緊鄰高速公路的隧道明挖區間施工機理研究

洪 源

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著地鐵工程的發展，不可避免的遇到復雜的施工環境，其中明挖法具有經濟性和安全性的優點在地鐵隧道施工中經常被采用[1-3]。地鐵經常建設在繁華城區，但是明挖法需要周圍沒有較多的既有建筑，因此，在城市中心采用明挖法開挖地鐵隧道有一定的施工難度，對此如何在繁華城區采用明挖法是國內外一項重要的研究課題。目前，有限元數值模擬方法是研究基坑變形規律的一種常用手段[5-7]。本文依托具體深基坑施工工程，研究了基坑附近既有建筑和淤泥質地層對基坑開挖的影響。

1 工程概況

深圳地鐵益田停車場主體基坑長555.7 m，寬50.75 m，基坑開挖深度21.7 m，南北側分別為福榮路及廣深高速公路。基坑采用明挖順筑法施工，基坑寬度約6.2 m～10.8 m，基坑深度約14.76 m～17.14 m；主體圍護結構主要選用800 mm地下連續墻。場地范圍內淤泥層厚度為10 m左右，結合主體結構型式，基坑豎向設置3道支撐。

基坑范圍地層自上而下依次為素填土、淤泥、淤泥質黏性土、卵石、砂土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖。由于淤泥質黏土具有地基承載力低，穩定時間長等特點，并且淤泥黏土在加載后變形不均勻，極易發生事故，因此降低淤泥質黏土對工程的影響是研究的重點。

2 數值計算分析方法

基于大型有限元軟件ABAQUS，依托深圳地鐵益田車站1號隧道明挖區間，建立了二維數值計算模型，如圖1所示。其中，模型寬124 m，高50 m。兩側道路寬分別為38 m和10 m，采用實體單元劃分網格，共劃分為2 441。

模擬中土體采用Mohr-coulomb屈服準則，支撐部分采用彈性屈服準則，巖土介質力學參數如表1所示。

計算模擬分析步驟如下：

1)計算初始地應力；

2)建立地下連續墻；

3)開挖第一層，并建立第一道橫支撐；

4)開挖第二層，并建立第二道橫支撐；

5)開挖第三層，并建立第三道橫支撐。

3 數值計算結果分析

3.1 應力分析

表1 巖土力學參數

表2 最大橫向應力

表2給出了不同橫向支撐作用下地鐵隧道明挖區間最大應力示意圖。由表2可知：基坑開挖最大應力出現在開挖最后一步中，最大應力達到4.66 MPa。

3.2 應變分析

圖2給出了第三道橫支撐作用下地鐵隧道明挖區間橫向應變示意圖。由圖2可知：1)水平方向變形量最大的地方位于基坑頂部兩側位置，其最大值可以達到24 mm，這是在主動土壓力的影響下，基坑頂部兩側土體有比較明顯的向基坑內部方向變化的趨勢，這與現有研究以及工程經驗相符合一致。2)由于樁基的存在，基坑底部土體作為樁基的一個支撐點，其受力也是比較大的，相應地表現在位移方面，基坑底部兩側也有向中間變形的趨勢，其變形量最大可以達到23 mm。

圖3給出了第三層開挖完成后地鐵隧道明挖區間豎向應變示意圖。由圖3可知：1)基坑開挖后基坑底部會有比較明顯的隆起現象，這在基坑施工中影響還是比較大的，因此在施工中要特別注意采取相應措施。2)基坑兩側部位有比較明顯的沉降產生，其沉降量可以達到28 mm，沉降范圍也是比較小的，周邊既有結構的沉降位移也是非常小的，可以忽略不計。3)第三層開挖完成后地表沉降影響范圍與開挖深度成正相關，并且每層開挖后的沉降趨勢為先增大后減小。

3.3 破壞模式分析

圖4給出了第三道橫向支撐作用下地鐵隧道明挖區間失穩破壞模式示意圖。由圖4可知：1)塑性區域主要出現在基坑底部以下靠近樁基的位置，該位置作為樁基的支點。2)在該位置以上部分樁基受力主要是水平指向基坑內部，在該位置以下樁基受力主要是水平指向基坑的外部。3)在既有隧道支護結構的兩側的兩個角點位置的上部。由于其距離所要開挖的基坑比較近，所受基坑開挖的影響比較大，應力水平比較高，故也相應地出現了塑性區域。

4 結語

地下空間的開發利用，尤其是城市地鐵的建設，保證深基坑圍護結構的合理和穩定性是值得研究的。為此，依托深圳地鐵10號線基坑開挖工程，采用ABAQUS有限元軟件，研究了周圍復雜環境和淤泥質黏土對施工的影響，得到以下研究結果：

1)按照設計要求進行深基坑工程建設，雖然深基坑的開挖對周邊隧道的影響比較大，且運營公路一側的支護結構將承受一定的應力作用，但整體不會對既有公路產生破壞和影響。2)基坑塑性破壞區域主要集中于基坑底部與樁基相接觸的位置。3)支護結構受力最大的位置位于縱向支撐與樁基之間的節點位置以及橫向第三道支撐的中部位置。因此，在施工建設過程中應加強監測，及時調整支護參數。