基坑開挖對臨近隧道變形影響研究

郭繼勇

(新疆水利水電項目管理有限公司,烏魯木齊 830000)

1 概 述

隨著我國基礎建設的快速發展,城市密度大幅提高,地上空間資源利用緊張,而地下空間的高效利用可將土地資源利用率最大化,因此基坑工程的發展越來越迅速。但由于設計及施工不當,基坑變形及對臨近建筑的影響等問題在建設過程中時有發生。

為科學應對基坑開挖過程中對臨近建筑物的影響,許多學者進行了相關研究。何忠明等［1］基于FLAC3D數值有限元,研究了深基坑施工對臨近地鐵隧道變形影響。結果表明,支撐剛度、地連墻厚度及嵌固深度對臨近隧道變形均會產生影響,隧道水平位移隨基坑施工時間變得越來越突出。白洋［2］基于有限元,分析了基坑開挖施工對鄰近地鐵隧道結構的影響。結果表明,采用SMW工法樁+三軸攪拌樁止水帷幕進行支護,可以顯著減小基坑施工隨既有隧道的影響,達到保護隧道的目的。陳輝［3］基于現場實測數據,分析了鄭州地區某臨近地鐵隧道的超大深基坑開挖對臨近地鐵隧道影響。結果表明,采用分區跳倉施工可以大幅減少對既有隧道的影響,且隨著基坑的開挖,隧道表現出橫長豎短的橢圓壓縮狀態。江威、齊娟［4］基于現場監測,研究了武漢地鐵二號線隧道兩側基坑工程開挖施工對臨近地鐵隧道的變形影響,分析隧道側移和沉降的原因,提出了合理的支護形式建議。詹劍青、劉添俊［5］基于數值模擬,研究了深基坑開挖對臨近地鐵隧道影響。結果表明,當隧道在基坑正下方時,開挖對隧道的影響最顯著;當隧道在基坑側面時,隧道的變形表現出先增大后減小的趨勢。馬永峰等［6］基于三維數值模擬,研究了軟弱土基坑開挖對臨近隧道的影響。結果表明,不進行加固的基坑不能保證隧道的安全運營,基坑開挖過程中要保證支撐剛度。馬永峰等［7］研究了軟土區臨近隧道基坑施工分析及方案優化,通過方案比選給出了最優基坑支護方案。張紅勇［8］基于數值模擬,研究了基坑開挖對臨近地鐵隧道力學性狀的影響。結果表明,隧道變形和內力改變隨基坑開挖深度的增大而增大,實際工程中要合理進行支護。郭典塔等［9］基于有限元數值模擬,研究了緊鄰地鐵隧道基坑開挖對隧道結構的影響。結果表明,基坑深度、距離等參數對臨近隧道的變形有較明顯的影響,并在研究基礎上給出了基坑開挖合理的支護方式和施工工藝。

本文基于三維數值模擬,建立基坑開挖模型,研究深基坑開挖對臨近隧道變形的影響,為類似工程的施工及設計具提供參考與借鑒。

2 工程概況及數值模型

2.1 工程概況

研究區地處軟土帶,基坑開挖深度24m,面積13 500m2,其中基坑距旁側隧道的最小距離為8m。根據鉆孔資料,基坑巖層由上至下分別為素填土、粉質黏土、殘積土和強風化安山巖。

2.2 模型建立

采用MIDAS軟件,建立典型三維數值計算模型,見圖1。為減小模型范圍對計算結果的影響,適當增大建模范圍,其中模型長×寬×高為200m×200m×50m。模型的邊界條件為:底面為3個方向全約束,四周約束水平位移,頂部為開挖自由邊界。巖土體計算本構為摩爾-庫倫模型,巖土體、地下連續墻及內支撐分別采用3D單元、2D板單元和1D桿單元,接觸面設置GOODMAN接觸單元。此外,為了與實際情況相符合,本文考慮列車荷載,在隧道底部施加20kN/m的線荷載。

2.3 材料參數

計算采用的巖土體材料參數主要基于鉆孔取樣的室內土工試驗以及參考既有相關研究獲得,最終使用的材料參數匯總見表1。計算中,假定地連墻彈性模量、泊松比和重度分別為28GPa、0.21和25 kN/m3;內支撐彈性模量、泊松比和重度分別為25GPa、0.15和24 kN/m3;襯砌結構彈性模量、泊松比和重度分別為25GPa、0.22和25 kN/m3。

表1 巖土體物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 計算結果與實測結果對比

為驗證本文數值模擬的準確性,隧道拱頂和左拱腰變形的計算結果與實測結果對比見圖2。由圖2可知,左拱腰水平位移和拱頂沉降位移數值模擬與實測結果基本一致,模擬值與實測值的相對誤差在10%以內,表明本文的數值模擬是合理的。

圖2 隧道位移計算結果與實測結果

3.2 基坑與隧道間水平距離的影響

圖3為隧道拱頂和左拱腰隨著基坑距隧道距離變化的變形曲線。由表3可知,拱頂沉降曲線和左拱腰水平變形趨勢均表現出拋物線形態。拱頂和拱腰變形隨著距隧道距離的增大而減小,并在基坑中心處變形達到最大。當基坑距隧道距離為4、6、8、10和12m時,拱頂的最大沉降值分別為11、8.1、4.3、2.6和1.1mm。因此,當水平距離大于8m時,基坑開挖對隧道的變形影響減小。此外,左拱腰的最大水平位移值分別為13.6、8.1、6.6、4.0和2.5mm,且拱腰的水平位移峰值發生在基坑中部位置,隨著距離的增大,影響越來越不顯著。圖3表明,當不考慮列車荷載時,拱頂最大沉降值為9.1mm,而左拱腰最大水平位移為9.8mm。

圖3 隧道不同位置變形曲線

圖4為隧道開挖階段地下連續墻的變形規律。由圖4可知,地連墻的變形隨深度增大而先增大后減小。在深度為10m位置處,變形達到最大,最大值分別為16、13.4、11.2、10.3和9.6mm。因此,隨著距離的增大,基坑開挖對地連墻的變形影響也越來越弱。綜合以上分析得出,基坑與隧道的安全距離為大于8m。根據隧道拱頂和左拱腰的變形結果發現,隧道變形均未超過規范規定的最大預警值,因此隧道是安全的。

圖4 地下連續墻變形曲線

3.3 地連墻嵌固深度影響

為了進一步研究地連墻嵌固深度對隧道變形的影響,在地連墻嵌固深度分別為1、4、7和10m工況下,隧道拱頂和左拱腰處的變形曲線見圖5。

圖5(a)表明,當地連墻嵌固段深度由1m增大至10m時,隧道拱頂的沉降由開始的12.4mm減小至5.5mm,減小比例為55.6%。由此可見,增大地連墻嵌固深度對減小隧道變形有積極作用。圖5(b)為左拱腰在不同地連墻嵌固深度下的變形規律,總體來看,拱腰變形趨勢表現出與拱頂變形相同的規律。綜合以上分析,地連墻嵌固深度對隧道變形影響較大,但當地連墻嵌固深度增大至一定程度時,其影響有限。對于本文基坑而言,地連墻合理嵌固深度為7m。

圖6為嵌固段深度對地連墻變形的影響。由圖6可知,增大嵌固深度可以顯著減小地連墻變形和基坑變形,但隨嵌固深度的進一步增大,嵌固深度的影響逐漸變小。

圖5 隧道不同位置變形曲線

圖6 隧道不同位置變形曲線

4 結 論

本文基于數值模擬,研究了基坑開挖對臨近隧道的變形影響規律,結論如下:

1)與現場監測數據相比,左拱腰水平位移和拱頂沉降位移的數值模擬結果與現場實測結果基本一致,模擬值與實測值的相對誤差在10%以內,表明本文的數值模擬是合理的。

2)拱頂沉降和拱腰變形隨著距隧道距離增大而減小,變形在基坑中心位移達到最大。當基坑距隧道距離分別為4、6、8、10和12m時,拱頂的最大沉降值分別為11、8.1、4.3、2.6和1.1mm。因此,當基坑距隧道的距離大于8m時,基坑開挖對隧道變形影響減弱。因此,實際基坑施工中需預留最小安全距離。

3)增大地連墻嵌固深度對減小隧道變形有積極作用。當地連墻嵌固段深度由1m增大至10m時,隧道拱頂的沉降由12.4mm減小至5.5mm,但當地連墻嵌固深度增大至7m時,嵌固段長度對臨近隧道和支護變形的影響同樣逐漸減弱。