鄧 凱， 胡福洪， 陳建剛， 曾紀(jì)文， 賀 浩

(1.湖北華濱置業(yè)有限公司,湖北 武漢 430072; 2.武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 武漢 430072)

1 工程概況

1.1 工程基本情況

華電集團華中總部研發(fā)基地項目位于長江一橋、長江二橋之間的武昌濱江商務(wù)區(qū)，臨江大道以東、過江隧道以北。擬建項目臨近武漢長江隧道，地下室外邊線距離隧道結(jié)構(gòu)凈距離最近為35.9 m，地下室基坑最深處為23.4 m?；娱_挖臨近的武漢長江隧道為盾構(gòu)法施工段。擬建基坑距離隧道較近，且基坑深度臨近隧道頂部。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報告，擬建場地區(qū)域內(nèi)土層有①1雜填土、③1粉質(zhì)粘土(可塑)、③2粉質(zhì)粘土(軟塑)、④淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(流塑)、⑤粉質(zhì)粘土夾粉土、粉細(xì)砂(軟塑)、⑥1粉細(xì)砂(中密)、⑥2粉細(xì)砂(密實)、⑧1泥質(zhì)砂巖(強風(fēng)化)、⑧2泥質(zhì)砂巖(中風(fēng)化)等，基坑土層參數(shù)如表1所示。

2 基坑支護設(shè)計

擬建項目地下室底板面標(biāo)高為-18.800 m；底板底標(biāo)高-19.900 m。其周邊環(huán)境非常復(fù)雜，緊臨長江，有重要的建筑物，有重要的公共交通設(shè)施，基坑支護設(shè)計需考慮變形、地下水控制、監(jiān)測等重要技術(shù)要求必須滿足隧道、堤防及周邊管線和房屋的變形要求。根據(jù)工程的邊環(huán)境、工程條件和地層情況，結(jié)合武漢地區(qū)很多成熟的基坑施工經(jīng)驗，經(jīng)過多種方案比選，對本地下室基坑支護采用“二墻合一”地下連續(xù)墻方案。地連墻同時兼做地下室外墻，墻厚1.0 m；設(shè)置3層臨時水平鋼筋混凝土內(nèi)支撐。如圖1所示：地下連續(xù)墻采用嵌巖落底式地連墻，在連續(xù)墻外圍墻段接頭處設(shè)置高噴止水，隔斷基坑與周邊地下水的聯(lián)系。同時設(shè)置一定數(shù)量的備用降水井以疏干基坑內(nèi)積水和作為應(yīng)急之用。基坑采用的是全落底封閉式圍護結(jié)構(gòu)，降水對基坑及隧道變形影響不大，未考慮降水井的影響。

表1 基坑土層參數(shù)

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)

3 模型的構(gòu)建

3.1 模型的選取與建立

本次采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算分析擬建項目基坑施工對已建長江隧道的影響，隧道結(jié)構(gòu)管片連接采用殼彈簧模型。

由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機性和復(fù)雜性，要完全模擬巖土材料的力學(xué)性能和嚴(yán)格按照實際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計算過程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問題進(jìn)行適當(dāng)簡化。在數(shù)值模擬中假設(shè)圍巖土體材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)其為理想彈塑性材料。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，計算模型的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 基坑土層的材料參數(shù)

根據(jù)工程經(jīng)驗和理論分析，考慮到基坑開挖面積較大影響范圍，所取模型范圍為400 m×300 m×60 m(X×Y×Z)。在此區(qū)域模擬土層，通過激活和鈍化開挖區(qū)的土體單元、襯砌單元、圍護樁及支撐，模擬基坑及隧道施工過程，整個三維有限元計算模型共676996個單元，131537個節(jié)點，本結(jié)構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型。根據(jù)實際情況建立了整體模型(圖2)，并模擬了圍護結(jié)構(gòu)及基坑支撐與隧道的關(guān)系(圖3、圖4)。

圖2 三維數(shù)值計算整體模型

圖3 模型圍護結(jié)構(gòu)與隧道關(guān)系

圖4 模型基坑支撐與隧道關(guān)系

3.2 施工工況模擬

工況1:初始地層應(yīng)力平衡；

工況2:隧道開挖及拼裝管片(位移清零)；

工況3:施做連續(xù)墻、三軸攪拌樁及立柱樁格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)；

工況4:開挖基坑土體到第一層支撐位置，開挖厚度2.9 m，施加冠梁及第一層支撐；

工況5:開挖基坑土體到第二層支撐位置，開挖厚度6.1 m，施加二層支撐；

工況6:開挖基坑土體到第三層支撐位置，開挖厚度4.6 m，施加三層支撐；

工況7:開挖基坑土體到坑底20.4 m深度，開挖厚度6.8 m；

工況8:開挖基坑中部加深區(qū)域土體；

工況9:施做基坑底部筏板,施加底部荷載。

3.3 基坑開挖后對長江的影響

3.3.1 基坑開挖后長江隧道的變形

按照模擬施工步驟，采用凍結(jié)單元的方法，模擬土體的開挖采用激活單元的方法，模擬結(jié)構(gòu)的施做，并在基坑的開挖過程中，分層開挖，分步釋放，避免一次開挖引起過大的變形，得到基坑開挖完成后的地層整體變形如圖5所示，連續(xù)墻圍護整體變形如圖6所示，長江隧道結(jié)構(gòu)整體變形如圖7、圖8所示。

圖5 擬建項目基坑開挖后土層整體水平變形

圖6 基坑開往后連續(xù)墻圍護水平變形

圖7 基坑開挖后長江隧道結(jié)構(gòu)水平變形

圖8 基坑開挖后長江隧道結(jié)構(gòu)水平整體變形

由圖5～8可知，擬建項目基坑施工過程中，因支護變形帶動坑外土體位移，會引起臨近隧道產(chǎn)生水平位移和豎向位移。項目基坑開挖完成后的地層最大水平位移23.33 mm，位于坑底加深附近基坑側(cè)面，豎向最大位移63.41 mm，豎直向上，位于坑底；項目基坑開挖完成后的連續(xù)墻最大水平位移19.6 mm，位于坑底加深附近，距離隧道最近的地方；項目基坑開挖完成后的隧道最大水平位移4.17 mm，位于隧道與基坑距離最近的位置，隧道結(jié)構(gòu)向基坑方向變形。

考慮地下工程建設(shè)施工的不確定性，且項目施工期隧道已通車運營，隧道安全責(zé)任重大，建議擬建項目基坑施工加強隧道監(jiān)控測量措施，保證運營的安全。

3.3.2 基坑開挖后長江隧道的應(yīng)力

考慮到基坑開挖會引起隧道周圍應(yīng)力的變化，影響長江隧道的應(yīng)力情況，所以有必要分析基坑開挖前后的隧道應(yīng)力情況。模型計算得到的隧道彎矩和軸力如圖9～10所示。

由圖9～10可知，基坑開挖對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)力也存在一定的影響。長江隧道在基坑開挖前的最大彎矩為472.18 kN·m，最大軸力為3439.74 kN；出入段線段隧道的最大彎矩為476.84 kN·m，最大軸力為3436.14 kN?？梢园l(fā)現(xiàn)，隧道結(jié)構(gòu)由于基坑開挖的原因發(fā)生了變形，這種變形在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)引起的是應(yīng)力的變化和改變，對比隧道建成后的管片內(nèi)力和基坑開挖完成后的內(nèi)力可以發(fā)現(xiàn)，由于基坑的開挖，長江隧道的結(jié)構(gòu)彎矩有所增加，軸力有所減小，但改變值都比較小，所以對隧道結(jié)構(gòu)的裂縫發(fā)展影響不大。

4 結(jié)語

(1)考慮地下工程建設(shè)施工的不確定性，且項目施工期隧道已通車運營，隧道安全責(zé)任重大，建議擬建項目基坑施工加強隧道監(jiān)控測量措施并制定基坑施工的風(fēng)險評估方案和應(yīng)急預(yù)案，以保證基坑施工的順利進(jìn)行以及隧道通車運營的安全。

圖9 基坑開挖前后長江隧道結(jié)構(gòu)的彎矩

(2)擬建項目緊鄰武漢長江隧道武昌岸盾構(gòu)段，地下室主體結(jié)構(gòu)距隧道結(jié)構(gòu)最小凈距35.9 m，基坑坑底標(biāo)高與隧道頂標(biāo)高最小凈距3.6 m。根據(jù)對兩者的相互影響分析，在采取足夠安全措施，保證施工及運用期間武漢長江隧道正常運營的前提下，該工程方案可予實施。即當(dāng)隧道距離基坑約1.5倍開挖深度范圍外，當(dāng)采取合理的支護方式，可以基本不考慮基坑開挖對隧道的影響。

(3)通過三維數(shù)值計算分析，項目基坑施工過程中，因基坑開挖、支護變形帶動坑外土體位移，引起臨近基坑側(cè)隧道產(chǎn)生水平位移最大值為4.17 mm；隧道的應(yīng)力值與基坑開挖前的變化不大，在安全范圍內(nèi)。

總之，擬建項目基坑工程在該設(shè)計情況及正常施工情況下不會影響長江隧道結(jié)構(gòu)安全和正常使用。

圖10基坑開挖前后長江隧道結(jié)構(gòu)的軸力