基坑開挖長寬比對臨近隧道及地表變形影響分析

胡建偉, 邵振臣, 陳學龍

(中冶武勘工程技術有限公司, 湖北武漢 430080)

0 引言

隨著我國基礎建設的快速發展,基坑工程規模也越來越大,深度越來越深。基坑開挖往往會對周圍環境造成明顯的擾動,導致基坑變形失穩以及周圍地表和其他建筑物開裂等工程問題。考慮到基坑工程對于基礎建設的重要性,因此基坑開挖的相關研究顯得尤為必要。基坑開挖深度和寬度之比是基坑變形的重要影響因素。

李宇熙[1]采用數值模擬系統的研究了基坑尺寸效應對基坑變形影響。結果表明,基坑分部開挖和開挖結束后支護結構墻頂變形的最小點和最大點分別位于坑角和基坑中部,基坑尺寸接近或大于臨界長寬比時最大位移接近穩定。吳兵等[2]深入研究了基坑空間形狀對基坑變形的影響。結果表明,當基坑長寬比小于2時,基坑長邊方向支護結構水平位移和基坑底部隆起變形具有明顯的變化。羅欣[3]采用數值模擬研究了基坑開挖對鄰近地表建筑物沉降影響。結果表明,基坑長邊鄰近的建筑物采取的水泥漿加固措施是有效的。王梅[4]采用數值模擬研究了基坑尺寸對基坑支護結構變形影響。結果表明,在開挖面以上,隨著基坑長寬比增大,擋墻上主動土壓力隨長寬比增大而減小,在基坑開挖面以下,擋墻上的主動土壓力隨基坑開挖長寬比增大而增大。葛曉永等[5]綜合采用現場監測數據和數值模擬研究了狹長型地鐵基坑的空間效應,定量分析了基坑長寬比對支護結構及隧道的變形影響。俞建霖等[6]采用三維有限元研究了基坑開挖過程中圍護結構變形、土壓力的空間分布及基坑的幾何尺寸效應,驗證了三維分析的合理性。楊劍維等[7]基于桿系有限元法研究了排樁支護結構的計算模型,分別考慮了基坑長×寬×深尺寸對基坑穩定性的影響。梁艷等[8]基于極限平衡法研究了基坑開挖尺寸效應對基坑穩定性的影響。結果表明,在其他條件不變的情況下,基坑開挖尺寸越小,基坑的抗隆起安全系數越大,影響也更為顯著。李凱等[9]基于理論解析方法研究了基坑降水開挖對鄰近隧道附加變形和內力影響。結果表明,隧道附加變形和內力隨初始水位和開挖深度的增大而顯著。張鑫海等[10]基于理論解析手段研究了基坑開挖尺寸對下方隧道橫向受力的影響。結果表明,基坑開挖引起的圍壓卸載效應主要作用于隧道拱頂和拱底。

本文基于三維數值模擬,建立基坑開挖模型,研究了基坑長寬比變化的情況下地表變形規律。本文的研究對于相似工程的施工及設計具有指導意義。

1 工程概況

研究區位于某軟土地區,根據鉆孔資料,基坑地層巖性由上到下依次為粉質黏土、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土、砂質粉土和砂質粉土夾粉砂。具體巖層厚度如圖1所示。擬建隧道開挖深度為16 m,基坑開挖過程中為了保證基坑穩定性,采用0.8 m厚的地下連續墻進行支護,地連墻縱向長度約為32 m。此外,基坑共設置4道內支撐,主撐的截面尺寸為1 m×0.7 m,對撐的截面尺寸為0.8 m×0.7 m,聯系桿的截面尺寸為0.6 m×0.6 m。

圖1 基坑典型斷面(單位:m)

2 數值模擬

2.1 模型建立及材料參數

采用MIDAS/GTS建立典型三維數值計算模型如圖2所示。其中基坑開挖長度為120 m,兩側延伸長度為80 m。計算中假定基坑長度保持120 m不變,長寬比變化主要通過基坑寬度變化控制,開挖寬度取值分別為40 m、60 m、80 m、100 m和120 m 5種。數值模型的邊界條件為:底部約束3個方向的自由度,4個側邊約束水平方向的位移,頂部為開挖自由邊界。襯砌結構采用板單元模擬,混凝土強度等級為C50,容重為25 kN/m3。支撐采用強度等級為C30的混凝土。為模擬支護結構與土體的相互作用,本文在地下連續墻與土體之間設置Goodman界面單元。

圖2 數值模型及網格劃分

計算中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和參考既有相關研究獲得,最終使用的材料參數匯總見表1。

表1 巖土體物理力學參數

2.2 計算工況

為了深入分析基坑開挖過程中,長寬比對基坑變形的影響,本文數值模擬施工工況與實際開挖情況完全相同,模擬共13步:第一步為地應力平衡;第二步為隧道開挖,并施加襯砌結構;第三步為地下連續墻施工;第四步為施加第一道支撐;第五步為施加第二道支撐;第六步為施加第三道支撐;第七步為施加第四道支撐;第八步為開挖結束,提取計算結果。注意的是,基坑在開挖的整個過程中,排水是連續進行的。

3 計算結果與分析

3.1 基坑開挖寬度對地表沉降影響

本文計算了基坑開挖深度為16 m時,側方存在隧道和不存在隧道工況下,基坑長寬比變化對地表沉降的影響見圖3和圖4。結果表明,在基坑寬度增大過程中,地表沉降值先增大后減小隨后趨于穩定,地表沉降值在距地下連續墻12 m位置處出現最大值,不同的基坑開挖寬度對應的最大值分別為54 mm、68 mm、82 mm、84 mm和88 mm。此外,不同基坑開挖寬度的地表沉降值大于3 mm的范圍為距地下連續墻40 m位置,這也證明基坑開挖過程中,對地表影響的范圍約為2.4倍的基坑開挖深度。

圖3 無隧道側地表沉降曲線

圖4 有隧道側地表沉降曲線

圖4為有隧道側基坑開挖深度對地表沉降的影響。結果表明,當基坑寬度增大過程中,地表沉降值先增大后減小隨后趨于平衡,地表沉降值在距地下連續墻12 m位置處出現最大值,不同的基坑開挖寬度對應的最大值分別為30 mm、46 mm、60 mm、66 mm和70 mm。與無隧道側相比,存在隧道側的地表位移明顯小于無隧道側地表沉降。

3.2 基坑開挖寬度對地表沉降影響

圖5匯總得到基坑開挖長寬比對地表沉降的影響。結果表明,當長寬比增大,沉降與開挖深度比值逐漸增大,但當長寬比增大到0.6以上時,沉降與開挖深度比值增大速度有所減小。總體來看,當基坑開挖長寬比分別為0.35、0.5、0.7、0.85和1.0時,沉降與開挖深度比值分別為0.33、0.41、0.51、0.52和0.55;0.15、0.27、0.35、0.38和0.41。因此,如果基坑側方存在隧道時,地表沉降值與開挖深度的區間值會減小。

圖5 基坑長寬比對地表沉降影響

圖6匯總得到有隧道側地表沉降最大值與無隧道側沉降最大值的比值隨基坑長寬比的變化趨勢,結果表明,當長寬比小于0.8時,沉降最大值的比值隨基坑長寬比增大而線性增大,當長寬比大于0.8時,沉降最大值的比值隨基坑長寬比增大而保持不變。

圖6 無隧道側和有隧道側地表沉降比較

4 結論與建議

本文依托某軟土地區基坑開挖對臨近隧道變形影響工程案例,基于MIDAS建立三維數值模型,研究了基坑開挖長寬比對地表變形的影響,得到幾點結論:

(1)基坑在開挖過程中,對地表影響的范圍約為2.4倍的基坑開挖深度;此外,基坑側方是否存在隧道對地表變形影響不顯著。

(2)基坑開挖長寬比的變化對地表位移和支護結構的側移影響趨勢基本一致,即兩者均隨基坑開挖長寬比增大而顯著增大。

(3)當基坑開挖長寬比小于0.8時,地表沉降最大值的比值隨基坑長寬比增大而線性增大,當長寬比大于0.8時,沉降最大值的比值隨基坑長寬比增大而保持不變。

根據本文的研究結果,實際施工過程中應充分考慮基坑長寬比對臨近建筑的影響,通常需估算基坑長寬比對臨近結構影響范圍,合理利用基坑開挖長寬比對基坑及周圍環境的影響,節省工程材料和降低工程造價。