史貴才,施維成,代國忠

(常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

2007年至今10余年間我國城市軌道交通呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展。多年來，針對(duì)地鐵隧道建設(shè)，特別是盾構(gòu)隧道的研究成果豐富[1-5]。地鐵隧道建成后，在其臨近區(qū)域開展城市地下空間開發(fā)利用涉及大量的深基坑開挖，可能會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響[6-10]。常州地鐵1號(hào)線將于2019年9月底開通試運(yùn)行，常州將邁入地鐵時(shí)代，但是常州區(qū)域內(nèi)典型地質(zhì)條件下的深基坑開挖對(duì)既有地鐵隧道的影響尚未見諸報(bào)導(dǎo)。本文依據(jù)常州典型土層分布，利用plaxis二維有限元軟件模擬深基坑開挖過程，分析基坑開挖對(duì)既有地鐵隧道的影響，為今后類似工程建設(shè)提供有益的參考。

1 工程概況

基坑開挖深度20 m，開挖寬度60 m。地層從上往下依次為黏土、粉質(zhì)黏土、砂土、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、黏土，地下水位埋深5 m。采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的基坑支護(hù)形式，地下連續(xù)墻深40 m，設(shè)置5層內(nèi)支撐，間距4 m。在離基坑15 m處有已建成的隧道，隧道埋深19 m，直徑10 m。

2 幾何模型

2.1 模型邊界

由于基坑具有對(duì)稱性，幾何模型取基坑的一半考慮。模型邊界取長150 m、高90 m的矩形。

2.2 網(wǎng)格圖

有限元計(jì)算網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 有限元網(wǎng)格

2.3 材料模型及參數(shù)

材料模型采用小應(yīng)變土體硬化模型，模型參數(shù)見表1。

2.4 計(jì)算工況

本文研究深基坑開挖對(duì)既有隧道的影響，分別計(jì)算5層開挖的影響，每1層支撐和開挖算1個(gè)工況，共5個(gè)工況。工況1為施工第一道支撐，并開挖至4 m深；工況2為施工第二道支撐，并開挖至8 m深；工況3為施工第三道支撐，并開挖至12 m深；工況4為施工第四道支撐，并開挖至16 m深；工況5為施工第五道支撐，并開挖至20 m深。

表1 小應(yīng)變土體硬化模型參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 水平位移

圖2(a)分別畫出了5種工況下的水平位移圖。由圖可見，隨著基坑的開挖，最大水平位移不斷增大，且最大水平位移發(fā)生在基坑開挖面以下、地下連續(xù)墻附近。

3.2 豎向位移

圖2(b)分別畫出了5種工況下的豎向位移圖。由圖可見，基坑外側(cè)土體豎向位移為負(fù)，基坑內(nèi)側(cè)土體豎向位移為正，即基坑外側(cè)土體發(fā)生沉降，基坑內(nèi)側(cè)土體發(fā)生上浮。從工況1到工況5，隨著基坑的開挖，土體最大沉降點(diǎn)從地下連續(xù)墻逐漸向隧道上方移動(dòng)。

3.3 基坑開挖引起的隧道變形

圖3畫出了A、B、C、D、E點(diǎn)在基坑開挖過程中的水平位移和豎向位移圖。其中，A點(diǎn)為隧道上方的地面，B點(diǎn)為隧道頂，C點(diǎn)為隧道底，D為隧道離基坑較遠(yuǎn)一側(cè)，E為隧道離基坑較近一側(cè)，如圖1所示。圖3中的橫坐標(biāo)為有限元計(jì)算步數(shù)，其與5個(gè)工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

(a)水平位移 (b)豎向位移圖2 基坑開挖引起的水平位移圖

(a)A點(diǎn)位移

(b)B點(diǎn)位移

(d)D點(diǎn)位移

(e)E點(diǎn)位移圖3 基坑開挖引起的A、B、C、D、E點(diǎn)位移圖

表2 工況的對(duì)應(yīng)計(jì)算步數(shù)表

由圖3(a)可見，隨著基坑逐層開挖，A點(diǎn)的水平位移的增長幅度逐漸變小，而A點(diǎn)的豎向位移增長幅度沒有明顯減小，基坑挖到底時(shí)A點(diǎn)的豎向位移比水平位移大。

由圖3(b)、(c)可見，隧道頂(B點(diǎn))和隧道底(C點(diǎn))的水平位移相差不大，而隧道底(C點(diǎn))的豎向位移明顯比隧道頂(B點(diǎn))要小。

由圖3(d)、(e)可見，隧道離基坑較遠(yuǎn)一側(cè)(D點(diǎn))和隧道離基坑較近一側(cè)(E點(diǎn))的豎向位移相差不大，而隧道離基坑較近一側(cè)(E點(diǎn))的水平位移明顯比隧道離基坑較遠(yuǎn)一側(cè)(D點(diǎn))要大。

3.4 基坑開挖引起的地下連續(xù)墻深層水平位移

圖4畫出了5種工況地下連續(xù)墻的深層水平位移圖?？梢姡瑥墓r1到工況5，基坑逐層挖深，地下連續(xù)墻的深層水平位移逐漸變大。

圖4 基坑開挖引起的地下連續(xù)墻深層水平位移圖

表3列出了5種工況的坑底深、最大水平位移及其深度，不難看出，每個(gè)工況的地下連續(xù)墻最大水平位移都是發(fā)生在該工況坑底以下5～7 m處。

表3 5種工況地下連續(xù)墻的最大水平位移

4 結(jié)語

使用plaxis2D有限元軟件模擬深基坑開挖對(duì)既有隧道的影響，得到以下結(jié)論：

1)隨著基坑的開挖，最大水平位移在不斷增大，且最大水平位移發(fā)生在基坑開挖面以下、地下連續(xù)墻附近；

2)深基坑開挖時(shí)，基坑外側(cè)土體發(fā)生沉降，基坑內(nèi)側(cè)土體發(fā)生上??；

3)隨著基坑的開挖，土體最大沉降點(diǎn)從地下連續(xù)墻逐漸向隧道上方移動(dòng)；

4)隨著基坑的開挖，隧道上方地面的水平位移增長幅度逐漸變小，豎向位移增長幅度沒有明顯減小，基坑挖到底時(shí)豎向位移比水平位移大；

5)深基坑開挖引起的隧道頂和隧道底的水平位移相差不大，而隧道底的豎向位移比隧道頂小；

6)深基坑開挖引起的隧道較遠(yuǎn)一側(cè)和較近一側(cè)的豎向位移相差不大，而隧道離基坑較近一側(cè)的水平位移比較遠(yuǎn)一側(cè)大；

7)隨著基坑的開挖，地下連續(xù)墻的深層水平位移逐漸變大，且最大水平位移發(fā)生在坑底以下5～7 m。