城市下穿隧道基坑開挖穩(wěn)定性特征分析

文章采用GTS NX軟件建立土體-圍護(hù)樁-內(nèi)支撐耦合模型，以沿湖路隧道為工程背景，研究了隧道基坑開挖過程中周邊地表沉降變形規(guī)律以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化特征。結(jié)果表明：隧道基坑開挖時(shí)周圍地層產(chǎn)生的最大水平位移位于第三道支撐以下1.5 m位置處，其值為6.47 mm；地表沉降規(guī)律表現(xiàn)為隨著距基坑的距離增大先急劇增大后又緩慢減小，地表沉降最大位置位于距左側(cè)基坑邊約2.5 m處，最大值為1.06 mm；立柱樁對(duì)基坑底部抗隆起具有一定的限制作用，支撐最大軸力位于第二道支撐，因此在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可以減小第二道支撐的間距，以提高基坑施工過程中的安全性。

城市下穿隧道；基坑開挖；數(shù)值模擬

U456.3A441553

作者簡(jiǎn)介：

錢志豪（1998—），碩士，工程師，主要從巖土與地下工程方面的研究工作。

0" 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地面交通日益擁擠，道路交叉口可通過設(shè)置下穿隧道實(shí)現(xiàn)主交通流的快速通行。而城市下穿隧道多修建在城市建筑物密集區(qū)、地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜、交通量較大的城市主干道下方，因此隧道在施工過程中易導(dǎo)致周邊土體和鄰近建筑物的不均勻沉降，以及地面管線的拉裂等破壞，使鄰近的建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力和變形，對(duì)基坑和周圍路面以及周圍建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響［1-2］。

國內(nèi)外對(duì)此展開大量研究，并取得較多成果。張濤等［3］運(yùn)用FLAC 3D軟件研究了土體-圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用下基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)體的受力變形特征。呂昌懷等［4］通過數(shù)值模擬研究了隧道施工時(shí)隔離樁對(duì)鐵路橋梁的橋墩、橋樁位移的影響，結(jié)果表明與未采用隔離樁相比，采用隔離樁后橋墩最大豎向位移與橋樁最大水平位移分別減小了68.5%、60.7%。吳昊等［5］基于滲流耦合理論，分析了基坑降水及開挖過程地表沉降及鄰近高架橋樁水平位移和豎直沉降分布規(guī)律。馬強(qiáng)［6］通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)基坑開挖完成后建筑物在遠(yuǎn)離基坑側(cè)產(chǎn)生最大沉降值，近基坑一側(cè)發(fā)生隆起。蔣沖等［7］通過建立考慮樁側(cè)土體受力狀態(tài)的基坑樁側(cè)土壓力力學(xué)模型，研究明挖隧道基坑施工時(shí)單排支護(hù)樁的受力特性，結(jié)果表明排樁的水平承載力隨樁距的減小而減小，隨樁-土界面粗糙度系數(shù)的增大而增大。

為了進(jìn)一步研究隧道基坑的開挖帶來的土體-圍護(hù)樁-內(nèi)支撐的耦合作用，本文以黃石市桂林南路下穿隧道為工程背景，采用Midas GTS NX軟件建立模型，對(duì)隧道基坑開挖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行深入的研究，分析隧道開挖過程中周圍土體和地表沉降變化規(guī)律以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，旨在為類似工程項(xiàng)目提供參考。

1" 工程概況

1.1" 工程簡(jiǎn)介

沿湖路隧道工程屬于黃石市桂林南路改造工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，隧道工程現(xiàn)狀交叉節(jié)點(diǎn)為十字形路口，節(jié)點(diǎn)處沿湖路為東西走向，其樁號(hào)里程為YK0+705～YK1+050。本次工程需拆除原李家坊立交橋，在原址新建沿湖路隧道，隧道基坑及結(jié)構(gòu)施工完畢后施工該節(jié)點(diǎn)處桂林南路上跨高架橋。沿湖路隧道設(shè)計(jì)為城市主干道，設(shè)計(jì)車速為60 km/h，雙向四車道。在隧道北側(cè)設(shè)置一處泵房及配電房。

1.2" 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

沿線自然地面標(biāo)高為19.92～21.13 m，地形起伏小，地勢(shì)起伏較為平緩。經(jīng)勘察揭露，地基土在勘探深度范圍內(nèi)，表層為路面、填土路基及耕土（Qml），以下為全新統(tǒng)沖積（Qal）、湖積（Q4l）流塑-軟塑狀黏性土、可塑狀黏性土、晚更新統(tǒng)沖積和沖洪積（Q3al+pl）黏性土和砂土層、第四系殘積（Qel）粉質(zhì)黏土、紅黏土層，下伏基巖為燕山期閃長(zhǎng)巖（δo5）和三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r（T1d2）。

沿線地下水可分為上層滯水、基巖裂隙水等。沿線上層滯水主要賦存于淺表人工填土層中，不具承壓性，其水量一般較小?；鶐r裂隙水主要賦存于下伏閃長(zhǎng)巖的基巖裂隙帶中。

1.3" 基坑支護(hù)方案

隧道基坑采用明挖順作法施工。隧道主體段最大開挖深度約為10.5 m，泵房處開挖深度約為14.7 m，開挖寬度為20.6～21 m，泵房處基坑局部開挖寬度達(dá)到27.9 m。結(jié)合周邊環(huán)境條件，該場(chǎng)地的水文地質(zhì)情況及基坑深度的不同，確定本基坑的安全等級(jí)為一級(jí)?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)方案為用灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，并在圍護(hù)樁外側(cè)采用高壓旋噴樁進(jìn)行帷幕封閉止水。隧道基坑支護(hù)橫斷面如下頁圖1所示。

城市下穿隧道基坑開挖穩(wěn)定性特征分析/錢志豪，吳" 立，李洋洋

2" 數(shù)值模擬

2.1" 數(shù)值模型的建立

以沿湖路隧道工程為背景，運(yùn)用Midas GTS NX軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。選取隧道泵房處剖面為典型斷面，泵房處基坑深度為14.7 m，模型邊界應(yīng)大于3倍開挖研究范圍，建立的計(jì)算模型尺寸為88 m（X軸）×35 m（Y軸），單元數(shù)量為2 952，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3 036，自由度數(shù)量為9 459。計(jì)算中模型所涉及的相關(guān)參數(shù)均取自工程實(shí)際。土體單元采用實(shí)體單元，本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。鉆孔灌注樁、立柱及內(nèi)支撐均采用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系采用彈性模型，各支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性參數(shù)見表2?？紤]力學(xué)邊界效應(yīng)，模型中力學(xué)邊界設(shè)置為：地表為自由面，四周及底面為固定邊界，采用法向位移約束。數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

2.2" 施工工況

（1）初始應(yīng)力場(chǎng)分析；（2）施工圍護(hù)樁及立柱，坑底加固；（3）地表增加20 kPa施工荷載，開挖至第一道支撐以下0.5 m，架設(shè)第一道支撐；（4）開挖至第二道支撐以下0.5 m，并架設(shè)第二道鋼支撐；（5）開挖至第三道支撐以下0.5 m，并架設(shè)第三道支撐；（6）開挖至泵房基坑底。

3" 結(jié)果分析

3.1" 基坑水平位移及地表沉降變形規(guī)律分析

圖3給出了隧道基坑開挖至基坑底時(shí)水平位移云圖。由圖3可知，當(dāng)基坑開挖至基坑底時(shí)，泵房處產(chǎn)生的最大水平位移為6.47 mm，其位置位于第三道支撐以下1.5 m位置處；而隧道處最大水平位移為8.65 mm，位于坑腳位置處。根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB42/T 159-2012）規(guī)定，一級(jí)基坑最大位移≤30 mm，二、三級(jí)基坑最大位移要求為≤80 mm。由此可以看出，基坑最大水平位移滿足規(guī)范要求。

圖4給出了隧道基坑開挖至基坑底時(shí)地表沉降位移云圖。由圖4可知，當(dāng)基坑開挖至基坑底時(shí)，地表沉降規(guī)律表現(xiàn)為隨著距離基坑的距離增大先急劇增大后又緩慢減小?；幼髠?cè)地表沉降最大值為1.06 mm，其位置距離基坑邊約2.5 m；基坑右側(cè)地表沉降最大值為1.05 mm，其位置距離基坑邊約3.0 m；隧道基坑隆起最大值為4.38 mm，其位置位于左側(cè)基坑底。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是基坑中部位于隧道立柱樁的正下方，立柱樁對(duì)基坑底部抗隆起起到一定的限制作用。此外，隧道本身的支護(hù)也可以看成對(duì)基坑下方的土體進(jìn)行了加固，對(duì)基坑的隆起變形起到了約束作用。

3.2" 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

圖5給出了隧道基坑開挖至基坑底時(shí)支撐的軸力云圖。由圖5可知，當(dāng)基坑開挖至基坑底時(shí)，產(chǎn)生最大軸力的位置處位于第二道支撐，其軸力值為726.7 kN/m；相應(yīng)地，第一道支撐的軸力為75.5 kN/m，第三道支撐的軸力為346.9 kN/m。由此可以看出，在進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整第二道支撐地間距，從而達(dá)到減小第二道支撐軸力的目的，以保證基坑施工的安全。

圖6給出了隧道基坑開挖至基坑底時(shí)圍護(hù)樁的彎矩云圖。由圖6可知，當(dāng)基坑開挖至基坑底時(shí)，圍護(hù)樁樁的彎矩分布規(guī)律為樁的彎矩兩端較小，中間偏下位置較大，最大值大約發(fā)生在第三道支撐位置處，圍護(hù)樁的最大正彎矩為1 500 kN/m，最大負(fù)彎矩為726.7 kN/m，且最大正負(fù)彎矩值產(chǎn)生位置均位于右側(cè)支護(hù)樁。其原因是右側(cè)基坑深度更深，其側(cè)向土壓力更大，從而導(dǎo)致右側(cè)支護(hù)樁承受很大的內(nèi)力。

4" 結(jié)語

本文以黃石市沿湖路隧道為工程背景，采用Midas GTS NX軟件建立土體-圍護(hù)樁-內(nèi)支撐耦合模型，分析隧道開挖過程中基坑水平位移和地表沉降變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)基坑開挖完成時(shí)，泵房處產(chǎn)生的最大水平位移為6.47 mm，其位置位于第三道支撐以下1.5 m位置處。根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB42/T 159-2012）規(guī)定的一級(jí)基坑最大位移≤30 mm，其基坑最大水平位移滿足規(guī)范要求。

（2）地表沉降規(guī)律表現(xiàn)為隨著距離基坑的距離增大先急劇增大后又緩慢減小?；拥乇沓两底畲笪恢梦挥诨幼髠?cè)距基坑邊約2.5 m處，最大值為1.06 mm，隧道基坑隆起最大值為4.38 mm，立柱樁對(duì)基坑底部抗隆起具有一定的限制作用。

（3）圍護(hù)樁的彎矩分布規(guī)律為樁的彎矩兩端較小，中間偏下位置較大，最大正負(fù)彎矩值產(chǎn)生位置均位于右側(cè)支護(hù)樁，最大軸力位于第二道支撐。在進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可調(diào)整其間距來減小支撐軸力，保證基坑施工的安全。

［1］石" 波，郭" 軍.隧道施工對(duì)鄰近建筑物和軌道交通隧道的影響分析［J］.公路交通技術(shù)，2015（2）：39-45.

［2］汪良旗，戚玉亮.基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響的分析方法研究［J］.廣州建筑，2017，45（3）：2-7.

［3］張" 濤，潘" 登.城市下穿隧道深基坑穩(wěn)定性研究［J］.湖南交通科技，2015（4）：122-124，134.

［4］呂昌懷，劉" 燕，張亮亮，等.明挖隧道與盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋變形影響及隔離樁效果［J］.鐵道建筑，2022，62（11）：118-121.

［5］吳" 昊，姚順意，薛勛強(qiáng)，等.基于滲流應(yīng)力耦合的基坑降水及開挖對(duì)鄰近橋樁的影響分析［J］.公路交通科技，2019，36（10）：59-66.

［6］馬" 強(qiáng).隧道基坑開挖對(duì)鄰近建筑物影響分析［J］.交通節(jié)能與環(huán)保，2022，18（3）：142-146.

［7］蔣" 沖，李天斌，梅松華，等.排樁支護(hù)明挖隧道基坑樁側(cè)極限抗力系數(shù)研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（7）：111-116.

20240320