肖博文　席培勝　朱榮軍

摘 要：地下工程的復(fù)雜性，使地鐵隧道的安全使用對(duì)變形要求非常嚴(yán)格.臨近基坑卸載對(duì)既有軌道的正常使用帶來(lái)諸多問(wèn)題，通過(guò)Midas/GTS軟件創(chuàng)建基坑與隧道的三維數(shù)值模型，以合肥南站綜合交通樞紐配套南廣場(chǎng)基坑開(kāi)挖工程為研究對(duì)象，分析不同工況下的基坑地連墻X向與Y向變形以及基坑對(duì)A、B隧道水平與豎向位移的影響.得出如下結(jié)論：卸載基坑與既有隧道間的距離對(duì)隧道水平位移變形和豎向位移變形都有影響，距離基坑越近則影響越大，反之則越小;隧道的豎向位移與基坑開(kāi)挖深度成正比關(guān)系，對(duì)于水平位移，基坑卸載對(duì)隧道的影響為沿基坑最近的隧道段向兩端逐漸減小;側(cè)方隧道各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化為隧道縱向豎向變形趨勢(shì)一致，都為逐漸增大到峰值后再逐漸減小的凹槽型，位移最大處為中心線處;與基坑平行且在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)的既有隧道的水平位移影響較大，而范圍外的影響很微弱，不同工況下基坑一圈圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的趨勢(shì)均相似，最大水平位移都在中間位置，其中工況二影響最大，占比總位移百分之五十.

關(guān)鍵詞：基坑卸載;隧道;數(shù)值模擬;隧道變形

中圖分類號(hào)：U442.55? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）11-0088-04

在社會(huì)日益發(fā)展的今天，地上交通運(yùn)輸和空間的使用越來(lái)越不能滿足人們的需求，怎樣去充分開(kāi)發(fā)和利用地下空間變得格外重要.目前地鐵在各個(gè)城市越來(lái)越被普及，那么未來(lái)必定會(huì)有很多在已經(jīng)建的地鐵附近進(jìn)行基坑開(kāi)挖卸載的工程，如何確保施工安全且盡可能降低對(duì)隧道的影響是值得去討論的問(wèn)題.設(shè)法確定最合理的施工方案，做好四周的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，控制土體位移等值得考慮.因此，如何做好基坑開(kāi)挖及卸載對(duì)隧道的影響的研究是極其有意義也是非常緊迫的.

眾所周知，地下工程有其獨(dú)特的未知性和復(fù)雜性，目前我們認(rèn)識(shí)的和掌握的都是不全面及不完善的，對(duì)于基坑開(kāi)挖及卸載對(duì)隧道的影響這一課題是尚不成熟的.本文的研究成果可以為后續(xù)同類工程提供施工方法和參數(shù)的依據(jù)，也能提供一些經(jīng)驗(yàn)參考.

1 工程概況

1.1 參數(shù)選取

合肥南站南廣場(chǎng)上跨312繞城高速，北接高鐵站，南鄰繁華大道，通過(guò)規(guī)劃支路與繁華大道等周邊路網(wǎng)相連.本文研究廣場(chǎng)西側(cè)深基坑，其側(cè)方穿過(guò)兩條已投入運(yùn)行的平行隧道.基坑長(zhǎng)221米，寬191米，占地4.30公頃，現(xiàn)分析基坑卸載對(duì)原有隧道影響.

現(xiàn)場(chǎng)勘查得出工程土體參數(shù)，如表1所示.

2 數(shù)值模擬

2.1 基坑模型概況

本模型依據(jù)圣維南理論，模型取基坑深度3倍為邊界到基坑底部的距離，同時(shí)考慮隧道的影響，基坑的三維計(jì)算尺寸定為300m×296m×67m，單元數(shù)為31578，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4586421，如下圖1和圖2分別為模型的整體計(jì)算模型和基坑開(kāi)挖后的效果圖.設(shè)垂直方向?yàn)閄軸，沿隧道方向?yàn)閅軸，重力方向定為Z軸.

將基坑整體分三步進(jìn)行開(kāi)挖對(duì)應(yīng)三層地下室.基坑四周通過(guò)連續(xù)墻加錨桿的方式來(lái)進(jìn)行圍護(hù)，設(shè)置參數(shù)為地連墻厚取820mm，嵌固深度31.6m，基坑地板厚度取310mm.如下圖3和圖4分別為地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道襯砌結(jié)構(gòu).

2.2 基坑開(kāi)挖過(guò)程模擬

第一步：先建立整體計(jì)算模型，考慮模型各相互影響因素和約束后設(shè)置模型各數(shù)值參數(shù).

第二步：進(jìn)行隧道部分的施工，隧道建成后忽略其變形給原模型結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，對(duì)影響數(shù)值進(jìn)行處理恢復(fù).隨后進(jìn)行地連墻的施工.

第三步（工況一）：先挖除第一層土體，挖至5.6m處進(jìn)行錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工.

第四步（工況二）：先挖除第二層土體，挖至12.6m處進(jìn)行錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工.

第五步（工況三）：直接將基坑開(kāi)挖完畢，深度為16.9m，然后施作基坑底板進(jìn)行錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，至此全部施工完成.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道變形分析

為了得出直觀有效的變形數(shù)據(jù)結(jié)果，將兩個(gè)平行隧道分別命名為隧道A和隧道B分別在兩個(gè)隧道的每一個(gè)斷面上設(shè)置四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4，具體位置如圖5所示.靠近基坑的隧道為A隧道，其中A2數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為最靠近隧道的點(diǎn)，最近距離為5.41m.B隧道與A隧道平行且兩隧道中心軸線相距11.9m，兩隧道距地表埋深9.7m.

3.2 隧道豎向位移

圖6、圖7和圖8為隧道在三種工況影響下的豎向位移云圖，由圖可知在不同工況下隧道都是兩端產(chǎn)生較小的豎向位移，最大豎向位移都產(chǎn)生在隧道中部，而最大豎向位移是各不相同的，其產(chǎn)生的數(shù)值分別為1.65mm、4.30mm和5.36mm.從三張圖對(duì)比可知，相對(duì)于同一隧道隨著開(kāi)挖深度的不斷加大，其豎向位移也隨之在不斷增大.通過(guò)分析可知產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是工況三環(huán)境下基坑開(kāi)挖深度是最大的.聯(lián)系實(shí)際，在這一類型工程施工工程中一定要加強(qiáng)對(duì)鄰近建筑的檢測(cè)，確定合理的施工深度，防止對(duì)鄰近既有建筑的影響過(guò)大，影響其正常使用或產(chǎn)生破壞等.同時(shí)相較于這兩平行隧道而言，不論在哪一種工況環(huán)境下，都是靠近基坑的隧道產(chǎn)生較大的豎向位移.根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本模擬得出的豎向位移均小于20mm的要求，故說(shuō)明使用地連墻加錨桿的這一支護(hù)方式是正確的.

由圖9取A隧道為研究對(duì)象具體分析A隧道A1、A2、A3、A4這四個(gè)位置的豎向位移變化特征通過(guò)對(duì)比分析，從圖中可直觀得出最靠近基坑的A2點(diǎn)產(chǎn)生了最大的豎向位移，最大值為-5.2mm左右.此結(jié)果是合理的，因?yàn)檫@四個(gè)測(cè)點(diǎn)中A2是基坑開(kāi)挖距離最大的點(diǎn)，故受影響最大是合理的.從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，四個(gè)測(cè)點(diǎn)在隨隧道縱向變化的過(guò)程中其豎向位移的變化趨勢(shì)是相同的，即約在240m處達(dá)到最大值，向兩端逐漸減小.此外A1和A4豎向位移相差很小，變化趨勢(shì)幾乎相同.而A1和A3豎向位移相差較大，故可知基坑開(kāi)挖施工對(duì)隧道底部的影響是遠(yuǎn)大于其頂部的.

通過(guò)觀察圖10，A和B兩個(gè)隧道的豎向位移對(duì)比，可以明顯地看出兩個(gè)隧道的豎向位移差距巨大，A隧道的最大值為-3.3mm而B(niǎo)隧道的最大值僅為-0.1mm左右.易得距離開(kāi)挖基坑的距離對(duì)豎向位移變形的影響是巨大的，距離基坑越近則影響越大，反之則越小.且兩者出現(xiàn)最大豎向位移變化量的位置并不相同.A隧道出現(xiàn)在240m處，最大位移變化量約為-3.3mm.而B(niǎo)隧道出現(xiàn)在175m處，最大為-0.1mm左右.通過(guò)這一發(fā)現(xiàn)，要求實(shí)際施工時(shí)要時(shí)刻檢測(cè)各隧道的豎向位移變化，確保既有隧道能夠正常使用及基坑正常施工.同時(shí)，分析圖中B隧道曲線可得出，B隧道在120m到200m這一范圍內(nèi)表現(xiàn)為沉降，而在隧道端點(diǎn)出現(xiàn)最大隆起變形.

3.3 隧道水平位移

基坑開(kāi)挖不但會(huì)使既有隧道發(fā)生豎向位移的變形，還會(huì)使隧道產(chǎn)生水平方向的位移變形.圖11、圖12和圖13分別為三種不同工況下兩隧道的水平位移云圖，規(guī)定背離基坑方向?yàn)檎较?從圖中可知，兩隧道水平位移的變化趨勢(shì)是相同的，最小值均出現(xiàn)在已建隧道的兩端，最大值均出現(xiàn)在中心位置.從圖中對(duì)比三種工況下兩隧道水平位移的變化程度可知，工況一中隧道的最小位移為-0.215mm，最大位移為-1.509mm，工況二中隧道的最小位移-0.624mm最大位移為-5.513mm，工況三中隧道的最小位移為-0.839mm，最大位移為-7.375mm.本次模擬最大水平位移為7.375mm小于查規(guī)范得到的已運(yùn)營(yíng)地鐵位移變化不超過(guò)20mm這一規(guī)定，故模擬所得結(jié)果是合理的.同時(shí)對(duì)比三種工況下的總體水平位移可得，隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，其對(duì)隧道水平位移影響也不斷增大，且位移皆是向基坑方向的，也符合實(shí)際施工時(shí)隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).

觀察圖14可知，此圖為不同工況下A1測(cè)點(diǎn)水平位移的變化，首先從總體上可以看出三種工況下的隧道水平位移變化趨勢(shì)幾乎一致，沿著隧道方向隨隧道的距離先逐漸增大到最大水平位移后再逐漸減小，且最大水平位移均出現(xiàn)在沿隧道方向175m處，最小位移為隧道的兩端.對(duì)比三種工況可發(fā)現(xiàn)，隨著開(kāi)挖深度的增加，對(duì)既有隧道的水平位移的影響也是加大的.經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察圖可發(fā)現(xiàn)圖形發(fā)生巨大變化的點(diǎn)是從水平坐標(biāo)60m到250m這一區(qū)間，這一區(qū)間恰巧與基坑寬度是一致的.故可以得出，與基坑平行且在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)的既有隧道的水平位移影響較大，而范圍外的影響很微弱.分析可知這是由于基坑側(cè)壁連續(xù)墻產(chǎn)生向坑內(nèi)的位移導(dǎo)致的，而基坑范圍以外有土體的約束，使隧道水平位移較小.

由圖15來(lái)分析同一隧道A四個(gè)測(cè)點(diǎn)A1、A2、A3、A4的水平位移變化趨勢(shì).首先可以從圖中輕易地發(fā)現(xiàn)這四個(gè)點(diǎn)的水平位移變化趨勢(shì)是相同的，都是沿隧道方向隨隧道距離的增大先增大后減小呈現(xiàn)凹槽形.其中A2的水平位移較其他三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)是最大的，而A2點(diǎn)為最靠近基坑的點(diǎn)，故可以得出距離基坑越近對(duì)既有隧道的影響越大.與豎向位移不同的是，對(duì)于水平位移A1點(diǎn)的位移在累積區(qū)間內(nèi)總是大于A3點(diǎn)，可以得出隧道的埋深淺處的位移變形大于深處的位移變形.同樣仔細(xì)觀察可得圖形發(fā)生巨大變化的點(diǎn)是從水平坐標(biāo)60m到250m這一區(qū)間，這一區(qū)間恰巧與基坑寬度是一致的，說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)側(cè)壁土體擾動(dòng)較大.

通過(guò)觀察圖16，A和B兩個(gè)隧道的水平位移對(duì)比，可以明顯地看出兩個(gè)隧道的水平位移差距巨大，A隧道的最大值為-6.7mm而B(niǎo)隧道的最大值僅為-3.9mm左右.易得距離開(kāi)挖基坑的距離對(duì)水平位移變形的影響是巨大的，距離基坑越近則影響越大，反之則越小.

4 結(jié)論

（1）卸載基坑與既有隧道間的距離對(duì)隧道水平位移變形和豎向位移變形都有影響，距離基坑越近則影響越大，反之則越小;

（2）隧道的豎向位移與基坑開(kāi)挖深度成正比關(guān)系，對(duì)于水平位移，基坑卸載對(duì)隧道的影響為沿基坑最近的隧道段向兩端逐漸減小;

（3）側(cè)方隧道各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化為隧道縱向豎向變形趨勢(shì)一致，都為逐漸增大到峰值后再逐漸減小的凹槽型，位移最大處為中心線處.

（4）與基坑平行且在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)的既有隧道的水平位移影響較大，而范圍外的影響很微弱.不同工況下基坑一圈圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的趨勢(shì)均相似，最大水平位移都在中間位置，其中工況二影響最大，占比總位移百分之五十.

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