軟土地區(qū)臨近隧道的深大基坑變形控制方法

楊 德 志

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

0 引言

近年來，隨著城市建設的快速發(fā)展，為了滿足居民的出行方便，在一、二線城市陸續(xù)有設計地鐵，地鐵沿線有較多的商業(yè)建筑建設，為滿足商業(yè)、停車等用途，設置了多層地下室，相應的基坑開挖較深。這些深基坑的開挖卸載，勢必引起周邊土體的位移，同時導致地鐵隧道的變形，對于軟土地區(qū)而言，相應的變形影響更為明顯[1]，因此，對軟土地區(qū)臨近隧道的深基坑開挖造成的隧道變形影響進行研究，在深基坑設計階段采取有效的保護措施，具有重要的工程實際意義。

對于上述問題，國內外學者采用理論計算、數值模擬、現場實測等手段開展了大量研究，其中，Dolezalova等[2]采用有限元分析了基坑開挖對臨近隧道的影響；李平等[3]采用數值計算手段分析了不同位置關系工況下基坑開挖對隧道變形及受力的影響；姜兆華[4]系統的分析了基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響。

本文以實際工程為背景，通過有限元計算結果與工程現場監(jiān)測實測結果的對比分析，從設計角度出發(fā)，分析了地下連續(xù)墻的插入比、被動區(qū)加固寬度等因素對地連墻及隧道變形的影響。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

上海市閔行區(qū)虹橋鎮(zhèn)龍柏社區(qū)S110201,S110202單元15-01地塊商業(yè)綜合體項目(簡稱吳中路項目)位于吳中路以北、虹井路以東，西側虹井路下伏已運營的地下軌道交通10號線，地下室外墻距離隧道外邊線最近處約為20.1 m。整體設二、三層地下室，基坑總面積為4.6萬m2，基坑開挖深度10.6 m～14.3 m。為保護軌道交通10號線隧道，采用“大坑劃小坑”進行分區(qū)施工，其中臨近隧道位置的基坑支護方案采用0.8 m厚地下鋼筋混凝土連續(xù)墻為圍護結構；采用內支撐的方式：第一道支撐為鋼筋混凝土撐，水平間距6 m；第二、三道支撐采用φ0.609×0.016鋼管撐，基坑開挖剖面如圖1所示。

1.2 地質條件

根據地質勘察成果，各土層的物理力學指標如表1所示。

表1 土層的物理力學指標

2 數值模擬

2.1 模型假定

采用有限元法建立二維分析模型。分析土體采用巖土工程廣為應用的摩爾—庫侖模型，圍護樁及隧道采用線彈性模型，考慮圍護與土體的接觸面作用。

Mohr-Coulomb屈服準則是Coulomb摩擦定律在一般應力狀態(tài)下的推廣。實際上，這個準則確保了材料單元內的任何一個平面都符合Coulomb摩擦定律。完整的Mohr-Coulomb屈服準則可以用三個以主應力表示的屈服函數來定義。

在屈服函數中出現的兩個塑性模型參數是摩擦角φ和內聚力c。這些屈服函數在主應力空間內就組成了一個六棱錐，見圖2。

2.2 計算模型的建立與開挖過程模擬

取基坑臨近隧道的剖面建立二維計算模型，水平方向60 m，豎向40 m，隧道外徑為6.0 m，襯砌厚度0.5 m，地下連續(xù)墻墻長23.4 m，墻厚0.8 m，地下水埋深0.5 m，對水平低邊界施加豎向變形約束，兩側邊界施加水平變形約束。采用15節(jié)點三角形單元來進行土的應力變形分析，模型有限元網格劃分見圖3。

開挖工況依次為：1)凍結圍護樁、支撐、隧道等結構單元，生成初始應力場；2)隧道內土方挖出，安裝襯砌，消除初始應力場，激活地下連續(xù)墻；3)開挖第一層土方，并施工第一道支撐；4)開挖第二層土方，并架設第二道支撐；5)開挖第三層土方，并架設第三道支撐；6)基坑開挖到底。

數值模擬結果顯示，基坑開挖到底后，地下連續(xù)墻最大位移值為16.3 mm，隧道最大位移值為4.5 mm，見圖4～圖6。

2.3 模擬模型的驗證

為了評價基坑開挖對隧道及周圍環(huán)境的影響，施工期間對圍護結構、隧道等分別進行了全面的監(jiān)測，本次模型剖面位置對應為CX11～CX15測斜點。圖7為模擬計算范圍內測斜點的實測值與數值模擬結果對比，其中基坑開挖到底后的計算值與8月份基坑實際開挖到底后實測值較為接近，二者吻合較好。隨著時間積累，工程實測變形數據有持續(xù)增長，后期10月份實測值比數值模擬結果要大一些。圖8為隧道各監(jiān)測點累計變化曲線，各監(jiān)測點累計變形值多集中在3.5 mm～5.0 mm范圍內，數值模擬結果最大位移值為4.5 mm，與之較吻合。

3 計算設計參數影響分析

3.1 地墻插入比對圍護墻及隧道位移影響分析

按上海市基坑工程規(guī)范，圍護墻的插入深度需滿足：整體穩(wěn)定性、樁底抗隆起穩(wěn)定性、坑底抗隆起穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗管涌穩(wěn)定性[1]。在滿足規(guī)范的前提下，地下連續(xù)墻最小插入比(圍護墻基坑以下插入深度與基坑開挖深度的比值)為1.1，本文分別計算了插入比1.1～1.7區(qū)間內連續(xù)墻側向變形曲線及隧道位移，以歸納分析插入比對圍護墻及隧道位移的影響規(guī)律。圖9表明隨著地下連續(xù)墻的插入比增加，地墻最大側向位移減小，插入比在1.1～1.5范圍內時，地墻位移減小效果較明顯，但當插入比達到1.5后，地墻位移減小效果并不明顯；圖10表明隨著地下連續(xù)墻的插入比增加，隧道最大位移減小，但整體而言，這種減小效果并不明顯，地墻插入比從1.1增大至1.7，墻長從22.3 m增加了55%，但隧道最大位移僅僅減少了0.5 mm，這并不經濟。

3.2 被動區(qū)加固寬度的影響分析

對環(huán)境保護要求較高的基坑，可以采取增加坑底被動區(qū)加固來減少圍護樁變形，坑底面以下加固體深度一般不宜小于4.0 m，加固體寬度可取基坑深度的0.5倍～1.0倍[1]。本文對比分析了不同被動區(qū)加固寬度對圍護墻及隧道位移的影響，加固體深度取坑底以下4.0 m，取加固區(qū)域模量為未加固區(qū)域的2倍(較常采用的基坑加固方式加固后壓縮模量提高約1.5倍～2.0倍[5])。計算了坑底加固寬度分別為0 m,4.0 m,6.0 m,8.0 m,10.0 m,12.0 m時，連續(xù)墻側向變形曲線及隧道位移。圖11表明隨著被動區(qū)加固寬度的增加，地墻最大側向位移減小，尤其是從無被動區(qū)加固到有加固，對于減小地墻位移有明顯效果。圖12表明隨著被動區(qū)加固寬度的增加，隧道最大位移減小，這種減小效果比較明顯，這說明通過增加被動區(qū)加固，并適當提高被動區(qū)加固的寬度是保護隧道的有效手段。

4 結語

1)本文以實際工程為背景，通過有限元計算結果與工程現場監(jiān)測實測結果的對比分析，表明二維數值模擬可以較好地模擬基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的側向變形及隧道變形規(guī)律。從基坑圍護設計角度出發(fā)，分析了地下連續(xù)墻的插入比、被動區(qū)加固寬度對地連墻及隧道變形的影響，對于類似工程的基坑圍護設計有一定的參考意義。

2)從地下連續(xù)墻的插入的影響比分析來看，地連墻長度在滿足規(guī)范要求的前提下，再適當增加長度可減少地下的最大側向變形及隧道的位移，但超過一定插入比后，并不經濟。

3)從被動區(qū)加固寬度的影響分析來看，通過增加坑底被動區(qū)土體加固可以有效的減少地下的最大側向變形及隧道的位移。

參考文獻:

[1] 劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] Dolezalova M.Tunnel Complex Unloaded by a Deep Excavation[J].Computers and Geotechnics,2001,28(6-7):469-493.

[3] 李 平,劉漢龍,陳育民.基坑開挖中既有下穿地鐵隧道隆起變形分析[J].解放軍理工大學學報,2011,12(5):480-485.

[4] 姜兆華.基坑開挖時臨近既有隧道的力學相應規(guī)律研究[D].重慶：重慶大學博士學位論文，2013.

[5] 秦愛芳,李永圃,陳有亮.上海地區(qū)基坑工程中的注漿加固研究[J].土木工程學報,2000,33(1):69-72.