蘇 妮， 曹廣勇

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

基坑開挖必然使得周圍土體與附近隧道產(chǎn)生沉降變形，對(duì)隧道的運(yùn)營構(gòu)成安全問題。既有隧道在運(yùn)行過程中對(duì)于變形要求非常嚴(yán)格，隧道地鐵結(jié)構(gòu)物等的絕對(duì)沉降量及水平位移量至多20 mm，變形曲率半徑最小15 000 m，相對(duì)彎曲至多1/2 500。因此，合理地控制深基坑開挖引起的周邊土體與臨近隧道變形，確?；庸こ毯袜徑\(yùn)行隧道的安全可靠非常重要[1]。郭家武等[2-7]通過實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得出，控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形可有效控制深基坑開挖的安全性。丁克偉等[8-9]通過實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得出，修正摩爾本構(gòu)模型的數(shù)值計(jì)算對(duì)基坑周邊臨近建筑物變形控制是有效的。

本文以徐州市某工程為背景進(jìn)行深基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)周邊土體與既有隧道的影響性分析，首先設(shè)計(jì)支護(hù)方案的常用構(gòu)成結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件 MIDAS/GTS按實(shí)際工程順序建立三維模型模擬計(jì)算結(jié)果，分析基坑開挖過程中形成的周邊土體變形以及對(duì)既有隧道的影響程度，同時(shí)還分析了支護(hù)方案中常用支護(hù)結(jié)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)，為今后解決含砂姜土質(zhì)下基坑開挖下穿隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)影響問題提供參考。

1 工程背景

本項(xiàng)目基坑長(zhǎng)30.1 m，寬15.04 m，整個(gè)基坑開挖深度9 m左右。基坑的既有隧道是新建成使用的雙排近距頂管隧道，隧道埋深17.42 m，兩管道直徑2.02 m，兩平行隧道橫向間距2.02 m。隧道穿越徐洪河段全長(zhǎng)592 m，位于含砂姜黏土層，采用雙排D2020的鋼管進(jìn)行頂管施工。從地質(zhì)條件來說，該工程自上而下劃分共5層：粉土夾粉砂層(厚1.06 m)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(厚4.64 m)、粉土夾粉砂層(厚1.7 m)、黏土層(厚4.0 m)以及含砂姜黏土層。隧道所處地層為含砂姜黏土層，主要成分為黏土，具備黏性大、強(qiáng)度高、摩阻系數(shù)較大等特點(diǎn)。根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，地下水均屬于潛水，基坑開挖不考慮滲流影響。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

本文數(shù)值模擬計(jì)算采用的有限元軟件為Midas/GTS。首先，假定土體與各個(gè)結(jié)構(gòu)屬性是各向同性均勻連續(xù)的，地層的初始應(yīng)力場(chǎng)是均勻分布的。通過對(duì)深基坑開挖常用支護(hù)結(jié)構(gòu)不同組合方案下的數(shù)值模擬來分析對(duì)周邊土體與既有隧道的影響性與重要程度。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)組合方案

本項(xiàng)目初始支護(hù)方案由基坑立柱、地連墻、圈梁與內(nèi)支撐、錨桿組成，基坑開挖分3步走，每次開挖3 m左右。首先，進(jìn)行基坑立柱施工與地連墻的施工；其次，隨著基坑的開挖同步設(shè)置與基坑同尺寸的圈梁與支撐。0 m位置處的第1層圈梁和內(nèi)支撐，-3 m位置處設(shè)置第2層圈梁與內(nèi)支撐，-6 m處設(shè)置第3層圈梁與錨桿。第2個(gè)支護(hù)模擬方案組成為立柱與地連墻。第3個(gè)支護(hù)模擬方案為立柱、圈梁與內(nèi)支撐、錨桿。第4個(gè)支護(hù)模擬方案為地連墻與圈梁、支撐、錨桿。圈梁與支撐尺寸分別為0.8 m×1 m和1 m×0.8 m，地連墻的厚度為1 m，立柱樁直徑為0.9 m，錨桿直徑為0.025 m，長(zhǎng)度為10 m。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

土體材料采用莫爾-庫倫模型，材料屬性為3D單元實(shí)體，通過擴(kuò)展實(shí)體幾何進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分?；硬牧蠈傩詾?D單元實(shí)體。地連墻與隧道通道采用彈性模型，材料屬性為2D板單元。圈梁、支撐采用彈性模型，材料屬性為1D板單元。錨桿是彈性模型1D植入式桁架單元，立柱樁為1D梁?jiǎn)卧獜椥阅Ｐ停枰O(shè)置立柱樁約束，限制立柱豎向的自由度，以達(dá)到1D與3D的耦合。材料屬性及主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性及力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)據(jù)分析

土體網(wǎng)格模型如圖1所示。網(wǎng)格模型示意圖分為土體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖。

(a)土體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 (b)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

3.1 對(duì)既有隧道的沉降影響

各支護(hù)結(jié)構(gòu)組合下既有隧道的位移變化如圖2所示。由圖2可得，當(dāng)基坑開挖的支護(hù)方案由基坑立柱、地連墻與圈梁、內(nèi)支撐、錨桿組成時(shí)，最后一步基坑開挖后隧道的位移變化值為13.4 mm，位移變化在規(guī)定范圍內(nèi)。同理，當(dāng)采用第2、第3、第4支護(hù)方案時(shí)，基坑開挖對(duì)既有隧道的最大位移變化值分別為14.7 mm、16.5 mm以及14.2 mm。所有方案對(duì)隧道位移變化的影響值均在規(guī)定范圍(不大于20 mm)內(nèi)。

(a)第1支護(hù)方案 (b)第2支護(hù)方案

(c)第3支護(hù)方案 (d)第4支護(hù)方案

3.2 對(duì)基坑周邊土體的沉降影響

各支護(hù)方案下周邊土體縱向位移變化如圖3所示。

(a)第1支護(hù)方案 (b)第2支護(hù)方案

(c)第3支護(hù)方案 (d)第4支護(hù)方案

由圖3可得，當(dāng)基坑開挖的支護(hù)方案采用初始方案時(shí)，最后一步基坑開挖后周邊土體的最大縱向位移變化值為8.5 mm，當(dāng)采用第2、第3、第4支護(hù)方案時(shí)，基坑開挖對(duì)周邊土體縱向的位移值分別為15 mm、110.8 mm和8.8 mm。

4 結(jié) 語

對(duì)下穿既有隧道基坑開挖的不同支護(hù)方案進(jìn)行有限元分析，幾種方案的組合對(duì)隧道位移變化的影響值均在規(guī)范范圍內(nèi)。在這幾種支護(hù)結(jié)構(gòu)中，地連墻的存在無論是對(duì)既有隧道位移的影響還是對(duì)基坑周邊土體的影響皆最大。若僅考慮支護(hù)方案對(duì)隧道的影響，基于安全性與經(jīng)濟(jì)性的兩方面原因則最優(yōu)方案為第2支護(hù)方案，即由立柱與地連墻結(jié)構(gòu)組成的方案；若以安全第一則第1支護(hù)方案最佳；若考慮整體土體與既有隧道的安全性影響則第1支護(hù)方案和第4支護(hù)方案最佳。