盾構(gòu)下穿對(duì)基坑穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析

王陸陽，洪 勇，李蒼松,2，李 亮

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033； 2.中國鐵路西南科學(xué)研究院 成都市 610000)

0 引言

地鐵建設(shè)過程中，盾構(gòu)法相較于其他開挖方法具有更加安全和高效的特點(diǎn)。由于盾構(gòu)下穿既有建(構(gòu))筑物的情況越來越多，并且在下穿過程中存在很大的安全隱患，會(huì)造成隧道上方的建筑和支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生受力變形甚至破壞并造成周圍土體的位移。對(duì)此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛而深入的研究，得出了盾構(gòu)隧道下穿建(構(gòu))筑時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)受力變形、周圍土體的受力變形以及基礎(chǔ)沉降規(guī)律。李兵等[1]用Midas進(jìn)行數(shù)值模擬的方法證明盾構(gòu)施工對(duì)鄰近基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形不可忽略；鞠鑫等[2]通過公式和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析得出地表沉降本質(zhì)上是盾構(gòu)施工引起的土體損失累積造成的，施工全過程應(yīng)該采取地表沉降控制技術(shù)措施；徐祥云[3]、殷凱[4]、張晉勛[5]等對(duì)盾構(gòu)下穿過程造成的地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究；謝雄耀、王強(qiáng)、齊勇等[6]運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)盾構(gòu)下穿房屋沉降控制技術(shù)進(jìn)行了研究；也有一些學(xué)者運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)值模擬的方式對(duì)盾構(gòu)下穿車站和已有隧道時(shí)造成已有建(構(gòu))物的變形和沉降進(jìn)行研究，例如吳浩[7]、賀雪來[8]等；曾英俊、楊敏等研究表明地下連續(xù)墻沉降與連續(xù)墻插入隧道的深度有關(guān)[9]。

但現(xiàn)有研究成果對(duì)盾構(gòu)下穿已支護(hù)基坑造成的土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形沉降研究較少。特別是盾構(gòu)下穿在軟土地基中修建的基坑時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力改變并且造成周圍土體位移以及基坑沉降。以青島高新區(qū)軟土地層地質(zhì)條件為依托，建立了對(duì)應(yīng)的三維數(shù)值模型，模擬了盾構(gòu)下穿青島濱海軟土區(qū)基坑后土體和地下連續(xù)墻的受力和變形情況，以及不同的下穿深度對(duì)基坑底板沉降造成的影響。研究成果可以為盾構(gòu)下穿基坑時(shí)土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制以及選擇盾構(gòu)下穿的深度提供一定依據(jù)。

1 工程實(shí)例及三維模型的建立

1.1 工程概況

紅島高新經(jīng)濟(jì)區(qū)作為青島的新經(jīng)濟(jì)區(qū)正在進(jìn)行大規(guī)模的工程建設(shè)。紅島高新區(qū)屬第四紀(jì)全新紀(jì)(Q4)土層，多為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土及淤泥混砂層，屬于飽和軟黏土，而較深處則為花崗巖結(jié)構(gòu)，屬于上軟土下巖石結(jié)構(gòu)[10-11]。青島地鐵部分線路通過高新區(qū)的上軟土下巖石地層。本文模擬青島地鐵盾構(gòu)下穿青島高新區(qū)青島D6項(xiàng)目居民樓已開挖基坑。本工程周圍無高大密集建筑群，距其他建筑物較遠(yuǎn)。土體根據(jù)地質(zhì)條件分為5層，土體自上而下依次劃分為素填土(0～1.2m)、粉質(zhì)黏土(1.2～4.7m)、黏土(4.7～8.2m)、加固層(8.2～11.2m)、粗?；◢弾r(11.2～26.5m)。其中基坑底加固層原本為黏土，采用注漿加固方法加固。土體參數(shù)見表1。

表1 模擬圍巖土體的力學(xué)參數(shù)

基坑主體采用明挖法施工，基坑外邊界長36.6m，寬12.6m，深8.44m?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻加兩道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方式，地下連續(xù)墻厚度為600mm，混凝土內(nèi)支撐450mm×650mm，混凝土強(qiáng)度為C30。盾構(gòu)管片外半徑為3.3m,厚度為0.3m,管片寬1.5m。掌子面形心處距離地表面20m。盾構(gòu)沿著基坑的長度方向平行于地表面穿過，且盾構(gòu)隧道的軸線在基坑長度方向軸線的正下方。隧道下穿基坑橫剖面如圖1所示。

圖1 隧道下穿基坑橫剖面圖

1.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

采用FLAC3D軟件建立三維模型對(duì)隧道下穿基坑的過程進(jìn)行分析。整個(gè)模型尺寸為80m×60m×32m的長方體土體，以地表中心處為原點(diǎn)。采用固定邊界條件，底部采用固定約束，左右兩邊界為水平方向固定約束邊界，地表為自由面[12]。計(jì)算模型共218565個(gè)節(jié)點(diǎn)，208416個(gè)單元。建立地層條件進(jìn)行初始應(yīng)力平衡后進(jìn)行基坑的開挖，為簡化計(jì)算，開挖過程共分為六步：首先建立地下連續(xù)墻，然后進(jìn)行兩次開挖和兩道混凝土內(nèi)支撐支護(hù)，最后開挖到基底標(biāo)高建立底板。基坑開挖應(yīng)力平衡后進(jìn)行盾構(gòu)下穿模擬，并且記錄隧道下穿之后基坑外部土體和維護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向變形量以及隧道下穿過程造成基坑以及土體的沉降量。盾構(gòu)下穿完成后的立體模型如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)下穿完成后模型示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 基坑周圍土體的橫向變形分析

盾構(gòu)下穿基坑過程后造成土體橫向位移的剖面云圖如圖3所示，土體橫向應(yīng)力的剖面云圖如圖4所示。可以看出由于地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐的保護(hù)作用，地表土體的橫向位移較大的區(qū)域與基坑是有一定距離的，基坑附近1m以內(nèi)的地表土體的橫向位移并不明顯，而距離基坑3～14m處地表土體有較大的橫向位移，最大位移量約為8mm。由于底板附近土體所受應(yīng)力較大導(dǎo)致基坑底板附近土體的橫向位移較大，最大位移量約為10mm。土體橫向位移較大的區(qū)域成一定角度斜向上對(duì)稱擴(kuò)展至地表面。

圖3 土體橫向位移的剖面云圖

圖4 土體橫向應(yīng)力的剖面云圖

2.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向變形分析

盾構(gòu)下穿基坑以后下連續(xù)墻及底板的橫向位移剖面云圖如圖5所示，地下連續(xù)墻及底板的橫向位移立體云圖如圖6所示。盾構(gòu)下穿基坑后，從地表面至深處，地下連續(xù)墻的橫向位移開始逐漸增大，到達(dá)底板下方后連續(xù)墻橫向位移略有減小。由于底板附近土體位移和所受橫向應(yīng)力較大，底板的橫向位移在此處最大，約為5.8mm。而底板中心附近下方的土體所受橫向應(yīng)力以及橫向位移都較小，因此底板的橫向位移量由底板兩端向中間逐漸減小至接近于零。

圖5 地下連續(xù)墻及底板的橫向位移剖面云圖

圖6 地下連續(xù)墻及底板的橫向位移立體云圖

2.3 基坑以及周圍地表土體的沉降分析

盾構(gòu)下穿基坑后，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體的最終沉降量云圖如圖7所示，可以看出底板中心處為支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降量最大，約為1.63cm?；右约爸車馏w的沉降量由基坑長度方向軸線處向兩側(cè)逐漸遞減至接近于零。

圖7 基坑及其周圍土體沉降云圖

2.4 盾構(gòu)下穿深度對(duì)基坑沉降的影響

為進(jìn)一步研究基坑最大側(cè)位移量和連續(xù)墻底板的最大沉降量與隧道位置的關(guān)系，作者分別對(duì)5種不同的盾構(gòu)下穿深度進(jìn)行了模擬，取底板中心處下方為連續(xù)墻底板的最大沉降量檢測(cè)點(diǎn)，隧道形心距地表的豎向距離分別為19m、19.5m、20m、20.5m、21m。

在不同的隧道形心到地表的豎向距離下，連續(xù)墻底板中心處下方沉降量如圖8所示。盾構(gòu)掌子面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)20m(約3.5倍洞徑)時(shí)連續(xù)墻底板開始沉降，穿過監(jiān)測(cè)點(diǎn)30m(約5倍洞徑)后底板沉降量趨于穩(wěn)定?？梢钥闯鲈谶@5組數(shù)據(jù)中當(dāng)盾構(gòu)隧道形心距離地表面的豎向距離為19m時(shí)，連續(xù)墻底板沉降量最大，為1.80cm；當(dāng)隧道形心距離地表面的豎向距離為21m時(shí)，連續(xù)墻底板沉降量最小，為1.36cm。盾構(gòu)下穿基坑后底板具體沉降情況見表2。

圖8 底板中心豎向位移比較圖

隧道形心與地表距離(m)底板最終沉降值(cm)191.8019.51.72201.6320.51.46211.36

3 結(jié)論

(1)盾構(gòu)下穿基坑后，由于地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐的保護(hù)作用，距離基坑1m以內(nèi)地表土體的橫向位移并不明顯，但距離基坑3～14m的地表土體橫向位移較大，基坑底板附近的橫向位移較大并成一定角度斜向上對(duì)稱擴(kuò)展至地表面，建議施工時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行土體和基坑的加固。

(2)盾構(gòu)下穿基坑時(shí)，混凝土內(nèi)支撐梁與基坑底板對(duì)地下連續(xù)墻的側(cè)位移都有限制作用而且基坑底板在此過程中對(duì)地下連續(xù)墻側(cè)位移的限制作用比較顯著。

(3)盾構(gòu)隧道掌子面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)約3.5倍洞徑時(shí)基坑底板開始沉降，穿過監(jiān)測(cè)點(diǎn)約5倍洞徑后底板沉降量趨于穩(wěn)定。

(4)在一定范圍內(nèi)，基坑底板的沉降量隨著盾構(gòu)形心與地表之間豎向距離的增大而減小。