楊 德 志

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，為了滿足居民的出行方便，在一、二線城市陸續(xù)有設(shè)計(jì)地鐵，地鐵沿線有較多的商業(yè)建筑建設(shè)，為滿足商業(yè)、停車等用途，設(shè)置了多層地下室，相應(yīng)的基坑開(kāi)挖較深。這些深基坑的開(kāi)挖卸載，勢(shì)必引起周邊土體的位移，同時(shí)導(dǎo)致地鐵隧道的變形，對(duì)于軟土地區(qū)而言，相應(yīng)的變形影響更為明顯[1]，因此，對(duì)軟土地區(qū)臨近隧道的深基坑開(kāi)挖造成的隧道變形影響進(jìn)行研究，在深基坑設(shè)計(jì)階段采取有效的保護(hù)措施，具有重要的工程實(shí)際意義。

對(duì)于上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段開(kāi)展了大量研究，其中，Dolezalova等[2]采用有限元分析了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道的影響；李平等[3]采用數(shù)值計(jì)算手段分析了不同位置關(guān)系工況下基坑開(kāi)挖對(duì)隧道變形及受力的影響；姜兆華[4]系統(tǒng)的分析了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道的影響。

本文以實(shí)際工程為背景，通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析了地下連續(xù)墻的插入比、被動(dòng)區(qū)加固寬度等因素對(duì)地連墻及隧道變形的影響。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

上海市閔行區(qū)虹橋鎮(zhèn)龍柏社區(qū)S110201,S110202單元15-01地塊商業(yè)綜合體項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱吳中路項(xiàng)目)位于吳中路以北、虹井路以東，西側(cè)虹井路下伏已運(yùn)營(yíng)的地下軌道交通10號(hào)線，地下室外墻距離隧道外邊線最近處約為20.1 m。整體設(shè)二、三層地下室，基坑總面積為4.6萬(wàn)m2，基坑開(kāi)挖深度10.6 m～14.3 m。為保護(hù)軌道交通10號(hào)線隧道，采用“大坑劃小坑”進(jìn)行分區(qū)施工，其中臨近隧道位置的基坑支護(hù)方案采用0.8 m厚地下鋼筋混凝土連續(xù)墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)；采用內(nèi)支撐的方式：第一道支撐為鋼筋混凝土撐，水平間距6 m；第二、三道支撐采用φ0.609×0.016鋼管撐，基坑開(kāi)挖剖面如圖1所示。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層的物理力學(xué)指標(biāo)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型假定

采用有限元法建立二維分析模型。分析土體采用巖土工程廣為應(yīng)用的摩爾—庫(kù)侖模型，圍護(hù)樁及隧道采用線彈性模型，考慮圍護(hù)與土體的接觸面作用。

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則是Coulomb摩擦定律在一般應(yīng)力狀態(tài)下的推廣。實(shí)際上，這個(gè)準(zhǔn)則確保了材料單元內(nèi)的任何一個(gè)平面都符合Coulomb摩擦定律。完整的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則可以用三個(gè)以主應(yīng)力表示的屈服函數(shù)來(lái)定義。

在屈服函數(shù)中出現(xiàn)的兩個(gè)塑性模型參數(shù)是摩擦角φ和內(nèi)聚力c。這些屈服函數(shù)在主應(yīng)力空間內(nèi)就組成了一個(gè)六棱錐，見(jiàn)圖2。

2.2 計(jì)算模型的建立與開(kāi)挖過(guò)程模擬

取基坑臨近隧道的剖面建立二維計(jì)算模型，水平方向60 m，豎向40 m，隧道外徑為6.0 m，襯砌厚度0.5 m，地下連續(xù)墻墻長(zhǎng)23.4 m，墻厚0.8 m，地下水埋深0.5 m，對(duì)水平低邊界施加豎向變形約束，兩側(cè)邊界施加水平變形約束。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元來(lái)進(jìn)行土的應(yīng)力變形分析，模型有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

開(kāi)挖工況依次為：1)凍結(jié)圍護(hù)樁、支撐、隧道等結(jié)構(gòu)單元，生成初始應(yīng)力場(chǎng)；2)隧道內(nèi)土方挖出，安裝襯砌，消除初始應(yīng)力場(chǎng)，激活地下連續(xù)墻；3)開(kāi)挖第一層土方，并施工第一道支撐；4)開(kāi)挖第二層土方，并架設(shè)第二道支撐；5)開(kāi)挖第三層土方，并架設(shè)第三道支撐；6)基坑開(kāi)挖到底。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，基坑開(kāi)挖到底后，地下連續(xù)墻最大位移值為16.3 mm，隧道最大位移值為4.5 mm，見(jiàn)圖4～圖6。

2.3 模擬模型的驗(yàn)證

為了評(píng)價(jià)基坑開(kāi)挖對(duì)隧道及周圍環(huán)境的影響，施工期間對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道等分別進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)，本次模型剖面位置對(duì)應(yīng)為CX11～CX15測(cè)斜點(diǎn)。圖7為模擬計(jì)算范圍內(nèi)測(cè)斜點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，其中基坑開(kāi)挖到底后的計(jì)算值與8月份基坑實(shí)際開(kāi)挖到底后實(shí)測(cè)值較為接近，二者吻合較好。隨著時(shí)間積累，工程實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)有持續(xù)增長(zhǎng)，后期10月份實(shí)測(cè)值比數(shù)值模擬結(jié)果要大一些。圖8為隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化曲線，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形值多集中在3.5 mm～5.0 mm范圍內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果最大位移值為4.5 mm，與之較吻合。

3 計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

3.1 地墻插入比對(duì)圍護(hù)墻及隧道位移影響分析

按上海市基坑工程規(guī)范，圍護(hù)墻的插入深度需滿足：整體穩(wěn)定性、樁底抗隆起穩(wěn)定性、坑底抗隆起穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗管涌穩(wěn)定性[1]。在滿足規(guī)范的前提下，地下連續(xù)墻最小插入比(圍護(hù)墻基坑以下插入深度與基坑開(kāi)挖深度的比值)為1.1，本文分別計(jì)算了插入比1.1～1.7區(qū)間內(nèi)連續(xù)墻側(cè)向變形曲線及隧道位移，以歸納分析插入比對(duì)圍護(hù)墻及隧道位移的影響規(guī)律。圖9表明隨著地下連續(xù)墻的插入比增加，地墻最大側(cè)向位移減小，插入比在1.1～1.5范圍內(nèi)時(shí)，地墻位移減小效果較明顯，但當(dāng)插入比達(dá)到1.5后，地墻位移減小效果并不明顯；圖10表明隨著地下連續(xù)墻的插入比增加，隧道最大位移減小，但整體而言，這種減小效果并不明顯，地墻插入比從1.1增大至1.7，墻長(zhǎng)從22.3 m增加了55%，但隧道最大位移僅僅減少了0.5 mm，這并不經(jīng)濟(jì)。

3.2 被動(dòng)區(qū)加固寬度的影響分析

對(duì)環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑，可以采取增加坑底被動(dòng)區(qū)加固來(lái)減少圍護(hù)樁變形，坑底面以下加固體深度一般不宜小于4.0 m，加固體寬度可取基坑深度的0.5倍～1.0倍[1]。本文對(duì)比分析了不同被動(dòng)區(qū)加固寬度對(duì)圍護(hù)墻及隧道位移的影響，加固體深度取坑底以下4.0 m，取加固區(qū)域模量為未加固區(qū)域的2倍(較常采用的基坑加固方式加固后壓縮模量提高約1.5倍～2.0倍[5])。計(jì)算了坑底加固寬度分別為0 m,4.0 m,6.0 m,8.0 m,10.0 m,12.0 m時(shí)，連續(xù)墻側(cè)向變形曲線及隧道位移。圖11表明隨著被動(dòng)區(qū)加固寬度的增加，地墻最大側(cè)向位移減小，尤其是從無(wú)被動(dòng)區(qū)加固到有加固，對(duì)于減小地墻位移有明顯效果。圖12表明隨著被動(dòng)區(qū)加固寬度的增加，隧道最大位移減小，這種減小效果比較明顯，這說(shuō)明通過(guò)增加被動(dòng)區(qū)加固，并適當(dāng)提高被動(dòng)區(qū)加固的寬度是保護(hù)隧道的有效手段。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文以實(shí)際工程為背景，通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，表明二維數(shù)值模擬可以較好地模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的側(cè)向變形及隧道變形規(guī)律。從基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析了地下連續(xù)墻的插入比、被動(dòng)區(qū)加固寬度對(duì)地連墻及隧道變形的影響，對(duì)于類似工程的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

2)從地下連續(xù)墻的插入的影響比分析來(lái)看，地連墻長(zhǎng)度在滿足規(guī)范要求的前提下，再適當(dāng)增加長(zhǎng)度可減少地下的最大側(cè)向變形及隧道的位移，但超過(guò)一定插入比后，并不經(jīng)濟(jì)。

3)從被動(dòng)區(qū)加固寬度的影響分析來(lái)看，通過(guò)增加坑底被動(dòng)區(qū)土體加固可以有效的減少地下的最大側(cè)向變形及隧道的位移。

參考文獻(xiàn):

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[4] 姜兆華.基坑開(kāi)挖時(shí)臨近既有隧道的力學(xué)相應(yīng)規(guī)律研究[D].重慶：重慶大學(xué)博士學(xué)位論文，2013.

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