王 濤,余建民

(華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，各大城市的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，由此產(chǎn)生了大量的基坑工程。越來越多的基坑工程鄰近或上跨既有的隧道，基坑開挖會造成周邊環(huán)境影響，主要表現(xiàn)為會改變基坑周圍土體的位移場和應(yīng)力場，引起應(yīng)力重分布[1]，從而在既有隧道上產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，嚴(yán)重威脅隧道的安全，兩者之間的沖突日益突出。因此，較為全面地評價(jià)基坑開挖條件下區(qū)間隧道的安全性具有重要的意義[2]。

頂管隧道由于有斷面超大、超淺埋、凈間距小、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地用于城市交通人行地道、地下共同溝、軌道交通區(qū)間等位置。尤其是超大斷面的矩形頂管隧道，地面沉降、結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化極難控制[3]。因此，附近深基坑開挖應(yīng)做好變形機(jī)理研究和模擬分析來確保頂管隧道的安全使用。

本文結(jié)合鄭州市某深基坑工程，采用FLAC3D軟件模擬了基坑開挖、支護(hù)等施工過程；研究不同工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍土體和鄰近下穿隧道的變形規(guī)律；研究了基坑開挖影響分區(qū)及相應(yīng)的施工對策。 研究結(jié)果可為其他類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

擬建工程為鄭州金成時(shí)代廣場，主體建筑地上高40層，地下4層，地上建筑采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻體系，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。基坑南側(cè)為已建成住宅小區(qū)，基坑北側(cè)距國內(nèi)首條(鄭州市中州大道)矩形頂管隧道僅為13.5 m。其余兩側(cè)為普通市政道路。本工程施工暫不考慮降水問題。該場地土層的基本物理參數(shù)見表1。

表1 土層基本物理參數(shù)表

基坑上部采用放坡開挖，放坡部分采用無砂混凝土小樁+土釘支護(hù)形式，基坑下部采用排樁預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護(hù)形式，如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖(尺寸標(biāo)注的單位：mm)

支護(hù)排樁直徑為1.5 m，樁長為21 m，嵌固深度為10.7 m，樁間距為1.5 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，樁間噴護(hù)C20細(xì)石混凝土厚度0.06 m；采用5道錨索，錨索采用高壓旋噴法成錨，自由段直徑為0.2 m，錨固段直徑為0.4 m，水平間距為1.5 m。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

依據(jù)圣維南原理，計(jì)算邊界一般選開挖尺寸的3倍～5倍比較合理[4]。計(jì)算模型為基坑北側(cè)的樁錨支護(hù)部分，其他部分不作分析?；娱_挖深度為13.3 m，模型總尺寸為120 m(x)×20 m(y)×56 m(z)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為38 786，網(wǎng)格單元數(shù)為34 000，如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

由于基坑周邊有多種荷載的影響，因此在基坑周邊各剖面布置26 kPa均布荷載。假定基坑模型側(cè)向邊界采用法向約束，模型底部采用固定約束、頂面自由[5]。土體的開挖過程用空模型Null來實(shí)現(xiàn)，土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，并且不考慮場地內(nèi)地下水的影響。

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬，在FLAC3D軟件中可以采用襯砌單元或?qū)嶓w單元進(jìn)行替代。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)上述兩種方式計(jì)算結(jié)果并無太大差異。相比于襯砌單元，實(shí)體單元有著物理模型清晰和參數(shù)相對較少且容易確定的優(yōu)點(diǎn)[6]，因此本工程采用實(shí)體單元進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬。

由等效剛度原理可知，采用一維軸力桿彈性單元模擬土釘及預(yù)應(yīng)力錨桿具有同等的精度，故在預(yù)應(yīng)力錨桿模擬方面，可以采用FLAC3D自帶的Cable 單元[4]?；娱_挖完成后的支護(hù)模型如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)模型

對于基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和頂管隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，參數(shù)取值見表2。

表2 實(shí)體單元計(jì)算參數(shù)取值

利用FLAC3D自帶的Cable單元模擬土釘和預(yù)應(yīng)力錨桿，見表3和表4。

表3 土釘計(jì)算參數(shù)

表4 預(yù)應(yīng)力錨桿計(jì)算參數(shù)

各種結(jié)構(gòu)單元之間的連接形式采用FLAC3D中自帶的Node-node連接，這種連接形式可以使各結(jié)構(gòu)單元之間的力和位移進(jìn)行相互傳遞，共同構(gòu)成樁-錨支護(hù)結(jié)構(gòu)[7]。

2.2 施工工況

本工程主要施工步驟見表5。

表5 基坑開挖模擬過程

3 結(jié)果分析

3.1 基外土體位移

隨著基坑內(nèi)土體的開挖卸荷，會使得基坑內(nèi)原狀土體的密實(shí)度逐漸減小、孔隙率不斷增大，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度不斷衰減，引起土體內(nèi)部應(yīng)力重分布[4]?？禹斖馏w應(yīng)力釋放，除了產(chǎn)生水平位移外，還會向下沉降[8]。

由于坑內(nèi)土體的開挖卸載，基坑底部有明顯的隆起，最大隆起量約為23.5 mm，如圖4所示；坑周土體沉降隨著基坑開挖深度的增大而增大，其沉降值呈現(xiàn)出隨著距坑邊緣距離的增大而逐漸減小的趨勢；開挖全部完成后，此時(shí)沉降達(dá)到最大值約6.89 mm，滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求。

圖4 開挖完成后基坑土體豎向位移云圖

基坑的開挖與支護(hù)完成后，基坑土體最大側(cè)移出現(xiàn)在了基坑底部坡腳處，最大側(cè)移值達(dá)到17.64 mm，見圖5。由圖6可以直觀看出基坑坑壁向基坑內(nèi)位移，坑底有一定的回彈隆起變形?；幼冃问噶考性谥猩喜浚市ㄐ螤?，基坑底部有一定卸荷回彈量[9]。

圖5 開挖完成后基坑土體水平位移云圖

圖6 基坑開挖土體位移矢量圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

基坑的圍護(hù)體系排樁是在第一步開挖后進(jìn)行施工的，故樁體的水平位移從第二步開挖開始分析。由圖7可知：不同工況下，隨著基坑開挖深度的增加，墻后土體的水平位移逐漸增大，最大水平位移出現(xiàn)在基坑底部約為17.6 mm。出現(xiàn)這種變形是由于基坑的開挖會破壞墻體前后土壓力的平衡，并且隨著墻后土層的不斷變形，才可以重新獲得新的平衡。對于基底以下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在墻體前被動土壓力的作用下，其變形不斷減弱，水平位移逐漸降低[10]。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移圖

3.3 基坑周圍地表沉降變形

從相關(guān)文獻(xiàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，基坑外土體沉降變形主要有三角形和凹槽形兩種典型形狀[11]。為了研究基坑開挖對周邊地表沉降的變化影響，自基坑開挖邊緣向外每隔5 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用來記錄坑外地表的沉降值[12]。地面沉降如圖8所示，為典型的凹槽形沉降曲線圖?；娱_挖完成后，地表沉降值最大的位置大概位于基坑邊緣外側(cè)15 m的地方，最大沉降值達(dá)到6.8 mm，之后隨離墻后距離的增加沉降值又逐漸減小，最后逐步趨于零。

圖8 地面沉降圖

3.4 頂管隧道變形

為了更加清晰的表示頂管隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎直位移，在每個(gè)結(jié)構(gòu)斷面分別選取(a、b、c、d)4 個(gè)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 各個(gè)隧道監(jiān)測點(diǎn)布置圖

頂管隧道位移確定方法如下[13]：

(1)

式中：xi為隧道第i個(gè)監(jiān)測斷面的水平位移;xci、xdi為i監(jiān)測斷面c、d處節(jié)點(diǎn)水平位移；zi為隧道第i個(gè)監(jiān)測斷面的豎向位移;zai、zbi為i監(jiān)測斷面a、b處節(jié)點(diǎn)豎直位移。

通過分析得出頂管隧道水平和豎向變形規(guī)律：

(1) 基坑開挖完成后頂管隧道結(jié)構(gòu)的水平位移表現(xiàn)為“左大、右小”的變化趨勢，即距離基坑越近水平位移越大。其中最大水平位移量為6.03 mm，最小水平位移量為0.29 mm。

(2) 左側(cè)兩隧道的豎向變形量明顯大于右側(cè)兩隧道，最大沉降位移量為3.11 mm，各部分變形均滿足頂管隧道結(jié)構(gòu)的安全使用要求。

(3) 基坑開挖施工對頂管隧道的不均勻變形影響的水平位移要強(qiáng)于豎向位移，因而頂管隧道在水平方向更容易出現(xiàn)拉彎破壞。

3.5 基坑影響分區(qū)及施工對策

根據(jù)基坑施工對周圍巖土體擾動和周邊環(huán)境的影響程度，可將基坑工程劃分為分為主要、次要和可能等三個(gè)工程影響分區(qū)[14]，見表6和圖10。

表6 基坑影響分區(qū)表

當(dāng)隧道位于影響區(qū)時(shí)需要采取施工對策才能保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常使用，可采取下列措施：

(1) 對基坑底部以下土體，可以根據(jù)現(xiàn)場具體情況采取滿堂或局部旋噴樁加固措施。當(dāng)既有隧道位于基坑側(cè)邊時(shí)，可主要對基坑被動區(qū)土體進(jìn)行旋噴樁加固。對土體進(jìn)行旋噴樁加固不僅能提高巖土體的密度，還能改善巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，從而提高巖土體抵抗變形的能力[15]。

(2) 對頂管隧道周圍土體采用注漿加固的方式，提高土體的抗剪切能力。進(jìn)而提高隧道抵抗變形的能力。

(3) 對基坑與隧道之間部位采用隔斷技術(shù)，主要是施作地下連續(xù)墻或者鋼管樁墻等措施，但其成本較高。

圖10 基坑影響分區(qū)圖

4 結(jié) 語

本文通過FLAC3D有限差分軟件對鄭州市金成時(shí)代廣場深基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，在采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)方案下，分析了基坑開挖的穩(wěn)定性以及對鄰近既有下穿隧道的變形影響，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 驗(yàn)證了基坑采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形特征為“兩端小、中間大”；地表沉降成拋物線形。符合基坑工程開挖的一般規(guī)律。

(2) 基坑開挖施工對頂管隧道的不均勻變形影響的水平位移要強(qiáng)于豎向位移，因而頂管隧道在水平方向更容易出現(xiàn)拉彎破壞。

(3) 采用對基坑被動區(qū)土體進(jìn)行旋噴樁加固的措施，減弱其對頂管隧道的影響。