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)下穿隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響有一定研究，取得了很多成果，但研究集中在盾構(gòu)法施工，對(duì)明挖順筑法施工的地下框架隧道研究相對(duì)較少。

在下穿隧道基坑開挖過(guò)程中，基坑穩(wěn)定性不僅影響工程自身的質(zhì)量安全，對(duì)隧道跨線的既有結(jié)構(gòu)物也會(huì)有較大影響，為探究下穿隧道開挖過(guò)程中基坑穩(wěn)定性的變化規(guī)律，利用有限元數(shù)值模擬的方式，對(duì)基坑開挖不同深度階段的結(jié)構(gòu)物位移變形特性進(jìn)行研究，可判定基坑穩(wěn)定性，指導(dǎo)工程施工。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某城市五環(huán)路中擬建的成新蒲下穿隧道長(zhǎng)度為810m，設(shè)計(jì)為框架式隧道，下穿段采用圍護(hù)樁支護(hù)施工下穿成新蒲大道入城段，其余段落采用放坡開挖施工。圍護(hù)樁段基坑開挖深度為8.0～9.6m，采用直徑為1.2m，間距為2m的支護(hù)樁及樁間掛網(wǎng)噴漿防護(hù)，樁頂設(shè)置為0.8m×1.4m冠梁，基坑橫向設(shè)置兩道格構(gòu)柱，其下設(shè)?1.0m立柱樁（格構(gòu)柱插入立柱樁3m），其頂設(shè)0.8m×0.8m砼支撐，沿基坑縱向間距8m共計(jì)12排。

1.2 水文及地質(zhì)情況

場(chǎng)地地下水類型主要為第四系松散堆積層孔隙水，賦存于Q4al+pl的卵石層中。主要接受大氣降水補(bǔ)給，向低洼處排泄，透水性和富水性好，實(shí)測(cè)地下水位高程約為495.5m～500m。

下穿隧道線路所經(jīng)區(qū)域地層主要有新生界第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4me）和新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl），其中隧道基坑范圍內(nèi)從上至下依次穿越地層為填筑土、粉質(zhì)黏土、松散中砂、稍密卵石以及中密卵石，具體巖土參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，該工程處于新津—成都—德陽(yáng)隱伏斷裂東側(cè)，該斷裂構(gòu)造邛崍廻龍，向北經(jīng)新津、成都和廣漢達(dá)德陽(yáng)，成都位于斷裂帶構(gòu)造中點(diǎn)，新津以南稱為蒲江—新津斷裂，斷裂帶總體走向N400E，縱貫測(cè)區(qū)東部，南北綿延120km。該斷裂帶在汶川地震后發(fā)震次數(shù)少、震級(jí)小，其活動(dòng)性較弱，對(duì)擬建工程基本無(wú)影響。場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，場(chǎng)地區(qū)域穩(wěn)定性較好。

1.4 施工場(chǎng)地條件

成新蒲下穿隧道框架段和船槽段位于雙流區(qū)中電科地塊，地形較為平坦，交通較便利，周邊車流量較大。已拆除現(xiàn)狀地表紅線范圍內(nèi)建筑物，無(wú)農(nóng)作物，為大片平坦荒地，地表多為建筑垃圾和人工填土。項(xiàng)目紅線外中電科主體建筑已完工，其圍墻距隧道開挖邊線約為71m，對(duì)施工無(wú)影響。擬建框架隧道下穿在建成新蒲入城段，在建成新蒲入城段主線路面己鋪筑，己建DN500污水管位于框架底板下1.94m，西側(cè)船槽段既有水泥路距基坑坡口約為16.7m，西側(cè)船槽基坑坡口距己建中電科大樓圍墻約為64.9～71.4m，東側(cè)距現(xiàn)有雙楠大道約為65.1m。

2 建立有限元數(shù)值模型

結(jié)構(gòu)模型選取下穿隧道與現(xiàn)有道路相交段基坑為研究對(duì)象，圍護(hù)樁、冠梁及砼支撐均采用C30混凝土，格構(gòu)柱所用鋼材為Q235。模型X方向?yàn)榛訖M斷面，Y為縱斷面，Z向上為正。模型橫向范圍設(shè)置為50m，縱向選取15m。根據(jù)地基土物理力學(xué)指標(biāo)和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)物材料參數(shù)，用1m×1m的微小單元模擬基坑土體，土體符合摩爾—庫(kù)倫理論，建立基坑開挖數(shù)值模型如圖1所示。

3 模型計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 地表沉降和水平位移分析

隨著基坑開挖深度增加，基坑周圍地表會(huì)產(chǎn)生沉降和水平位移，并且上述地表土體變化還將會(huì)隨著深度變化呈現(xiàn)不同的發(fā)展規(guī)律[2]。為探明此規(guī)律，利用有限元模擬，建立不同開挖階段（深度）工況，得到地表沉降與地表水平位移隨不同開挖階段（深度）變化曲線，如圖2、圖3所示。

由圖2可知，當(dāng)開挖深度在3m時(shí)，基坑周圍地表沉降較小且均在0.5mm內(nèi)；當(dāng)開挖深度在6m及全部開挖時(shí)，最大沉降點(diǎn)分別出現(xiàn)在距離基坑1.2m和2.5m處，地表沉降量也在逐步增加，地表沉降最大值為9.6mm。表明隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降量、最大沉降點(diǎn)與基坑的距離也在增加。圖3與圖2相似，曲線變化呈現(xiàn)相同的發(fā)展規(guī)律，最大水平位移值為3.64mm。兩項(xiàng)曲線數(shù)據(jù)均表明，隨著開挖深度的增加，基坑周圍地表沉降和水平位移受基坑開挖的影響范圍不斷變大，地表沉降和水平位移的最大值并非出現(xiàn)在基坑邊緣，而是存在一定距離。

3.2 支護(hù)樁位移分析

在基坑開挖過(guò)程中，支護(hù)樁主要受周邊土壓力產(chǎn)生側(cè)向變形[3]。隨著開挖深度增加，樁體外漏部分逐漸變大，此時(shí)基坑主要采取支護(hù)樁、樁頂冠梁和樁間掛網(wǎng)噴漿等支護(hù)措施抵抗同樣變大的外側(cè)土壓力，樁體將產(chǎn)生水平位移。利用有限元模擬，建立不同開挖階段（深度）工況，得到支護(hù)樁水平位移隨不同開挖階段（深度）變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，初次開挖即當(dāng)開挖深度為3m時(shí)，由于支護(hù)樁頂部設(shè)有冠梁，因此支護(hù)樁受到冠梁的約束幾乎無(wú)水平位移（位移＜1mm）。隨著開挖深度增加，支護(hù)樁水平位移逐漸變大，同時(shí)最大位移點(diǎn)出現(xiàn)的位置也隨下移，直至開挖完成后，支護(hù)樁最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在開挖面附近，最大位移量為8.1mm。支護(hù)樁的水平位移變化呈非線性增長(zhǎng)，這種變化表明，支護(hù)樁所受外側(cè)土壓力從靜止土壓力逐步發(fā)展為極限土壓力，樁體位移逐漸變大且極值點(diǎn)逐步下移。

3.3 坑底隆起效應(yīng)分析

隨著開挖進(jìn)程，基坑土體卸荷量逐漸增加，坑底土體將會(huì)因卸荷作用隆起，而坑底隆起效應(yīng)是影響基坑穩(wěn)定性的重要因素[4]。利用有限元模擬，建立不同開挖階段（深度）工況，以基坑橫斷面為軸線，基坑中心處為原點(diǎn)，得到基坑底部隆起高度隨不同開挖階段（深度）變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知，坑底隆起高度與開挖深度和基坑寬度均有關(guān)系，基坑寬度的影響范圍具有上限（案例工程約為16m），當(dāng)基坑寬度超過(guò)上限后，對(duì)坑底隆起產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)，因此，影響坑底隆起高度的主要因素是基坑開挖深度[5]。根據(jù)圖5的曲線可以看出，不論處于何種開挖深度，坑底隆起高度的最大值均在基坑中心處。與前面2個(gè)階段開挖后坑底隆起高度由中心逐步向兩側(cè)降低不同，第三階段開挖后，坑底隆起量整體較大，均在距離基坑中心兩側(cè)7m內(nèi)，而后驟降。此現(xiàn)象表明，基坑開挖深度越深，坑底整體越容易隆起從而影響基坑穩(wěn)定性。在基坑工程中，尤其是深基坑，除應(yīng)該采取必要的支護(hù)措施外，還須嚴(yán)格控制開挖深度，越接近基坑底部越需要加強(qiáng)控制，嚴(yán)禁超挖。

3.4 內(nèi)支撐軸力分析

坑頂砼支撐是一種以支護(hù)樁產(chǎn)生水平位移為前提，發(fā)揮被動(dòng)作用的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。隨著基坑開挖進(jìn)程，支護(hù)樁位移不斷增加，內(nèi)支撐軸力也必定會(huì)增加。利用有限元模擬，得到基坑內(nèi)支撐軸力隨開挖深度變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，基坑內(nèi)支撐遵循“先撐后挖”的施工原則，當(dāng)基坑開挖至6m時(shí)，內(nèi)支撐軸力變化為平穩(wěn)增加，當(dāng)開挖深度＞6m時(shí)，軸力變化曲率明顯增加，說(shuō)明在基坑開挖過(guò)程中，當(dāng)深度超過(guò)一定程度后，內(nèi)支撐軸力會(huì)明顯變化。當(dāng)工程實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際受力情況確定支撐材料、截面尺寸以及支撐數(shù)量（豎向）。從曲線整體看，由于在基坑開挖過(guò)程中，內(nèi)支撐兩端即基坑側(cè)壁開挖進(jìn)尺不一致或未按照沿基坑中線對(duì)稱進(jìn)行開挖，因此內(nèi)支撐軸力并非呈線性變化而是具有波動(dòng)性。在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)基坑開挖管控，制定詳細(xì)的施工方案和工藝流程并嚴(yán)格執(zhí)行，保障基坑安全。

4 結(jié)論

利用有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)某城市五環(huán)路擬建下穿隧道基坑進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同開挖階段（深度）工況下基坑的穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：1）基坑周圍地表沉降和水平位移受基坑開挖的影響范圍是隨著開挖深度的加深而不斷擴(kuò)大，地表沉降和水平位移的最大值并非出現(xiàn)在基坑邊緣，而是存在一定距離。2）在基坑開挖過(guò)程中，支護(hù)樁主要受周邊土壓力影響產(chǎn)生側(cè)向變形，外側(cè)土壓力從靜止土壓力逐漸發(fā)展為極限土壓力，使樁體位移逐步增加且極值點(diǎn)逐步下移，并呈現(xiàn)極值點(diǎn)均在開挖面附近的規(guī)律。3）坑底隆起高度與開挖深度及基坑寬度有關(guān)系，基坑寬度影響范圍具有上限（案例工程約為16m），當(dāng)基坑寬度超過(guò)上限值后，其對(duì)坑底隆起產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)?；勇∑鸶叨茸畲笾抵饕性诨又行?，還隨著基坑開挖深度增加，坑底容易整體隆起從而影響基坑穩(wěn)定性，因此在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制開挖深度，嚴(yán)禁超挖。

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