基坑開(kāi)挖方式對(duì)盾構(gòu)隧道的變形影響研究

摘 要：利用Midas-GTS，對(duì)基坑開(kāi)挖方式對(duì)隧道變形影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，基坑分塊開(kāi)挖能減小隧道的最大豎向位移，在底板澆筑前，能縮短隧道最大變形的暴露時(shí)間。

關(guān)鍵詞：開(kāi)挖方式；盾構(gòu)隧道；數(shù)值模擬

1 建立數(shù)值模型

1.1 工程背景

（1）待開(kāi)挖的基坑：本基坑的尺寸為15m×15m×10m；沿基坑深度方向設(shè)2道內(nèi)支撐，深度分別為3m、6m（離基坑底部分別為7m、4m），支撐采用鋼支撐，支撐尺寸為直徑φ=800mm、厚度t=14mm，相鄰的支撐相隔6m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用挖孔支護(hù)樁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸為直徑φ=1200mm，埋深12m（深入基坑底2m），相鄰的攪拌樁樁相隔1.6m。（2）下方地鐵盾構(gòu)隧道：隧道的外徑為6m，襯砌結(jié)構(gòu)厚度為0.3m，內(nèi)徑為5.4m。（3）基坑與地鐵盾構(gòu)隧道的相對(duì)位置：盾構(gòu)隧道位于待開(kāi)挖基坑的正下方，隧道拱頂至基坑底部6m，至地面16m?？傮w待研究的模型截面示意圖如圖1所示。

1.2 模型的材料參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本模型選定的土層是淺巖區(qū)的土層，由雜填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖等構(gòu)成[1]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用挖孔支護(hù)樁（φ=1200mm），內(nèi)支撐選用鋼支撐（φ=800，t=14）形式，隧道的襯砌為混凝土C50（t=300mm）的盾構(gòu)管片，基坑底板為鋼筋混凝土C40（t=600mm）。本模型的土體參數(shù)及各結(jié)構(gòu)參數(shù)具體如表1[2]。

1.3 模型的計(jì)算范圍

本模型模擬的是整個(gè)基坑開(kāi)挖的過(guò)程，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[3]，土體對(duì)于基坑的影響范圍，水平影響范圍是基坑開(kāi)挖深度的3倍，豎直影響范圍是基坑開(kāi)挖深度的2.5倍。本模型的基坑深10m，為了能充分包裹全部的影響區(qū)域，本模型的截面水平寬度取100m，深度取50m，形成一個(gè)100m×80m的矩形區(qū)域。

1.4 模型的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，運(yùn)營(yíng)地鐵隧道在受到外界各種加卸載活動(dòng)的干擾，產(chǎn)生的影響必須符合以下三點(diǎn)[4]：地鐵隧道的豎向絕對(duì)沉降量為20mm，水平位移量為20mm；地鐵隧道最大的上浮位移量為15mm；相對(duì)彎曲為1/1500。

1.5 基坑開(kāi)挖步驟

本模型在進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)，對(duì)具體的施工過(guò)程利用MIDAS/GTS里面的施工階段，簡(jiǎn)化為下面幾個(gè)步驟進(jìn)行模擬：

（1）在基坑兩側(cè)設(shè)置挖空支護(hù)樁；（2）開(kāi)挖第一層土層（第一層土體厚度4m，開(kāi)挖至離地面深4m）；（3）設(shè)置第一道內(nèi)支撐（在離地面深3m處架設(shè)第一道鋼支撐）；（4）開(kāi)挖第二層土層（第二層土體厚度3m，開(kāi)挖至離地面深7m）；（5）設(shè)置第二道內(nèi)支撐（在第一道支撐下深3m處架設(shè)第二道鋼支撐，離地面深6m）；（6）開(kāi)挖第三層土層（第三層土體厚度3m，開(kāi)挖至離地面深10m至基坑坑底）；（7）澆筑基坑底板，基坑開(kāi)挖完成。

2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

2.1 全斷面開(kāi)挖

通過(guò)MIDAS/GTS對(duì)各施工模擬計(jì)算，得出在開(kāi)挖方式為全斷面開(kāi)挖時(shí)，各施工階段的水平位移和豎向位移最大值如下表2。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，施工階段（1）至施工階段（6），隧道最大的水平位移變化是呈增加趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖至基坑底部時(shí)。在施工階段（3）、（5）、（7），水平位移比上施工階段略微減少，原因是在支護(hù)條件下，鋼支撐、基坑底板等對(duì)對(duì)土體產(chǎn)生了約束作用，從而減少了隧道的水平位移。

施工階段（1）至施工階段（7），隧道底部的豎向位移變化是呈增加趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖至基坑底部（階段（6））時(shí)。在施工階段（3）、（5）、（7），水平位移比上施工階段略微減少，原因是在支護(hù)條件下，鋼支撐、基坑底板等對(duì)對(duì)土體產(chǎn)生了約束作用，減少了基坑下方土體的隆起量，從而減少了隧道的豎向位移。由于挖孔支護(hù)樁的重度比土體的重度大，而隧道上方的土體并未被擾動(dòng)，所以在架設(shè)挖孔支護(hù)樁階段，隧道頂部產(chǎn)生的豎向位移是豎直向下的。在基坑開(kāi)挖階段，由于基坑開(kāi)挖造成原土層應(yīng)力的釋放，產(chǎn)生土體回彈，這時(shí)隧道頂部產(chǎn)生的豎向位移是豎直向上的。

2.2 分塊分區(qū)開(kāi)挖

在實(shí)際的基坑工程中，基坑開(kāi)挖是采用分塊分區(qū)的形式開(kāi)挖的，根據(jù)上節(jié)的分析數(shù)據(jù)，下臥隧道的最大位移出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖的第六個(gè)階段，即開(kāi)挖至基坑底部?，F(xiàn)將該開(kāi)挖階段采取分塊開(kāi)挖的方式，將開(kāi)挖土體平均分為5塊，每塊3m，從基坑中心向基坑兩邊對(duì)稱的進(jìn)行3步開(kāi)挖，見(jiàn)圖2。第一步是對(duì)區(qū)域3進(jìn)行開(kāi)挖，第二步是對(duì)區(qū)域2、4進(jìn)行開(kāi)挖，第三步是對(duì)區(qū)域1、5進(jìn)行開(kāi)挖。

通過(guò)數(shù)值分析，現(xiàn)將各開(kāi)挖區(qū)域階段的隧道最大水平位移、豎向位移提取，并與上節(jié)的模型進(jìn)行比較，見(jiàn)表3。

從表3看出，基坑分塊開(kāi)挖對(duì)隧道的最大水平位移影響不大。但通過(guò)分塊開(kāi)挖，在基坑底板澆筑前，可以使隧道最大位移暴露的時(shí)間縮短；通過(guò)分塊開(kāi)挖，使隧道的最大豎向位移值減小，并且能在基坑底板澆筑前，減小隧道最大豎向位移的暴露時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)MIDAS/GTS的數(shù)值模擬分析，可以得出基坑開(kāi)挖方式對(duì)既有下臥隧道有較大影響，在實(shí)際工程中，必須通過(guò)科學(xué)的統(tǒng)籌，對(duì)基坑進(jìn)行合理的分塊分區(qū)，從而對(duì)下臥隧道產(chǎn)生的影響降至最少，保證既有隧道的安全。

參考文獻(xiàn)

[1]毛朝輝，劉國(guó)彬.基坑開(kāi)挖引起下方隧道變形的數(shù)值模擬[J].地下工程與隧道，2005（4）：24-27.

[2]汪彬彬.基坑開(kāi)挖對(duì)下方盾構(gòu)隧道變形的影響[D].華南理工大學(xué)，2010，5.

[3]關(guān)寶樹(shù).隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]基坑工程手冊(cè)編輯委員會(huì).基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：1070-1071.