趙志孟，鄭偉鋒，劉慧芬

（1、廣州創(chuàng)易巖土工程有限公司 廣州510663；2、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院 廣東佛山528225）

關(guān)鍵字：基坑支護(hù)；數(shù)值模擬分析；修正摩爾庫(kù)侖；隧道變形；近接隧道；

0 引言

近幾年大中小城市地下空間資源的大力發(fā)掘，基坑設(shè)計(jì)由簡(jiǎn)單的控制自身變形到不影響周圍建筑的使用。由于地下建筑錯(cuò)綜復(fù)雜，一個(gè)深基坑的開挖必然會(huì)對(duì)周圍的其他建筑產(chǎn)生不可忽略的影響，尤其是地鐵隧道，對(duì)變形要求極為嚴(yán)格，需要控制在十幾毫米甚至幾毫米以內(nèi)?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)不僅要保證基坑的穩(wěn)定性與變形要求，對(duì)周圍建筑的影響也極為重要，要保證不影響周圍建筑的正常使用。左殿軍［1］針對(duì)招商銀行深圳分行大廈深基坑開挖工程進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為基坑開挖會(huì)對(duì)隧道襯砌位移產(chǎn)生影響，內(nèi)支撐間距過大會(huì)使得位移增加速率較快；楊貴生［2］以土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用穩(wěn)定性為對(duì)象進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，基坑開挖會(huì)引起土體位移增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形；孟祥箏［3］運(yùn)用PLAXIS 軟件分析了某基坑在開挖過程中，鄰近地鐵區(qū)間的土體位移和管片變形的發(fā)展規(guī)律，得出在開挖過程中，基坑底部產(chǎn)生底層最大豎向位移，基坑頂部產(chǎn)生最大水平位移，地鐵隧道處的低層位移變化較??；張保存等人［4-6］以基坑開挖對(duì)近接既有地鐵線進(jìn)行模擬分析，基坑開挖對(duì)既有線的影響主要表現(xiàn)在水平位移，豎直位移很小，可忽略不計(jì)；于升才［7］運(yùn)用PLAXIS 3D 有限元軟件對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，得出長(zhǎng)大基坑分成多個(gè)小基坑開挖時(shí)，鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基坑的開挖對(duì)以有地鐵產(chǎn)生較大的位移；曹順等人［8-10］認(rèn)為基坑開挖越深對(duì)臨近地鐵隧道的變形影響越明顯，變形主要以豎向隆起為主，采取合理的施工措施可以有效的控制隧道變形，本文對(duì)深基坑支護(hù)與開挖進(jìn)行模擬，分析該種支護(hù)方式用在近臨地鐵隧道的基坑開挖中對(duì)隧道的影響程度。

1 工程概況

某工程位于深圳市福田區(qū)，本工程設(shè)置5 層地下室，項(xiàng)目用地面積約6 262 m2，場(chǎng)地北側(cè)為一已施工封頂完成的塔樓，有5層地下室，本工程北側(cè)設(shè)置有9.2 m寬通道聯(lián)通南塔地下室；場(chǎng)地西、南側(cè)為一條道路，路下有燃?xì)狻⒂晁?、污水、給水、電力、通訊等管線，東側(cè)基坑邊24 m外有一條客運(yùn)線盾構(gòu)隧道，場(chǎng)地周圍環(huán)境布置如圖1所示。

圖1 基坑及地鐵位置關(guān)系Fig.1 The Relationship between the Foundation Pit and the Subway （m）

基坑周邊現(xiàn)狀地面標(biāo)高約6.0～6.8 m，基坑底標(biāo)高分-15.65 m 和-16.65 m 兩個(gè)區(qū)域，故基坑開挖深度為22.25～25.25 m，基坑周長(zhǎng)約304.8 m，面積約6 262.1 m2。基坑開挖主要揭露土層為雜填土、粘性土、中粗砂、礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖等。場(chǎng)地?zé)o地表水，地下分為孔隙水和基巖裂隙水2 類，孔隙水主要賦存在粗砂層中，其透水性較好，含水量較豐富，基巖裂隙水主要賦存在強(qiáng)、中風(fēng)化帶的裂隙中，水量一般，呈弱～中等透水性。

基坑分3層開挖，地面清表后在標(biāo)高6.6 m處施工第1 道支撐；第1 層開挖至標(biāo)高-0.3 m 處，施工第2 道支撐；第2 層開挖至標(biāo)高-7.8 m 處，施工第3 道支撐；第3 層直接開挖至坑底，如圖2 所示?；影踩燃?jí)定位一級(jí)。為保證地鐵隧道的安全，設(shè)計(jì)采用地連墻加3 道內(nèi)環(huán)撐的支護(hù)方式，并擬采取分層對(duì)稱開挖方法。本文運(yùn)用MIDAS有限元軟件建立二維模型分析。

圖2 臨近隧道基坑剖面Fig.2 Section of the Adjacent Tunnel Foundation Pit （m）

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1 支撐體系

基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)，地下連續(xù)墻外側(cè)貼用地紅線，兼作地下室外墻；豎向布置3道內(nèi)支撐。施工地下連續(xù)墻之前先施工導(dǎo)槽，地下連續(xù)墻在地面施工，現(xiàn)狀地面至地下連續(xù)墻頂部分以導(dǎo)槽支護(hù)。通道采用咬合樁+內(nèi)支撐支護(hù)，如圖3所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面Fig.3 Supporting Structure Plan

2.2 擋土與止水

采用地下連續(xù)墻作為擋土止水結(jié)構(gòu)，墻入坑底12 m，采用C40 等級(jí)混凝土澆筑，抗?jié)B等級(jí)P12，預(yù)埋在地下連續(xù)墻的鋼筋和直螺紋接頭在地下連續(xù)墻中部往上彎折，以防止預(yù)埋件在墻體厚度方向貫通形成滲水路徑。地下連續(xù)墻接頭采用工字鋼接頭，增加水的滲透路徑；澆筑基礎(chǔ)底板時(shí)，在地下連續(xù)墻與底板接觸面位置設(shè)置遇水膨脹橡膠止水帶和止水鋼板。

3 數(shù)值模擬分析

本次建模采用MIDAS軟件里的修正摩爾-庫(kù)倫硬化土本構(gòu)模型，作為以經(jīng)典塑性理論為基礎(chǔ)的屈服面模型，其彈性部分采用了合理的雙剛度，加卸載模量分別定義，考慮了土體壓硬性。塑性部分采用非相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則和各向同性的硬化準(zhǔn)則。修正摩爾庫(kù)倫模型能模擬土體發(fā)生塑性剪切應(yīng)變和塑性體積應(yīng)變，該模型的剪切屈服面與摩爾-庫(kù)倫模型相同，是1 個(gè)六面錐形，壓縮屈服面是帽子形狀的屈服面，并且2個(gè)屈服面是相互獨(dú)立的，而應(yīng)變硬化土模型的屈服面隨著產(chǎn)生的塑性變形不斷擴(kuò)大，能反映出土體的應(yīng)力路徑。其體積屈服面和剪切屈服面如圖4所示。

圖4 修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)的體積屈服面和剪切屈服面Fig.4 Modified Volume Yield Surface and Shear Yield Surface of Moore Coulomb Constitutive

3.1 材料參數(shù)的確定

模擬所采用的土體參數(shù)由本工程場(chǎng)地勘察報(bào)告里面的數(shù)據(jù)所提供，具體計(jì)算參數(shù)如表1 所示。其他材料根據(jù)實(shí)際情況選取，如表2所示。

表1 主要巖土物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main Geotechnical Physical and Mechanical Parameters

表2 結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)Tab.2 Structural Material Calculation Parameters

3.2 模型建立

對(duì)斷面4-4（見圖1）進(jìn)行有限元分析，采用MI?DAS 土工有限元軟件，建立2D 有限元模型，計(jì)算模型長(zhǎng)度取108 m，深度取80 m，網(wǎng)格采用四邊形和三角形混合網(wǎng)格劃分，共8 710 個(gè)單元。基坑內(nèi)支撐采用1D線彈性梁?jiǎn)卧?，支撐立柱采?D 植入式梁?jiǎn)卧?，基坑地下連續(xù)墻、高鐵隧道襯砌等假設(shè)二維彈性板單元，各土層則假設(shè)為彈塑性體，材料本構(gòu)模型準(zhǔn)則采用修正摩爾-庫(kù)倫硬化土本構(gòu)模型，對(duì)模型左、右、下三邊界施加約束，其中下部邊界采取全自由度約束，側(cè)面兩邊界采取X，Z兩方向約束。建立模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型Fig.5 Calculation Model

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

為驗(yàn)證基坑支護(hù)的情況，查看基坑開挖對(duì)隧道的影響程度，進(jìn)行了2 種情況下的基坑支護(hù)開挖全過程模擬分析，①基坑正常支護(hù)情況下隧道位移的模擬，共有8個(gè)工況：［工況1］地連墻+立柱施工，［工況2］開挖第1層土，［工況3］布置第1道支撐，［工況4］開挖第2 層土，［工況5］布置第2 道支撐，［工況6］開挖第3 層土，［工況7］布置第3 道支撐，［工況8］開挖至坑底。②最不利情況下即基坑坍塌時(shí)隧道發(fā)生的位移模擬。如此，可驗(yàn)證本支護(hù)設(shè)計(jì)下隧道是否安全。

3.3.1 基坑正常支護(hù)的隧道位移

8個(gè)工況最大位移發(fā)生在第6工況，開挖第3層土?xí)r，X 方向最大位移為2.16 mm，Y 方向最大位移為0.98 mm，如圖6所示。

圖6 工況6位移Fig.6 Working Condition 6 Displacement

從位移量大小來(lái)說，其值遠(yuǎn)小于深圳市地鐵有限公司發(fā)布的《城市軌道交通安全保護(hù)區(qū)施工管理辦法》對(duì)于地鐵隧道結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量與水平位移小于10 mm的規(guī)定，所以該支護(hù)方式安全可行。

在隧道所受應(yīng)力方面，當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，土體卸載量達(dá)到最大，此時(shí)，彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，隧道的彎曲壓應(yīng)力值為-18.76 MPa（-代表壓力），拉應(yīng)力為7.74 MPa。

圖7 彎曲應(yīng)力Fig.7 Bending Stress

3.3.2 基坑坍塌時(shí)的隧道位移

由于客運(yùn)地鐵安全事故的重大性，若因基坑的坍塌而導(dǎo)致地鐵變形過大，其后果無(wú)法設(shè)想，因此，本文從基坑坍塌這一最不利工況下分析隧道的位移，來(lái)確定本設(shè)計(jì)的最終可行性。

基坑支護(hù)失效，即為基坑周邊土體滑坡，按照基坑周邊土體主要是礫質(zhì)黏土，礫質(zhì)黏土穩(wěn)定坡率為1∶1，建立基坑滑坡后的土體模型?；釉赬方向最大位移11.8 mm，在Y方向的最大位移為21.4 mm，如圖8所示。

圖8 基坑坍塌時(shí)位移Fig.8 Displacement when Foundation Pit Collapses

根據(jù)計(jì)算模擬結(jié)果如圖9 可知，盾構(gòu)隧道在X 方向的最大位移7.21 mm，在Y方向的最大位移為4.6 mm。地鐵隧道位移值遠(yuǎn)小于深圳市對(duì)于地鐵隧道結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量與水平位移小于20 mm 的規(guī)定，所以即使該支護(hù)方式失效，也不會(huì)引起地鐵隧道發(fā)生安全事故。

圖9 基坑坍塌時(shí)隧道位移結(jié)果Fig.9 Results of Tunnel Displacement when the Foundation Pit Collapses

隧道應(yīng)力模擬計(jì)算結(jié)果如圖10 所示，隧道的彎曲壓應(yīng)力為-18.90 MPa（-代表壓力），拉應(yīng)力為10.57 MPa。

圖10 基坑坍塌時(shí)隧道的彎曲應(yīng)力Fig.10 Tunnel Bending Stress when Foundation Pit Collapses

4 結(jié)語(yǔ)

⑴對(duì)于該地區(qū)的類似土層可以采用“地連墻+3道內(nèi)環(huán)撐”作為深基坑的支護(hù)方式，能夠有效控制變形，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

⑵近鄰隧道的變形除了與基坑土層的開挖有關(guān)之外，還與基坑的支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)，需要加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測(cè)，防止坍塌。

⑶利用數(shù)值模擬分析軟件，可模擬出整個(gè)施工過程中的危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力、位移，用數(shù)據(jù)來(lái)形象地顯示出對(duì)基坑周圍建筑的影響大小，為基坑設(shè)計(jì)的可行性提供參考，對(duì)于周圍建筑的安全性評(píng)判也可以起到一定的作用。