汪 濤，汪東林

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著我國社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，城市在橫向擴(kuò)張的同時(shí)也在尋求如何更好利用城市的地下空間，其中就有深基坑工程和地鐵隧道工程等.由于城市土地資源的限制，有些深基坑的開挖不可避免地會(huì)影響到周圍原有環(huán)境，包括高樓和地下隧道，大量相關(guān)學(xué)者研究了深基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響.徐澤等[1]研究了蘇州某基坑開挖中既有管線的保護(hù)方案；儲(chǔ)成伍[2]采用數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的的方法研究了基坑開挖對(duì)鄰近鐵路路基的變形影響；吳錚等[3]利用ABAQUS軟件進(jìn)行了基坑開挖對(duì)下臥管線的變形影響分析；李陽[4]研究了基坑開挖對(duì)鄰近車站的影響并提出了相應(yīng)對(duì)策；林錦賢[5]按照不同施工階段探究了明挖法深基坑的安全風(fēng)險(xiǎn)和控制措施；劉晨等[6]使用MIDAS/GTS軟件模擬了復(fù)合土釘墻的支護(hù)效果，得出了復(fù)合土釘墻能夠減小基坑土體的位移.本文以合肥市某深基坑及其鄰近地下隧道為背景，使用MIDAS/GTS對(duì)基坑開挖及支護(hù)過程中隧道結(jié)構(gòu)截面的變形進(jìn)行模擬，研究基坑施工過程中隧道變形的有關(guān)規(guī)律，論證該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)及開挖方式的安全性.

1 工程概況

該工程為合肥市大學(xué)城地下空間利用項(xiàng)目的附屬連接通道中的基坑工程.該基坑總體呈長(zhǎng)條形布置，深度為10 m，基坑?xùn)|側(cè)鄰近合肥軌道交通3號(hào)線，與鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)相距距離為3.7-16.5 m.因此取距隧道3.7 m的最危險(xiǎn)截面建模，進(jìn)行有限元分析.基坑與地鐵隧道位置如圖1所示.

基坑兩側(cè)采用單排鉆孔灌注樁圍護(hù)，強(qiáng)度為C35，直徑1 000 mm，樁身長(zhǎng)度17 m.基坑內(nèi)部采用水平支撐形式，第一道C30混凝土支撐尺寸800 mm×800 mm；第二道Q335鋼支撐，直徑609 mm(t=16).基坑C30底板厚度800 mm.

圖1 基坑與隧道位置關(guān)系

2 建立模型

根據(jù)基坑與隧道的位置關(guān)系，選取二者相距最近的截面建立二維有限元模型，為保證分析結(jié)果合理有效，模型尺寸選定為長(zhǎng)106 m、深27.5 m，其中劃分網(wǎng)格尺寸均為0.5 m以確保結(jié)果精確.4個(gè)土層采用2D的修正摩爾庫倫模型，圍護(hù)樁、內(nèi)支撐、基坑底板均采用1D梁?jiǎn)卧M.基坑內(nèi)分步開挖的土體厚度分別為1 m、5.5 m和4.5 m；混凝土支撐和鋼支撐的標(biāo)高分別為0.5 m和-5.5 m.土層參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2所列，模型示意圖如圖2所示.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

本工程基坑由于開挖深度較大，故分層開挖，第一階段為原始場(chǎng)地，用來模擬初始應(yīng)力場(chǎng)，因合肥地鐵3號(hào)線在基坑施工前已建成通車，故位移清零.

運(yùn)用MIDAS/GTS軟件建立二維模型，具體施工工況見表3.

圖2 模型示意圖

表3 施工階段組

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道管片位移變化分析

由MIDAS/GTS軟件模擬所得工況2-工況6作用下隧道管片的總位移如圖3-圖6所示.

工況1和工況2：在本工程開工前合肥軌道3號(hào)線已完工通車，故位移清零，隧道管片無位移.

工況3：左線隧道，位移主要發(fā)生在隧道截面左側(cè)，最大位移發(fā)生在左上角，約為2.42 mm，位移量向兩側(cè)逐漸減小至2.0 mm，隧道右側(cè)變形相對(duì)較小，在1.4-1.6 mm之間，隧道底部沉降值在1.6-2.0 mm之間.右線隧道，最大位移在左側(cè)0.75 mm，位移量向兩側(cè)逐步減小至0.65mm，右側(cè)影響較小，位移量均在0.5-0.6 mm之間.因圍護(hù)樁施工，土體向隧道方向擠壓，左線隧道管片受影響較大總體變形趨勢(shì)扁平化且向右偏移，右線隧道受影響較小.

工況4：由于本階段開挖深度僅為1 m，且第一道支撐已完成施工.故右線隧道位移無明顯變化，左線隧道位移略微減小,最大值約為2.35 mm.整體變形趨勢(shì)同上一階段.

工況5：本階段開挖深度為5.5 m，左線隧道位移最大值減小為1.06 mm,且最大位移方位由左上角轉(zhuǎn)為左下角隧道底部附近，總體變形主要發(fā)生在左側(cè)位移量在1.06-0.90 mm之間，隧道底部上浮0.83-0.52 mm，位移量從左至右遞減.右線隧道位移最大值略有減小，從0.75 mm變?yōu)?.183 mm，但主要影響范圍有向右側(cè)變化的趨勢(shì).本階段隧道管片各位移量減小主要因?yàn)殚_挖深度較大土體的卸載作用導(dǎo)致隧道管片受到向內(nèi)的應(yīng)力減小.

工況6：左線隧道，位移最大值為3.40 mm，變形趨勢(shì)與上一階段相同，主要影響區(qū)域?yàn)樗淼雷髠?cè)，但數(shù)值明顯增大，隧道底部上浮量為1.53-2.46 mm.右線隧道，受影響略微增大，最大值為0.37 mm，主要受影響范圍為左下角.本次開挖達(dá)到了基坑設(shè)計(jì)最深處，對(duì)隧道管片的影響也達(dá)到了最大，但該內(nèi)支撐支護(hù)體系有效遏制了隧道管片的變形.

圖3 工況3隧道管片總位移

圖4 工況4隧道管片總位移

圖5 工況5隧道管片總位移

圖6 工況6隧道管片總位移

3.2 圍護(hù)樁位移變化分析

為了更加直觀地分析圍護(hù)樁位移，現(xiàn)將樁身18個(gè)節(jié)點(diǎn)各階段X、Y方向位移做數(shù)據(jù)處理，其中樁頂節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1.根據(jù)軟件分析結(jié)果，利用數(shù)據(jù)處理得出樁身位移變化數(shù)據(jù)圖，如圖7-圖9，其中水平位移向右為正值，數(shù)值位移向上為正值.圖7-圖10均采用origin pro繪制.

圖7 左側(cè)樁身水平位移

圖8 右側(cè)樁身水平位移

圖9 樁頂豎直位移

水平位移：由圖7和圖8可見，圍護(hù)樁在工況5、6時(shí)期受影響最大，主要表現(xiàn)為圍護(hù)樁由兩側(cè)向基坑內(nèi)位移，其中樁身中下部受影響較大.左右樁底分別最大水平位移分別是+0.526 mm、-0.303 mm.

豎直位移：工況3即樁身澆筑后樁頂發(fā)生了約5.1 mm的沉降，在工況4保持不變.工況5時(shí)豎直位移有所回落，兩側(cè)樁身由下沉變?yōu)槁晕⑸仙?，至工況6最終開挖，樁身達(dá)到隆起最大值，左側(cè)5.29 mm，右側(cè)5.62 mm.

3.3 基坑底部豎直位移分析

為更加直觀地分析基底位移，將基坑底部沿水平方向分為10個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)MIDAS/GTS計(jì)算結(jié)果匯總得出基底位移，如圖10所示.

圖10 基底位移

由工況4開始第一階段開挖，底部隆起值均為2.5 mm左右；工況5第二階段開挖變化最為明顯，基底隆起值達(dá)到了最大約18.6 mm，總體呈拱形，基底兩側(cè)隆起約為15 mm；最終開挖及底板施工后，基底隆起略有收斂，總體位移約減小4 mm.

4 結(jié)論

通過對(duì)MIDAS/GTS軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：本工程聯(lián)絡(luò)通道基坑開挖對(duì)緊鄰地鐵隧道的影響主要表現(xiàn)為隧道道床、拱頂?shù)纳细『驼w結(jié)構(gòu)的水平向收斂；在施工過程中左線隧道所受影響主要位于左上方，右線隧道受影響范圍主要在右側(cè)偏上；左右線隧道結(jié)構(gòu)位移最大值分別為3.402 mm、0.7508 mm，均低于規(guī)范控制值10 mm，此基坑支護(hù)方案可行.