張 愿，楊美玲

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545616)

0 引言

城市建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到既有隧道附近基坑開挖情況，基坑開挖會(huì)引起隧道上方土體卸荷，進(jìn)而會(huì)影響隧道的安全，因此，研究基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響具有重要的意義。近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究，鄭剛、鄒偉彪等[1-2]以某既有隧道上方的基坑工程為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)基坑的實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬，分析了既有隧道箱體兩側(cè)的土體加固、澆筑底板與抗浮樁形成“保護(hù)箍”以及堆載回壓等措施對(duì)既有箱體軌道的影響；詹劍青、郭永發(fā)等[3-4]以深基坑開挖對(duì)其鄰近隧道的影響為研究內(nèi)容，通過有限元數(shù)值分析，研究了不同情況下深基坑開挖對(duì)鄰近隧道的影響，研究結(jié)果可為施工提供參考；郭院成等[5]以某地區(qū)粉土中鄰近地鐵的基坑工程為案例進(jìn)行研究，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)得到了相關(guān)具體力學(xué)參數(shù)取值，并建立了基坑開挖對(duì)下臥服役地鐵隧道影響的三維數(shù)值分析模型，分析了基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道的位移影響；萬蓓菁等[6]以某城市軌道交通1號(hào)線區(qū)間隧道鄰近基坑工程為例，詳細(xì)闡述了基坑開挖過程中采取的各項(xiàng)技術(shù)措施，并對(duì)數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比，為其他同類型工程提供參考。本文主要以鄰近既有地鐵隧道左上方基坑開挖為研究對(duì)象，采用有限差分軟件FLAC 3D建模分析，重點(diǎn)分析了基坑開挖過程中隧道的變形規(guī)律，研究結(jié)果可為類似鄰近既有地鐵隧道基坑開挖和保護(hù)提供參考和借鑒。

1 工程概況

某基坑開挖工程鄰近既有地鐵隧道，基坑最大開挖深度為12.0 m，每次開挖3 m，分4步進(jìn)行開挖。基坑開挖范圍內(nèi)從上至下主要依次為填土層、粉質(zhì)黏土層以及砂礫層。該基坑工程擬采用灌注樁、冠梁和錨索的支護(hù)形式，支護(hù)樁和冠梁均采用C25混凝土，其中冠梁設(shè)置在頂部，尺寸為800 mm×1 200 mm，支護(hù)樁樁徑取1 m，樁間距為1.5 m，樁長為22 m?；铀闹茉O(shè)置有止水帷幕，止水帷幕高8.7 m。隧道直徑為6.0 m，管片厚度為30 cm，具體如圖1所示。

圖1 基坑結(jié)構(gòu)斷面示意圖(m)

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

如下頁圖2所示，采用FLAC 3D軟件建立模型，模型的長、寬、高分別為100 m×10 m×40 m，從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、黏土、細(xì)砂土和中砂土，厚度依次為1.8 m、14.3 m、9.1 m、8.6 m和7.2 m。模型采用摩爾-庫侖作為本構(gòu)模型，除模型上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束?；娱_挖深度為12 m，共分4次開挖。模擬時(shí)在基坑頂部距離坑邊2.0 m外設(shè)置條形荷載，荷載大小取20 kPa，作用寬度取18.0 m。該基坑共設(shè)置3層錨索，腰梁采用22 b工字鋼，錨索深度分別為-2.8 m、-5.7 m和-9.1 m，從上至下錨索長度依次為20 m、21 m和21 m，錨固段長度依次為13 m、16 m和15 m。采用一樁一錨固，錨固傾角為15°，預(yù)應(yīng)力為350 kN。表1和表2分別為土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)表。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 各單元力學(xué)參數(shù)表

圖2 數(shù)值模型圖

2.2 工況設(shè)置

本文共設(shè)置4種工況，錨索從上至下分別設(shè)置在-2.8 m、-5.7 m和-9.1 m的位置，具體如圖3所示。

圖3 工況設(shè)置示意圖

2.3 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了更好地研究基坑開挖對(duì)鄰近既有隧道的變形影響，如圖4所示，在隧道襯砌上設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即1#～8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，任意兩個(gè)點(diǎn)連圓心之間的夾角均為45°，1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道拱頂。

圖4 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 開挖過程中支護(hù)樁水平位移分析

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性，如圖5所示，為四種不同工況下支護(hù)樁水平位移模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線。由圖5可知，工況一和工況二支護(hù)樁最大水平位移均在樁頂，且從上至下基本呈現(xiàn)出水平位移逐漸減小直至穩(wěn)定的趨勢(shì)，數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)的最大水平位移分別為3.18 mm和5.70 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的最大水平位移分別為2.72 mm和4.36 mm；工況三和工況四支護(hù)樁最大水平位移從上至下呈現(xiàn)出先增大后減小直至穩(wěn)定的趨勢(shì)，數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)的最大水平位移分別為11.74 mm和13.23 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的最大水平位移分別為9.16 mm和12.11 mm。四種工況下支護(hù)樁水平位移數(shù)值模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值整體吻合度良好，說明本文數(shù)值模擬方法的合理性和可行性。

(a)工況一

3.2 既有隧道水平位移分析

基坑開挖卸荷會(huì)導(dǎo)致土體變形，勢(shì)必會(huì)對(duì)隧道的變形產(chǎn)生影響，如圖6所示，取隧道中部的切片，給出了4種不同工況下的隧道水平位移云圖。由圖6可知，4種工況下隧道均整體向左側(cè)發(fā)生水平位移，這與基坑位于隧道左側(cè)且開挖卸荷有關(guān)。不同工況下隧道最大水平位移均發(fā)生在左側(cè)拱肩附近，最小水平位移均發(fā)生在右側(cè)拱腳附近。由此可知，基坑開挖工程中，隧道始終朝著基坑一側(cè)發(fā)生水平位移，且隧道水平位移隨基坑開挖深度增大而增大。

(a)工況一

為了更直觀地分析隧道的水平位移變化規(guī)律，如圖7所示，給出了不同工況下隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化情況，以隧道向左位移為正，反之為負(fù)。由圖7可知，各種工況下隧道左側(cè)水平位移均明顯大于右側(cè)，隨著基坑開挖深度不斷增大，隧道水平位移不斷增大。其中8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移始終最大，4種工況下，8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平位移分別為1.01 mm、1.55 mm、2.40 mm和3.31 mm。

圖7 不同工況下隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移玫瑰圖

3.3 既有隧道豎向位移分析

如圖8所示，取隧道中部的切片，給出了4種不同工況下的隧道豎向位移云圖。由圖8可知，4種工況下隧道均整體向上側(cè)發(fā)生豎向位移，這與隧道斜上方基坑開挖卸荷有關(guān)。不同工況下隧道最大豎向位移均發(fā)生在左側(cè)拱腰略偏上附近，最小豎向位移均發(fā)生在右側(cè)拱腰附近，且左半部分隧道豎向位移量始終大于右側(cè)。由此可知，基坑開挖工程中，離基坑較近一側(cè)的隧道豎向位移大于離基坑較遠(yuǎn)一側(cè)，且隧道豎向位移隨基坑開挖深度增大而增大。

(a)工況一

如圖9所示，給出了不同工況下隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化情況，以隧道向上位移為正，反之為負(fù)。由圖9可知，各種工況下隧道左側(cè)豎向位移均明顯大于右側(cè)，隨著基坑開挖深度不斷增大，隧道豎向位移不斷增大。其中7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)和8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移基本相當(dāng)且最大，4種工況下，最大豎向位移分別為1.02 mm、1.76 mm、2.76 mm和3.58 mm。

圖9 不同工況下隧道關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移玫瑰圖

4 結(jié)語

本文主要以鄰近既有地鐵隧道左上方基坑開挖為研究對(duì)象，采用有限差分軟件FLAC 3D建模分析，重點(diǎn)分析了基坑開挖過程中隧道的變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)各工況下支護(hù)樁水平位移數(shù)值模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值整體吻合度良好，說明本文數(shù)值模擬方法的合理性和可行性。

(2)基坑開挖過程中隧道均整體向左側(cè)發(fā)生水平位移，不同工況下隧道最大水平位移均發(fā)生在左側(cè)拱肩附近，最小水平位移均發(fā)生在右側(cè)拱腳附近。即基坑開挖工程中，隧道始終朝著基坑一側(cè)發(fā)生水平位移，且隧道水平位移隨基坑開挖深度增大而增大。

(3)基坑開挖過程中隧道均整體向上發(fā)生隆起位移，離基坑較近一側(cè)的隧道豎向位移大于離基坑較遠(yuǎn)一側(cè)，且隧道豎向位移隨基坑開挖深度增大而增大。