基坑開挖對下臥隧道影響的數(shù)值模擬分析

謝素云 吳佩蘭 鐘昌龍

摘要：在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上.以建于地鐵盾構(gòu)隧道上方的某地下廣場開挖工程為背景，通過有限差分軟件FLAC3D建立了數(shù)值模型;以隧道抗浮方式為變量，設(shè)置了不同方案，對比分析提出了核心區(qū)施工最優(yōu)方案，以期給類似的設(shè)計(jì)和施工提供一些參考。

關(guān)鍵詞：坑底支護(hù);隧道變形;數(shù)值模擬

中圖分類號：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2019）17-0107-02

1 引言

城市建設(shè)的高速發(fā)展帶來了大量的深基坑工程，這些深基坑通常位于鬧市區(qū)，它的施工，無論是基坑開挖還是井點(diǎn)降水，都不可避免地會影響周圍在運(yùn)營的地鐵，特別是基坑工程位于已經(jīng)建成投入運(yùn)營地鐵隧道幾米之內(nèi)的上方的時候。本文即是以建于某市地鐵1號線盾構(gòu)隧道上方的某基坑開挖工程為背景，通過有限差分軟件FLAC3D，來分析基坑開挖對下臥隧道的數(shù)值影響，得出結(jié)論，給類似的設(shè)計(jì)和施工提供一些參考。

2 工程概況

某基坑開挖工程是一個下沉式廣場，詳見圖1。下沉廣場基坑面積為12053m2，基坑深度為5.3 m。地鐵1號線穿越長度52.7 m，盾構(gòu)頂距離地下室底板最小距離為3m，開挖階段隧道最小覆土約為0.5倍洞徑。

3 基坑核心區(qū)施工方案對比分析

周裕倩等[1]對上海某下沉廣場基坑開挖對地鐵一號線隧道影響進(jìn)行模擬，毛朝輝等[2]對上海某路下立交工程進(jìn)行有限元分析，張玉成等[3]通過廣東某廣場基坑開挖卸荷對下方地鐵隧道影響的數(shù)值模擬分析了隧道的變形，前輩們的研究成果給筆者一定的啟發(fā)，本工程數(shù)值模擬過程共有如下幾個步驟。

（1）土體在自重的作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降，達(dá)到模型的初始平衡狀態(tài)，然后把此時的位移場和速度場賦零。

（2）進(jìn)行隧道開挖，由于盾構(gòu)隧道在注漿襯砌之前存在應(yīng)力釋放，所以要計(jì)算一定的時步，然后把位移場和速度場賦零。

（3）基坑開挖第一步，計(jì)算一定的時步，求解平衡。

（4）基坑開挖第二步，計(jì)算一定的時步，求解平衡。

（5）基坑開挖第i步，計(jì)算一定的時步，求解平衡（不同的方案有不同的開挖步）。

按照上述內(nèi)容，建立起來的三維數(shù)值模型如圖2所示。

根據(jù)工程特點(diǎn)，核心區(qū)數(shù)值模擬時考慮以下四個方案，以作對比和分析。

方案一。未采用任何加固措施，直接對土體進(jìn)行分層開挖，第一層開挖2.2 m，第二層開挖3.1 m。

方案二。采用門式水泥攪拌樁加固措施，仍然采用分層開挖，第一層開挖2.2 m，第二層開挖3.1 m。

方案三。采用門式水泥攪拌樁加固措施的同時，在開挖范圍內(nèi)滿布抗浮樁，仍然采用分層開挖，第一層開挖2.2 m，第二層開挖3.1 m。

方案四。在方案三的基礎(chǔ)上，第一層2.2 m整體開挖，第二層3.1 m分成9塊，按照圖3順序分塊開挖，每開挖完一塊，在其上堆載，然后計(jì)算受力位移狀況。

本分析使用FLAC3D軟件對某湖下沉廣場基坑開挖對某市地鐵一號線在不同的隧道抗浮方式下的影響進(jìn)行了分析。通過對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的整理分析，匯總?cè)缦卤?所示。

由此可見，對于大面積開挖基坑下臥的地鐵隧道保護(hù)，不采取任何加固措施足非常危險的。而單純地依靠地基加同也是難以滿足要求的，首先，無限加大加固區(qū)的深度是不可能的，而且地基加固過程本身也會對土體產(chǎn)生一定的擾動。采用門市水泥攪拌樁和抗拔樁相結(jié)合，可以有效控制基坑下部的地層位移，從而達(dá)到保護(hù)基坑下臥隧道的目的。在這基礎(chǔ)之上采用分塊開挖并在每塊開挖完成后在其上加載，可以很大程度地提高安全性。

4 基坑整體開挖方案優(yōu)化分析

基坑的開挖可以采用的方法多種多樣，在設(shè)計(jì)之前，就應(yīng)該根據(jù)建筑物的硬性要求、現(xiàn)場的調(diào)查研究和工程地質(zhì)勘察報等，綜合施工的經(jīng)濟(jì)性、適用性、安全性、可靠性，施工場地的位置和大小，基坑開挖的深度、形狀、大小、時間和總體施工工期等因素，并充分考慮周圍建筑物的重要性，規(guī)劃出在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上都比較可行的基坑開挖方式[4，5]。

根據(jù)工程特點(diǎn)，數(shù)值模擬時考慮以下兩個方案，以作對比和分析。

方案一：施工組織計(jì)劃的方案，先進(jìn)行廣場隧道盾構(gòu)穿越段即核心區(qū)土方開挖，再進(jìn)行非核心區(qū)土方開挖，按圖4 中序列號順序依次開挖，如圖所示，核心區(qū)進(jìn)行分塊開挖，非核心區(qū)進(jìn)行放坡開挖。

方案二：核心區(qū)土方和非核心區(qū)土方同時開挖，對照圖4中的序號按如下順序依次開挖①→13 14→①→14 15→③→26 27→④→18 22 24→⑤→23 25→⑥→21→⑦→⑩11→⑧→16→⑨→17→20 19

通過對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的整理分析，把隧道在兩種基坑開挖方案下隨著開挖步的增加的最大豎向位移變化情況匯總，見表2。

從表2可以看出，兩種方案下的隧道最大豎向位移都隨著開挖步的增加而增加，而且最終位移大致在隧道變形限值范圍之內(nèi)。在沒有采取其他控制措施的情況下，方案一中前10個開挖步是核心區(qū)土方的開挖，隧道產(chǎn)生的最大豎向位移所占比例很小，方案二中隧道產(chǎn)生的最大豎向位移呈階梯型增長，說明開挖殲挖小塊土方時產(chǎn)生的位移小，開挖大塊土方時產(chǎn)生的位移大。

4結(jié)語

（1）本文通過數(shù)值模擬選擇的方案與實(shí)際吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性，也為類似工程施工方案的選擇奠定了基礎(chǔ)。

（2）對于大面積開挖基坑下臥的地鐵隧道保護(hù)，不采取任何加固措施是非常危險的。而單純地依靠地基加固也是難以滿足要求的，首先無限加大加固區(qū)的深度是不可能的，其次地基加固過程本身也會對土體產(chǎn)生一定的擾動。采采用門式水泥攪拌樁和抗拔樁相結(jié)合，可以有效控制基坑下部的地層位移，從而達(dá)到保護(hù)基坑下臥隧道的目的。在這基礎(chǔ)之上采用分塊開挖并在每塊開挖完成后在其上加堆載，很大程度地提高了安全性。

（3）實(shí)際工程中，先進(jìn)行廣場隧道盾構(gòu)穿越段即核心區(qū)土方開挖，再進(jìn)行非核心區(qū)土方開挖，可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行結(jié)構(gòu)底板的堆載反壓，使得隧道最大變形處于可控范圍;但是在工期緊張或者其他不可控制因素影響下，采用核心區(qū)土方和非核心區(qū)土方同時開挖的開挖方式也是滿足要求的，這可以看作基坑開挖的一種優(yōu)化的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]周裕倩，袁金榮，張中杰.基坑施工過程仿真模擬及環(huán)境保護(hù)[J].地下空間.2004，24（5）：719-723.

[2]毛朝輝，劉國彬.基坑開挖引起下方隧道變形的數(shù)值模擬[J].地下工程與隧道.2005（4）：24～27.

[3]張玉成，楊光華，姚捷，等，基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析[J].巖土工程學(xué)報，2010，32（1）：84-87.

[4]竇遠(yuǎn)明，分部開挖過程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和土壓力形狀研究[D].天津：天津大學(xué)，2001.

[5]曲廣峰，深基坑工程的三維非線性數(shù)值分析[D].天津：天津大學(xué)，2003.

收稿日期：2019-10-28

作者簡介：謝素云（1988-）.女，助教，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

通訊作者：鐘昌龍（1980 -）.男，副教授，主要從事園林教學(xué)和管理工作。