桐廬隧道明挖基坑施工受力變形數值分析

劉冠 梁曉騰 江鴻

(中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢 430040)

1 概述

在公路與鐵路網高速發展的過程中，隧道工程的建設不斷增加。明挖基坑是隧道施工的重要手段，受地質條件所限，常需在不良地質中施工，如富水厚卵石地層。隧道基坑開挖引起的變形問題一直是工程與研究人員的關注重點，已積累了較多的研究成果。N.Q.Zhou等［1］對上海地鐵站深基坑開挖引起的變形問題進行數值模擬，并與現場數據對比，提出控制地面沉降的可行性措施。張德富等［2］對蘇州地鐵1號線深基坑的變形特性與其他項目對比，給出三種典型圍護結構的圍護結構與地表變形平均值。

杭黃鐵路桐廬隧道處于富水厚卵石層中，具有滲透系數大、透水性強，圍巖穩定性差等特點［3，4］。且基坑臨近新景高速公路，開挖深度較大。依托該工程，本文對隧道明挖引起的基坑、地層的受力變形特征數值分析，指導今后富水厚卵石地層中隧道明挖基坑的施工。

2 工程概況

桐廬隧道位于桐廬縣杭新景高速桐廬收費站附近，某段因高速公路且基坑開挖深度較大，周邊環境較為復雜，隧址區土層分布如表1所示。

表1 隧址區土層分布

由于開挖深度較大，且位于富水厚卵石地層中，施工前，采取井點降水與地表防排水結合的方式降低地下水位，并在基坑兩側設置止水帷幕。開挖時，首先開挖10 m至圍護樁樁頂，邊坡坡度為1∶1.5，采用網噴混凝土護面。在圍護樁、冠梁和第1道混凝土支撐施工完成后開挖5.6 m至鋼支撐處，安裝鋼圍檁以及第2道鋼支撐，再向下開挖4.08 m至基坑底部并施作仰拱，待仰拱強度達到要求后拆除鋼支撐與混凝土支撐。

3 數值分析模型

為對基坑受力變形進行分析，評估實際施工過程中基坑失穩、坍塌風險，采用有限元程序對基坑開挖過程進行數值模擬。為便于對隧道明挖基坑受力變形的數值計算，本文做出如下假設:

1)隧道在數值模擬范圍內高程相同，圍護樁頂標高均為75.145 m。

2)基坑施工前降低隧址區地下水位至基底以下，并設置止水帷幕，在數值模擬過程中忽略地下水的作用。

3)模型區域土層水平分布，同一材料性質相同。人工填土、卵石土、全風化頁巖、強風化頁巖和弱風化頁巖的厚度分別為10 m，15 m，4 m，6 m，65 m。

4)根據等效剛度理論［5］，將圍護樁支護簡化為地下連續墻進行計算，公式如下:

其中，D為圍護樁樁徑;t為圍護樁樁邊距;h為地下連續墻厚度。將相關參數代入式(1)得h=0.700 6 m。

對桐廬隧道明挖段建立三維數值模型，模型平面為正方形(100 m×100 m)。采用摩爾—庫侖模型［6］，相關參數如表1所示。采用梁單元對冠梁和基坑內第1道混凝土支撐和第2道鋼支撐進行模擬，采用板單元模擬等效地下連續墻。

根據實際施工情況，考慮施工步驟的影響［6］，將計算工況分為以下8步:1)初始地應力平衡;2)第1次開挖:基坑最上層土體開挖并在邊坡施作噴混;3)施作圍護樁、冠梁以及第1道混凝土支撐;4)第2次開挖:繼續開挖至第2道鋼支撐施作位置;5)安裝鋼圍檁，加設第2道鋼支撐;6)第3次開挖:繼續開挖至基坑底部并在基坑側壁噴混;7)制作隧道仰拱;8)拆除鋼支撐與混凝土支撐并施作隧道洞身。

4 數值分析結果

1)第1道混凝土支撐受力。

混凝土支撐在施工步驟3)時澆筑，基坑不同位置混凝土支撐在不同施工階段所受軸力數值模擬結果如圖1所示，第1道混凝土支撐在基坑不同位置所受軸向壓力不同主要是由于基坑所處地形起伏，混凝土支撐的軸力隨埋深的增加而遞增。混凝土支撐最大軸力處為x=52 m處，軸力為696 kN，未超出混凝土支撐承載能力，不會對混凝土支撐造成破壞，從而影響基坑施工安全。

圖1 混凝土支撐與鋼支撐軸力圖

2)第2道鋼支撐。

在第2次開挖后，待鋼圍檁與鋼支撐布置完成，再進行第3次開挖并在基坑側壁噴混。基坑中鋼支撐在不同施工階段所受內力數值模擬結果如圖1所示，鋼支撐內力在x軸方向的分布與第1道混凝土支撐類似，也隨埋深的增加而遞增，x=52 m處鋼支撐的軸力值最大為605 kN，未超出鋼支撐承載能力，不影響基坑安全。

3)圍護結構變形。

基坑開挖后斷面1與斷面2處圍護結構水平位移數值模擬結果如圖2所示，第1次開挖后施作圍護結構，由于明挖隧道基坑所處地形不同，斷面1的開挖深度小于斷面2，故斷面1的圍護結構變形小于斷面2，圍護結構的最大水平位移處位于冠梁下約3.7 m處，斷面1第2次開挖后最大水平位移值為0.43 mm，基坑第3次開挖后為0.62 mm。斷面2第2次開挖后最大水平位移值為0.56 mm，基坑第3次開挖后為0.79 mm。

圖2 斷面2圍護結構水平位移圖

5 監測數據檢驗

桐廬隧道明挖基坑在施工工程中對第2道鋼支撐以及圍護結構變形監測，將監測結果與數值模擬結果對比，驗證本文數值模擬準確性。

1)第2道鋼支撐。

斷面1在鋼支撐完成5 d后應基本穩定，斷面2在鋼支撐完成約20 d后應力基本穩定。數值計算斷面1與斷面2鋼支撐內力分別為11.55 MPa，15 MPa，與實測數據基本吻合。對比實測數據，斷面1較斷面2更早達到平衡，這是因為斷面1開挖較早，可較早達到平衡。斷面1與斷面2鋼支撐受力未超出基坑安全要求，不影響基坑的施工安全。

2)圍護結構變形。

由于技術條件的限制，難以對基坑下的圍護結構測量，故施工期間只對基坑開挖范圍內圍護結構水平位移進行監測，分別在基坑頂部，第2道鋼支撐處以及基坑底部設置位移監測點，基坑在斷面1與斷面2處圍護結構變形的監測結果與計算結果如圖3所示，將監測結果與數值計算結果對比，顯示兩者基本一致，監測結果略大于數值計算結果，這與開挖工藝、施工荷載以及施工效率有關。對比斷面1與斷面2的計算結果，兩者在基坑開挖范圍內的監測結果差異較大，而在基坑底部下約3.7 m處，斷面1與斷面2水平位移計算結果基本相等。

圖3 圍護結構監測與計算結果對比圖

6 結語

本文通過對桐廬隧道明挖基坑施工過程中第1道混凝土支撐、第2道鋼支撐、圍護結構變形進行數值模擬計算，并將數值計算結果與監測結果進行對比得到如下結論:

1)明挖基坑施工計算結果與監測結果基本一致，且圍護結構變形與第2道鋼支撐受力均滿足基坑施工控制要求。

2)第2道鋼支撐在斷面1與斷面2數值計算結果較監測結果偏大，且斷面1與斷面2鋼支撐應力相比較早達到平衡，這主要是第3次開挖時首先從斷面1開始施工，土層荷載較早得到釋放。

3)根據數值計算結果，第2次開挖后圍護結構變形最大處位于基坑下約3.7 m處，第3次開挖后圍護結構變形增大，最大變形處位置并未發生改變，主要是第3次開挖時，在基坑側壁設置噴混護壁，減小了基坑變形。