基坑開挖對(duì)既有地下隧道影響的數(shù)值分析

□文/李廣軍

基坑開挖對(duì)既有地下隧道影響的數(shù)值分析

□文/李廣軍

地鐵隧道附近常常會(huì)出現(xiàn)建筑基坑工程騎跨于已運(yùn)行地鐵區(qū)間隧道之上的問(wèn)題?；娱_挖會(huì)使坑底隧道產(chǎn)生顯著的位移與變形且由于基坑開挖的空間效應(yīng)，位于坑底不同位置的隧道在開挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)。文章利用有限元軟件ABAQUS建立多個(gè)三維有限元模型，以隧道與基坑的相對(duì)位置作為變量，建立對(duì)比模型，對(duì)基底及隧道加固方案加以分析，得到了一些有益的結(jié)果，為解決基坑工程騎跨于已運(yùn)行地鐵區(qū)間隧道之上這一新問(wèn)題提供依據(jù)。

有限元；基坑；隧道；上抬位移；回彈

隨著城市建設(shè)發(fā)展的需要，地鐵隧道在使用階段不可避免地會(huì)受到各種工程活動(dòng)影響，臨近區(qū)域工程活動(dòng)是較常見(jiàn)的對(duì)隧道產(chǎn)生重大影響的因素。近年來(lái)，出現(xiàn)基坑工程騎跨于已運(yùn)行地鐵區(qū)間隧道之上的問(wèn)題?；拥拈_挖會(huì)引起坑內(nèi)土體的回彈，從而引起地鐵區(qū)間隧道的上抬；另一方面，隧道本身也在開挖過(guò)程中發(fā)生形變。地鐵對(duì)隧道的變形要求極其嚴(yán)格，絕對(duì)最大位移不能超過(guò)20mm，隧道相對(duì)變形不超過(guò)15mm，隧道變形曲率半徑必須＞15000m，相對(duì)變形必須＜1/2500?；娱_挖過(guò)程中，如未很好地對(duì)隧道進(jìn)行加固，很可能使隧道變形超出允許范圍，導(dǎo)致無(wú)法正常使用。由于以往類似的工程經(jīng)驗(yàn)較少，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基坑開挖造成的隧道上抬位移及自身相對(duì)變形并對(duì)其實(shí)施行之有效的加固措施，便成為急待解決的問(wèn)題。

1 工程概況

天津站交通樞紐工程綜合配套樓位于天津站后廣場(chǎng)，北鄰新兆路、南鄰京津城際基本站臺(tái)、東鄰惠森家園多層住宅、西鄰京津城際站房，北側(cè)與地鐵2號(hào)線區(qū)間相鄰。綜合配套樓基坑長(zhǎng)約80m，寬45m，開挖深度為8.5m，基坑下方有地鐵9號(hào)線2條隧道東西向穿過(guò)。隧道外徑6.2m，內(nèi)徑5.6m，采用盾構(gòu)法施工。隧道頂部距坑底約9m，其中隧道2頂部距地連墻墻底僅有2m左右?；悠矫嬉?jiàn)圖1。

根據(jù)最初安排的施工順序，地鐵9號(hào)線隧道在綜合配套樓底板封閉后穿越基坑。一方面，基坑底土體固結(jié)完成，基坑內(nèi)土體開挖引起的應(yīng)力釋放對(duì)隧道基本不產(chǎn)生影響；另一方面，綜合配套樓底板封閉后，隧道的推進(jìn)也基本不會(huì)引起坑內(nèi)土體進(jìn)一步回彈。這樣的工序安排是合理的。然而，由于某些原因，綜合配套樓工期延誤。施工順序變?yōu)?號(hào)線隧道先行穿越基坑范圍，綜合配套樓再進(jìn)行開挖，出現(xiàn)基坑工程騎跨于既有地鐵區(qū)間隧道之上的問(wèn)題。

2 模型簡(jiǎn)介

本文采用準(zhǔn)靜態(tài)的方法模擬基坑開挖過(guò)程。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)襯砌管片和接頭的剛度相等，將隧道簡(jiǎn)化為自由變形圓環(huán)模型。地下連續(xù)墻和土體以及隧道和土體之間，由于兩種材料性質(zhì)相差很遠(yuǎn)，在一定條件下有可能在其接觸面上產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移或開裂。地下連續(xù)墻和土體以及隧道和土體之間設(shè)置接觸面，接觸面無(wú)厚度、小滑移，接觸面的本構(gòu)關(guān)系為切線方向采用Mohr-Coulumb摩擦模型，μ＝0.3，法線方向?yàn)閯傂?，即不允許接觸面的相互嵌入。

三維模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高＝135m×4m×60m。隧道埋深26m，外徑6.2m，內(nèi)徑5.6m；基坑寬度45m，地連墻深度16m；分三步開挖，每步的開挖深度分別為2、3、3.5m。

土體單元選用六面體孔壓?jiǎn)卧?，因涉及到摩擦接觸，考慮到計(jì)算精度，最終采用 ABAQUS中的完全積分三維孔壓?jiǎn)卧?C3D8P；土體模型采用修正劍橋模型。

既有隧道相對(duì)于基坑的不同位置，將直接影響著基坑開挖過(guò)程中隧道的變形情況，以隧道相對(duì)基坑中心位置x作為變量，建立對(duì)比模型。

模型土層條件按照天津站交通樞紐工程綜合配套樓基坑工程實(shí)地情況取得，各層土參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告情況算得，見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

3 結(jié)果分析

模型1。隧道位于基坑中心，變形示意見(jiàn)圖2。

隧道的最大豎向位移發(fā)生在隧道拱頂，最小豎向位移發(fā)生在隧道拱底；其最大水平位移發(fā)生在隧道兩側(cè)拱腰處，最小水平位移發(fā)生在隧道拱頂和拱底。而所有的位移都是隨著基坑開挖，逐步增大的。開挖后，隧道豎向與橫向均卸載，而卸載的程度存在明顯的差異。但由于豎向卸載大于橫向卸載，致使隧道發(fā)生豎向伸長(zhǎng)變形。

模型2和模型3。隧道分別向右偏離基坑中心10、20m，隧道均位于基坑內(nèi)。變形示意見(jiàn)圖3和圖4。

隧道向右偏離基坑中心程度越大，其豎向位移越小，卸荷效應(yīng)愈不明顯。最大豎向位移發(fā)生在拱頂偏左的位置；最小豎向位移發(fā)生在拱底偏右的位置。這說(shuō)明，基坑開挖卸荷會(huì)引發(fā)坑內(nèi)土體向坑中心水平移動(dòng)并帶動(dòng)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑中心的水平位移，越靠近基坑中部，這種向坑中心水平移動(dòng)的趨勢(shì)越不明顯。因?yàn)椋又行耐馏w在開挖工況下更多的表現(xiàn)為豎向回彈，而基坑邊緣土體由于墻后土體向坑內(nèi)轉(zhuǎn)移更多地表現(xiàn)為側(cè)向移動(dòng)并且坑內(nèi)土體埋深越淺向坑中心水平移動(dòng)的趨勢(shì)越明顯。

模型4和模型5。隧道分別向右偏離基坑中心30、40m，隧道都位于基坑外。變形示意見(jiàn)圖5和圖6。

對(duì)于模型4和模型5，無(wú)論豎向還是水平位移都較之模型1小很多，基坑的開挖對(duì)坑外隧道影響并不明顯。從變形趨勢(shì)來(lái)看，坑內(nèi)與坑外的隧道變形趨勢(shì)是相反的。處于坑內(nèi)的隧道，由于豎向的卸載比水平向卸載要明顯，有豎向拉長(zhǎng)趨勢(shì)；而坑外隧道水平向卸載，豎向幾乎無(wú)卸載，坑外隧道是被壓扁的。

隧道的最大豎向位移發(fā)生在拱底偏左位置，隧道偏離基坑中心程度越大，最大豎向位移就越小，隧道變形情況與基坑外土體位移趨勢(shì)基本一致。

4 加固方案

上述數(shù)值模型試驗(yàn)中，隧道的最大上抬位移超過(guò)35mm。若不對(duì)隧道周邊土體進(jìn)行加固，基坑開挖后將引起隧道變形過(guò)大，甚至導(dǎo)致隧道漏水。隧道漏水又在一定程度上引起基坑內(nèi)部水土流失，嚴(yán)重的將引起上部建筑不均勻沉降甚至開裂。

通過(guò)多方論證，最終采用在基坑原有裙邊加固的基礎(chǔ)上，對(duì)基底土體實(shí)施抽條加固的措施。抽條加固采用礦渣硅酸鹽水泥土攪拌樁，水泥摻入量15%，水灰比要求控制在0.45～0.5，完成后的滲透系數(shù)≤10-7cm/s。要求攪拌樁體28d材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到1000kPa以上。見(jiàn)圖7。

抽條加固使基底土體明顯改性，剛度增大，較為有效地減小基底回彈變形。隧道結(jié)構(gòu)的上抬位移主要是由于坑內(nèi)隧道以下土體回彈帶動(dòng)其向上運(yùn)動(dòng)造成的，所以盡量減小坑內(nèi)土體尤其是隧道以下土體的回彈能更有效地降低隧道上抬位移。

另外，地鐵9號(hào)線隧道亦采取了隧道二次注漿加固措施，最終隧道上抬位移均＜20mm。

5 結(jié)論與建議

1）基坑開挖引起坑底土體的回彈，進(jìn)而引起基坑下覆既有隧道的上抬位移，坑內(nèi)隧道的上抬位移是明顯的，往往需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)并實(shí)施行之有效的加固措施，將上抬位移控制在允許范圍內(nèi)；位于坑外的隧道上抬位移較坑內(nèi)隧道要小得多。

2）基坑底部土體在開挖過(guò)程中豎向與橫向卸載量存在較大差異，會(huì)使坑底隧道產(chǎn)生明顯變形。而開挖對(duì)坑外土體影響較小，坑外隧道的變形也小于坑內(nèi)。

3）對(duì)于坑內(nèi)隧道，其相對(duì)基坑的水平位置不同，變形規(guī)律也不同。當(dāng)隧道處于坑底正中時(shí)，其上抬位移及相對(duì)變形都最大。隨著隧道向基坑一側(cè)偏移，上抬位移及相對(duì)變形都會(huì)隨之減小，與此同時(shí)最大、最小豎向位移點(diǎn)都發(fā)生了相應(yīng)的規(guī)律變化，隧道也會(huì)發(fā)生越來(lái)越明顯的側(cè)向位移。

4）基底加固使基底土體明顯改性，剛度增大，較為有效地減小基底回彈變形。隧道結(jié)構(gòu)的上抬位移主要是由于坑內(nèi)隧道以下土體回彈帶動(dòng)其向上運(yùn)動(dòng)造成的，所以盡量減小坑內(nèi)土體尤其是隧道以下土體的回彈能更有效地降低隧道上抬位移。

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U459

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1008-3197（2011）02-33-03

2011-02-17

李廣軍/男，1984年出生，助理工程師，碩士，天津城投建設(shè)有限公司，從事地下結(jié)構(gòu)施工管理工作。