高 大，劉 陽，李賢東

(沈陽市市政工程設(shè)計研究院有限公司 沈陽市 110016)

0 引言

地鐵隧道上方基坑開挖將導(dǎo)致隧道上方大面積卸荷，土體卸荷對下方地鐵隧道主要產(chǎn)生以下兩個方面的影響：

(1)土體卸荷將導(dǎo)致基坑底部土層產(chǎn)生回彈變形。

(2)基坑兩側(cè)土體向基坑內(nèi)發(fā)生位移，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形，進(jìn)而導(dǎo)致地鐵隧道發(fā)生變形[1-5]。

為研究長距離基坑大面積開挖對下方地鐵隧道的變形影響，結(jié)合沈陽長青街快速路南延工程，采用MIDAS-GTS-NX有限元軟件對沈陽地鐵十號線理張區(qū)間隧道上方快速路南延工程框構(gòu)橋基坑開挖施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對地鐵隧道的位移變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程背景

1.1 工程概況

理張區(qū)間盾構(gòu)外徑為6m，內(nèi)徑為5.4m；襯砌管片寬度為1.2m，厚度為0.3m。線間距為15m；區(qū)間隧道埋深為16.8m?？驑?gòu)橋基坑深4.5m，基坑底部距離區(qū)間隧道頂部約為12.4m。二者的相對位置關(guān)系詳見圖1、圖2。

圖1 平面位置關(guān)系圖

圖2 豎向位置關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)長青街快速路南延工程(遠(yuǎn)航中路-三環(huán))勘察報告提供的數(shù)據(jù)，該地區(qū)土層自上到下分別為：雜填土、粉質(zhì)粘土、礫砂，注漿加固區(qū)全部位于粉質(zhì)粘土層內(nèi)，區(qū)間隧道主要位于礫砂層內(nèi)(圖3)。

圖3 地質(zhì)剖面圖

2 有限元模型

2.1 模型建立

Midas GTS NX是一款通用巖土有限元分析軟件。在開發(fā)階段通過幾千種例題的計算，將其計算結(jié)果與理論值、及其他程序的計算結(jié)果進(jìn)行了比較、驗證，并在大量的工程項目上得到了運用。因此，使用Midas GTS NX軟件進(jìn)行得到的結(jié)果是可信的。

采用Midas GTS NX進(jìn)行三維數(shù)值模擬，見圖4。土層本構(gòu)模型為修正莫爾庫倫準(zhǔn)則。區(qū)間隧道管片、圍護(hù)樁和框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬，土層采用實體單元模擬。模型大小為(長×寬×高)294m×98m×40m，共102100個節(jié)點，137194個單元。模型的約束條件為：除地表為自由表面外，其他均為法向約束。

圖4 三維有限元計算模型

2.2 材料參數(shù)

土層物理力學(xué)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工模擬

工況1：初始地應(yīng)力分析，位移清零。

工況2：施作基坑鉆孔灌注樁。

工況3：進(jìn)行基坑內(nèi)第一層土方開挖，開挖3m。

工況4：進(jìn)行基坑內(nèi)第二層土方開挖，開挖至基坑底部。

工況5：模擬框架結(jié)構(gòu)施工。

3 結(jié)果分析

3.1 基坑開挖對地鐵隧道的影響

圖5為各工況下地鐵隧道的隆起最大值，可以看到地鐵隧道的豎向隆起最大值出現(xiàn)在工況4，即開挖至基坑最低點且未施工框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)前。圖6為該工況下的地鐵隧道豎向位移云圖?？梢钥吹阶畲舐∑鹬导s為7.5mm，已超過6mm的控制值要求。結(jié)構(gòu)施工完成后，隧道隆起值約為4.5mm。因此，需對地鐵隧道采取保護(hù)措施以滿足隧道的變形控制值要求。

圖5 沉降曲線

圖6 沉降云圖

3.2 基坑底部加固對地鐵隧道的影響

為確保地鐵隧道運行安全，采取在基坑底部注漿加固的處理措施，加固深度4m，如圖2、圖3所示。

注漿加固的模擬在2.3節(jié)的工況2中進(jìn)行模擬。圖7為各工況下地鐵隧道的隆起最大值，可以看到地鐵隧道的豎向隆起最大值出現(xiàn)在工況4，即開挖至基坑最低點且未施工框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)前。圖8為該工況下的地鐵隧道豎向位移云圖?？梢钥吹阶{加固后地鐵隧道的最大隆起值約為5.7mm，與不加固相比，隆起值下降了約為1.8mm，小于6mm的控制值要求。結(jié)構(gòu)施工完成后，隧道隆起值約為2.8mm?？梢姡扇』拥撞孔{加固可以有效地限值下方地鐵隧道的隆起，對控制地鐵隧道豎向位移可以起到較好的作用。

圖7 沉降曲線

圖8 沉降云圖

由圖6和圖8地鐵隧道沉降云圖可以看到，隧道的最大隆起值均發(fā)生在隧道左線(即上方隧道)。從圖1、圖2可以看到，隧道左線位于基坑正下方，而隧道右線位于基坑邊緣。因此，隧道左線產(chǎn)生較大隆起。

3.3 加固區(qū)厚度對地鐵隧道隆起的影響

為研究基坑底部加固區(qū)厚度對地鐵隧道隆起值的影響，對加固3m工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖9為不同加固厚度下，地鐵隧道隆起值曲線。從圖中可以看到，隨著加固區(qū)厚度的增加，地鐵隧道的最大隆起值呈降低的趨勢。但是加固區(qū)3m時不滿足6mm的地鐵隧道控制值要求。因此，在滿足地鐵隧道與加固區(qū)之間最小距離要求的前提下，增大基坑底部加固區(qū)厚度可有效控制隧道隆起。

圖9 沉降云圖

4 結(jié)論

以沈陽長青街快速路南延工程框構(gòu)橋與沈陽地鐵十號線理張區(qū)間隧道長距離并行基坑為例，采用MIDAS-GTS-NX有限元軟件框構(gòu)橋基坑開挖施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對地鐵隧道的位移變化規(guī)律進(jìn)行分析。主要得出結(jié)論如下：

(1)隨著加固區(qū)厚度的增加，地鐵隧道的隆起值呈降低趨勢，在滿足地鐵隧道與加固區(qū)最小距離要求的前提下，增大基坑底部加固區(qū)厚度可以作為控制隧道隆起的有效措施。未采取加固措施時，隧道隆起值約為7.5mm，超過6mm的極限控制值要求。在基坑底部4m厚度土體進(jìn)行加固后，隆起值減小至約為5.7mm，滿足隧道的隆起控制值要求。

(2)基坑開挖至最底部時，地鐵隧道向上發(fā)生最大隆起。即基坑卸載率對基坑底回彈和隧道隆起有較大的影響。為進(jìn)一步控制隧道隆起，施工時可采取分層、分段、分時開挖，并及時施工地鐵隧道上方框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)。