某水利工程閘門基坑開挖對鄰近既有隧道變形影響

藺小兵

（甘肅省酒泉市玉門市白楊河系管理所,甘肅 玉門 735200）

1 引言

隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)人口的增多,尤其是各發(fā)達(dá)城市,人口的激增促進(jìn)了房產(chǎn)行業(yè)和地鐵隧道的發(fā)展。這也導(dǎo)致大量的基坑工程與地鐵隧道的距離越來越近,隧道的荷載和變形受到基坑開挖活動的影響也越來越大[1-3]。基坑開挖卸荷會使四周土體產(chǎn)生附加應(yīng)力,作用在臨近隧道側(cè)壁上使其產(chǎn)生附加荷載,當(dāng)附加荷載超過一定值時,會使隧道產(chǎn)生嚴(yán)重變形,威脅到隧道的安全性和穩(wěn)定性,會對地鐵的使用造成負(fù)面影響[4-5]。所以,分析基坑開挖活動對附近隧道荷載和變形造成的影響是十分重要的。基于此,本文以張治國等人[6]提出的計算方法,以某基坑工程為例,從隧道位置和基坑開挖面尺寸這兩個方面深入分析隧道荷載受到的影響。

2 工程概況

某農(nóng)田灌溉引水工程閘門與交通隧道相鄰,閘門基坑開挖平面尺寸長和寬分別是20 m和10 m,15 m為開挖深度,26 m為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深度,25%為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力損失率β。地鐵隧道的底部深度h和外徑D分別是15 m和6.2 m,5 m為隧道和基坑開挖面距離的最小值s。19 kN/m3為土的重度γ,土體泊松比 和靜止土壓力系數(shù)K0分別是0.34 和0.53,土的內(nèi)摩擦角 和黏聚力c分別是22°和14 kPa。為了保證隧道安全,對閘門基坑開挖對隧道的影響進(jìn)行分析。

3 隧道受力變形和基坑開挖的關(guān)系

本文從隧道位置、開挖基坑的尺寸兩個方面分析了隧道變形受到基坑開挖的影響規(guī)律。其中隧道位置方面細(xì)分為凈距最小值s和隧道底部深度h這兩個因素；基坑開挖尺寸分為長度L和寬度B這兩個因素。本文中選擇了張志國等[6]提出的的計算方式來對隧道荷載進(jìn)行計算。

3.1 凈距最小值S的影響

只對隧道和基坑開挖面的最小凈距進(jìn)行調(diào)整,將最小凈距s設(shè)為9 m、7 m、5 m、3 m、1 m這幾個數(shù)值,不改變其他參數(shù),對荷載進(jìn)行計算,計算結(jié)果見圖1。在圖中關(guān)于水平附加荷載,正值和負(fù)值分別代表隧道所受的拉力和壓力,拉力使隧道朝著遠(yuǎn)離基坑的方向移動,壓力迫使隧道朝著基坑的方向移動；關(guān)于豎向附加荷載,正值和負(fù)值分別代表隧道所受的壓力（方向垂直向下）和拉力（方向垂直向上）,下面小節(jié)中相關(guān)表達(dá)方式和此方式相同。

圖1 不同S下隧道附加荷載變化規(guī)律

圖1結(jié)果表示,改變最小凈距會對作用于隧道上的附加荷載產(chǎn)生比較大的影響。而隧道變形主要是所受的荷載導(dǎo)致的,荷載的變化也會對隧道變形產(chǎn)生一定的影響。在圖1中,當(dāng)最小凈距逐漸降低時,水平附加荷載呈現(xiàn)以保持穩(wěn)定速度增加的趨勢,此時隧道和基坑的距離也越來越近；同時荷載值在范圍[-0.5L,0.5L]里快速增加,并且兩邊降低的幅度也越來越大,整體來看,荷載變化曲線就顯得有些陡峭,附加水平荷載表現(xiàn)為集中分布。并且,當(dāng)最小凈距為3 m和1 m的時候,荷載峰值達(dá)到了67.7 kN/m和84.1 kN/m,均比報警值要大,比較危險。關(guān)于豎向荷載的變化規(guī)律呈現(xiàn)為：在范圍[-12 m,12 m]里,隨著最小凈距的增大,豎向荷載變化曲線逐漸從“M 型”變成了“單頂點凹曲線”,在同樣的范圍里,當(dāng)最小凈距為3 m和1 m的時候,隧道受到比較大的附加荷載值,同時作用力為拉力；在范圍[-17 m,17 m]里,當(dāng)最小凈距為9 m、7 m和5 m的時候,隧道受到比較小的附加荷載值,同時作用力為壓力。

3.2 隧道深度h的影響

只對隧道底部深度h進(jìn)行調(diào)整,將底部深度h設(shè)為17 m、16 m、15 m、14 m、13 m這幾個數(shù)值,不改變其他參數(shù),工況設(shè)為相同,對荷載進(jìn)行計算,見圖2。

圖2 不同h下隧道附加荷載變化規(guī)律

圖2結(jié)果表示,當(dāng)基坑開挖,會產(chǎn)生卸荷載應(yīng)力,隧道受到此應(yīng)力的影響而出現(xiàn)水平附加荷載,并且值較大,產(chǎn)生拉力作用于隧道上,迫使隧道朝向基坑靠近,而豎向附加荷載的值較低。隧道受到的附加荷載不會因深度h的變化而出現(xiàn)較大的改變。當(dāng)深度增大時,水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸變?nèi)醯内厔?在深度等于14 m處水平附加荷載達(dá)到峰值,為55.06 kN/m,之后快速降低；水平附加荷載在y=±1.25L的基本為0；因為在計算的時候沒有將一面?zhèn)缺诘男逗蓱?yīng)力考慮在內(nèi),因此附加荷載比位移受到的影響程度和范圍較大。在底部深度h為16 m、15 m、14 m、13 m的時候,隧道于范圍[-17 m,17 m]里受到的力為壓力,其他位置受到的力則為拉力,因此會有剪力作用在隧道上,使其有概率出現(xiàn)豎向裂縫；在底部深度h等于17 m時,隧道于范圍[-12 m,12 m]里產(chǎn)生的力為拉力,這種拉力會使隧道部分位置出現(xiàn)隆起；這部分隧道可能將會隆起；在范圍[-0.5L,0.5L]里,產(chǎn)生的壓力逐漸降低,到最后會變成拉力,但力的值較小。因此豎向、水平附加荷載的大小會因為深度h的變大而降低,大埋深隧道還是具有保護(hù)隧道的作用,但作用較小。

3.3 基坑長度的影響

只對基坑開挖尺寸中的L長度進(jìn)行調(diào)整,將長度L設(shè)為28 m、24 m、20 m、16 m、12 m這幾個數(shù)值。不改變其他參數(shù),并且對荷載進(jìn)行計算使不考慮損失率β,計算結(jié)果見圖3。圖3結(jié)果表示,作用于隧道上的附加荷載不會因為基坑長度L的變化而發(fā)生太大的改變。當(dāng)長度L增大時,水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸平穩(wěn)的趨勢,荷載峰值在57 kN/m附近；豎向附加荷載值則呈現(xiàn)出：在整體上隧道承受壓力,但在隧道兩頭所受的力為拉力。

圖3 不同L下隧道附加荷載變化規(guī)律

3.4 基坑寬度的影響

只對基坑開挖尺寸中的B寬度進(jìn)行調(diào)整,將寬度B設(shè)為18 m、14 m、10 m、6 m、2 m這幾個數(shù)值。不改變其他參數(shù),計算結(jié)果見圖4。

圖4 不同B下隧道附加荷載變化規(guī)律

圖4（a）結(jié)果表示,當(dāng)寬度B增大時,水平荷載值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,且各寬度B之間荷載的增加值大致相同,這一現(xiàn)象類似于圖1（a）。不過水平附加荷載在±L部位處的大小與0接近。寬度B等于18 m和14 m時的水平荷載峰值為85.2 kN/m和68.4 kN/m,均比報警值要大。這表示水平荷載受到寬度B的影響程度較大,所以在開挖基坑時要控制好基坑的開挖寬度,避免使隧道產(chǎn)生較大的變形。圖4（b）結(jié)果表示,隧道豎向荷載會因為寬度B的變化而變化,變化規(guī)律類似于圖1（b）。在基坑寬度B為10、6、2的時候,隧道于范圍[-17 m,17 m]里受到的力為壓力,且荷載也較小；在基坑寬度B為18、14的時候,隧道于范圍[-12 m,12 m]里受到的力為拉力,且豎向荷載也較大。

4 結(jié)論

本文以某基坑工程為例子,分析了基坑開挖對隧道荷載的影響因素進(jìn)行了分析,得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)隧道和基坑越近時,水平附加荷載呈現(xiàn)出以穩(wěn)定速度增加的趨勢；當(dāng)最小凈距為3 m和1 m的時候,荷載峰值達(dá)到了67.7 kN/m和84.1 kN/m,均比報警值要大,比較危險。豎向荷載的變化規(guī)律呈現(xiàn)為在范圍[-12 m,12 m]里,隨著最小凈距的增大,豎向荷載變化曲線逐漸從“M 型”變成了“單頂點凹曲線”。

（2）隧道受到的附加荷載不會因深度h的變化而出現(xiàn)較大的改變。當(dāng)深度增大時,水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸變?nèi)醯内厔?在深度等于14 m處水平附加荷載達(dá)到峰值,為55.06 kN/m；豎向、水平附加荷載的大小因為因為深度h的變大而降低,大埋深隧道具有保護(hù)隧道的作用,但作用較小。

（3）作用于隧道上的附加荷載不會因為基坑長度L的變化而發(fā)生太大的改變。當(dāng)長度L增大時,水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸平穩(wěn)的趨勢,荷載峰值在57 kN/m附近；豎向附加荷載值則呈現(xiàn)出：在整體上隧道承受壓力,但在隧道兩頭所受的力為拉力。

（4）當(dāng)寬度B增大時,水平荷載值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,且各寬度B之間荷載的增加值大致相同；水平荷載受到寬度B的影響程度較大,所以在開挖基坑時要控制好基坑的開挖寬度,避免使隧道產(chǎn)生較大的變形。