摘 要:利用Midas-GTS,對基坑開挖方式對隧道變形影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明,基坑分塊開挖能減小隧道的最大豎向位移,在底板澆筑前,能縮短隧道最大變形的暴露時間。
關(guān)鍵詞:開挖方式;盾構(gòu)隧道;數(shù)值模擬
1 建立數(shù)值模型
1.1 工程背景
(1)待開挖的基坑:本基坑的尺寸為15m×15m×10m;沿基坑深度方向設(shè)2道內(nèi)支撐,深度分別為3m、6m(離基坑底部分別為7m、4m),支撐采用鋼支撐,支撐尺寸為直徑φ=800mm、厚度t=14mm,相鄰的支撐相隔6m;圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用挖孔支護(hù)樁,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸為直徑φ=1200mm,埋深12m(深入基坑底2m),相鄰的攪拌樁樁相隔1.6m。(2)下方地鐵盾構(gòu)隧道:隧道的外徑為6m,襯砌結(jié)構(gòu)厚度為0.3m,內(nèi)徑為5.4m。(3)基坑與地鐵盾構(gòu)隧道的相對位置:盾構(gòu)隧道位于待開挖基坑的正下方,隧道拱頂至基坑底部6m,至地面16m。總體待研究的模型截面示意圖如圖1所示。
1.2 模型的材料參數(shù)
根據(jù)工程實測數(shù)據(jù),本模型選定的土層是淺巖區(qū)的土層,由雜填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖等構(gòu)成[1]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用挖孔支護(hù)樁(φ=1200mm),內(nèi)支撐選用鋼支撐(φ=800,t=14)形式,隧道的襯砌為混凝土C50(t=300mm)的盾構(gòu)管片,基坑底板為鋼筋混凝土C40(t=600mm)。本模型的土體參數(shù)及各結(jié)構(gòu)參數(shù)具體如表1[2]。
1.3 模型的計算范圍
本模型模擬的是整個基坑開挖的過程,根據(jù)工程經(jīng)驗[3],土體對于基坑的影響范圍,水平影響范圍是基坑開挖深度的3倍,豎直影響范圍是基坑開挖深度的2.5倍。本模型的基坑深10m,為了能充分包裹全部的影響區(qū)域,本模型的截面水平寬度取100m,深度取50m,形成一個100m×80m的矩形區(qū)域。
1.4 模型的變形控制標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)相關(guān)規(guī)定,運(yùn)營地鐵隧道在受到外界各種加卸載活動的干擾,產(chǎn)生的影響必須符合以下三點[4]:地鐵隧道的豎向絕對沉降量為20mm,水平位移量為20mm;地鐵隧道最大的上浮位移量為15mm;相對彎曲為1/1500。
1.5 基坑開挖步驟
本模型在進(jìn)行有限元模擬分析時,對具體的施工過程利用MIDAS/GTS里面的施工階段,簡化為下面幾個步驟進(jìn)行模擬:
(1)在基坑兩側(cè)設(shè)置挖空支護(hù)樁;(2)開挖第一層土層(第一層土體厚度4m,開挖至離地面深4m);(3)設(shè)置第一道內(nèi)支撐(在離地面深3m處架設(shè)第一道鋼支撐);(4)開挖第二層土層(第二層土體厚度3m,開挖至離地面深7m);(5)設(shè)置第二道內(nèi)支撐(在第一道支撐下深3m處架設(shè)第二道鋼支撐,離地面深6m);(6)開挖第三層土層(第三層土體厚度3m,開挖至離地面深10m至基坑坑底);(7)澆筑基坑底板,基坑開挖完成。
2 數(shù)值模擬分析結(jié)果
2.1 全斷面開挖
通過MIDAS/GTS對各施工模擬計算,得出在開挖方式為全斷面開挖時,各施工階段的水平位移和豎向位移最大值如下表2。
從表2數(shù)據(jù)可以看出,施工階段(1)至施工階段(6),隧道最大的水平位移變化是呈增加趨勢,最大值出現(xiàn)在基坑開挖至基坑底部時。在施工階段(3)、(5)、(7),水平位移比上施工階段略微減少,原因是在支護(hù)條件下,鋼支撐、基坑底板等對對土體產(chǎn)生了約束作用,從而減少了隧道的水平位移。
施工階段(1)至施工階段(7),隧道底部的豎向位移變化是呈增加趨勢,最大值出現(xiàn)在基坑開挖至基坑底部(階段(6))時。在施工階段(3)、(5)、(7),水平位移比上施工階段略微減少,原因是在支護(hù)條件下,鋼支撐、基坑底板等對對土體產(chǎn)生了約束作用,減少了基坑下方土體的隆起量,從而減少了隧道的豎向位移。由于挖孔支護(hù)樁的重度比土體的重度大,而隧道上方的土體并未被擾動,所以在架設(shè)挖孔支護(hù)樁階段,隧道頂部產(chǎn)生的豎向位移是豎直向下的。在基坑開挖階段,由于基坑開挖造成原土層應(yīng)力的釋放,產(chǎn)生土體回彈,這時隧道頂部產(chǎn)生的豎向位移是豎直向上的。
2.2 分塊分區(qū)開挖
在實際的基坑工程中,基坑開挖是采用分塊分區(qū)的形式開挖的,根據(jù)上節(jié)的分析數(shù)據(jù),下臥隧道的最大位移出現(xiàn)在基坑開挖的第六個階段,即開挖至基坑底部?,F(xiàn)將該開挖階段采取分塊開挖的方式,將開挖土體平均分為5塊,每塊3m,從基坑中心向基坑兩邊對稱的進(jìn)行3步開挖,見圖2。第一步是對區(qū)域3進(jìn)行開挖,第二步是對區(qū)域2、4進(jìn)行開挖,第三步是對區(qū)域1、5進(jìn)行開挖。
通過數(shù)值分析,現(xiàn)將各開挖區(qū)域階段的隧道最大水平位移、豎向位移提取,并與上節(jié)的模型進(jìn)行比較,見表3。
從表3看出,基坑分塊開挖對隧道的最大水平位移影響不大。但通過分塊開挖,在基坑底板澆筑前,可以使隧道最大位移暴露的時間縮短;通過分塊開挖,使隧道的最大豎向位移值減小,并且能在基坑底板澆筑前,減小隧道最大豎向位移的暴露時間。
4 結(jié)束語
通過MIDAS/GTS的數(shù)值模擬分析,可以得出基坑開挖方式對既有下臥隧道有較大影響,在實際工程中,必須通過科學(xué)的統(tǒng)籌,對基坑進(jìn)行合理的分塊分區(qū),從而對下臥隧道產(chǎn)生的影響降至最少,保證既有隧道的安全。
參考文獻(xiàn)
[1]毛朝輝,劉國彬.基坑開挖引起下方隧道變形的數(shù)值模擬[J].地下工程與隧道,2005(4):24-27.
[2]汪彬彬.基坑開挖對下方盾構(gòu)隧道變形的影響[D].華南理工大學(xué),2010,5.
[3]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.
[4]基坑工程手冊編輯委員會.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009:1070-1071.