基坑開挖對隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

王幸林

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶 400016)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，近年來地鐵在我國各大城市迅速興建，與此同時，地鐵沿線的各種工程項目的數(shù)量和規(guī)模也迅速增加，地鐵隧道的安全性不可避免地會受到周邊沿線各種工程活動影響。臨近建筑物深基坑開挖工程是較常見的對隧道影響的因素之一。位于已建地鐵隧道附近的深基坑開挖工程，由于開挖引起坑內(nèi)土體回彈和周邊地層位移和沉降，隧道結(jié)構(gòu)在單側(cè)卸荷的情況下，原有的受力平衡狀態(tài)受到影響，隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大變形，如果變形超出規(guī)范允許范圍，將嚴(yán)重影響地鐵的正常運營和穩(wěn)定性。為此，施工過程中必須嚴(yán)密監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的變形。

本文采用ANSYS有限元程序，考慮實際施工分步開挖的影響和土體與支護結(jié)構(gòu)的相互接觸作用等因素，對江蘇銀行蘇州分行園區(qū)辦公大樓基坑工程進行了全三維非線性有限元分析。該分析方法和所得結(jié)論可為該工程的設(shè)計與施工提供有益的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程概況及其周邊環(huán)境

擬建中的江蘇銀行蘇州分行園區(qū)辦公大樓，位于蘇州工業(yè)園區(qū)，被蘇雅路、星漢街、蘇華路三條市政路半環(huán)抱。場地總占地面積約5 120 m2，擬建建筑物主樓為地上23層，地下3層。該工程基坑面積約為 3 892.7 m2，長 71.1 m，寬24.75 m。基坑開挖深度為17 m，基坑安全等級為一級。基坑到地鐵主體結(jié)構(gòu)的外輪廓線距離為13.5 m。

1.2 場地的工程地質(zhì)條件

擬建場地屬長江三角洲太湖流域沖湖積相堆積平原，地貌形態(tài)單一，水系發(fā)育。場地內(nèi)對工程建設(shè)有影響的地下水主要為潛水、微承壓水及第Ⅰ承壓水(上段)。

1.3 基坑支護方案

該基坑圍護方案主要包括豎向和水平支撐系統(tǒng)，這些圍護結(jié)構(gòu)之間相互連接，共同作用，形成一個整體，共同維護基坑的穩(wěn)定。水平支撐體系共設(shè)置三道水平鋼筋混凝土支撐，采用現(xiàn)澆混凝土板，厚度300 mm。豎向支撐采用雙排三軸水泥土攪拌樁作為防滲帷幕隔斷坑內(nèi)外的地下水，并采用鉆孔灌注樁作為圍護樁。

2 三維有限元分析

2.1 計算模型與計算范圍

計算模型的尺寸為:150 m×210 m，深度為地表以下40 m。以蘇華路向東為X軸正方向，星漢路向北為Y軸正方向，沿高度向上Z軸正方向。計算模型單元數(shù)為58 196;節(jié)點數(shù)為60 122;如圖1所示。

計算模型的底部采用全約束，側(cè)面采用法向約束，地表均布荷載為35 kPa。

2.2 計算參數(shù)選取

1)各土層計算參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

2)基坑支護與支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，表3。

表2 擋土結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表3 支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3)地鐵隧道結(jié)構(gòu)及其材料參數(shù)見表4。

表4 地鐵隧道材料參數(shù)

4)底板結(jié)構(gòu)、樓板和邊墻及其材料參數(shù)見表5。

2.3 開挖過程模擬

基坑的初始應(yīng)力計算完成后，在此基礎(chǔ)上進行以下各開挖步的分析:

第一步:開挖至地表以下1.4 m，澆筑第一道混凝土圍檁，施工第一道鋼混凝土支撐;

第二步:開挖至地表以下7.6 m，澆筑第二道混凝土圍檁，施工第二道鋼混凝土支撐;

第三步:開挖至地表以下13.4 m，澆筑第三道混凝土圍檁，施工第三道鋼混凝土支撐;

第四步:開挖至坑底17 m;底板澆筑。

表5 底板結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 計算成果及分析

為了分析基坑開挖過程中對隧道的影響，對開挖過程進行了模擬，其計算結(jié)果如圖2～圖9所示。

圖1 計算模型網(wǎng)格圖及支撐結(jié)構(gòu)模型

圖2 四級開挖后整體水平方向變形分布圖（單位：m）

圖3 四級開挖后整體豎直方向變形分布圖（單位：m）

圖4 四級開挖后隧道水平變形分布圖（單位：m）

圖5 四級開挖后隧道沉降變形分布圖（單位：m）

圖6 底板澆筑后隧道水平方向變形分布圖（單位：m）

圖7 底板澆筑后隧道沉降變形分布圖（單位：m）

3.1 變形分析

根據(jù)圖2～圖7變形分布圖，隧道的變形分析結(jié)果如表6所示。

表6 隧道的變形分布表 mm

從表6中可以看出，在四級開挖過程中，隧道的最大水平變形為2.14 mm。在前三級開挖過程中，隧道的最大水平變形均位于左側(cè)隧道中部，并且變形方向遠離基坑開挖方向，而隧道兩端的變形趨于開挖方向，這是水平支撐構(gòu)件、開挖土體的卸荷以及施工荷載共同作用的結(jié)果。在三級開挖完成后，水平支撐構(gòu)件已建立完成。第四級開挖后及后續(xù)的底板澆筑以及換撐過程中，隧道整體的水平變形方向趨于開挖基坑的方向。底板澆筑完成后隧道變形趨于穩(wěn)定，隧道水平變形為1.28 mm，最大沉降變形為2.21 mm，均滿足規(guī)范要求。

3.2 應(yīng)力分析

根據(jù)圖8，圖9應(yīng)力分布圖，隧道的應(yīng)力分析結(jié)果如表7所示。

圖8 四級開挖后隧道應(yīng)力分布圖

圖9 底板澆筑后隧道應(yīng)力分布圖

表7 隧道的應(yīng)力分布表

從表7中可以看出，在四級開挖過程中，隧道的第1主應(yīng)力最大值為0.49 MPa，為拉應(yīng)力，在基坑的整個開挖過程中，隧道的應(yīng)力基本保持不變。

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有深基坑工程位于已建地鐵隧道附近這一新問題，本文以江蘇銀行蘇州分行園區(qū)辦公大樓基坑工程為背景，考慮了樁—土相互作用等因素，采用ANSYS建立了三維有限元計算模型，較真實的反映了結(jié)構(gòu)、基坑開挖、支護實際情況，對基坑開挖和支護體系進行了全時程的整體分析。從本文的計算成果看:在基坑的開挖過程中，四級開挖完成后，隧道的最大水平變形為1.35 mm，最大沉降量為1.30 mm;底板澆筑完成后，隧道的最大水平變形為1.28 mm，最大沉降量為2.21 mm。而在基坑的整個開挖過程中，隧道的應(yīng)力基本保持不變。

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