基坑開挖對某既有隧道的變形影響數(shù)值分析

譚黎明

（國家林業(yè)和草原局昆明勘察設計院，云南 昆明 650031）

0 引言

隨著我國城市化進程的快速發(fā)展，城市土地資源由于其巨大的經(jīng)濟價值變的稀缺，開始呈現(xiàn)密集開發(fā)利用的特征。既有城市道路沿線的經(jīng)濟價值和走廊資源成為城市發(fā)展的首選地理位置。使得既有道路及其結(jié)構(gòu)物附近進行工程建設活動的現(xiàn)象開始頻繁發(fā)生，但在已通車道路上建設構(gòu)造物,不僅會破壞原有的道路結(jié)構(gòu)及附屬設施, 還會產(chǎn)生交通擁擠和堵塞,并且可能引發(fā)交通事故,造成巨大的經(jīng)濟損失和不良社會影響。

本文以臨近既有過江隧道的某建筑基坑工程為例，利用FLAC3D 有限差分法程序軟件包對建筑基坑臨近隧道的施工進行數(shù)值仿真模擬，分析隧道右側(cè)基坑開挖對隧道的位移影響。本工程案例是城市開發(fā)中較為典型的工程案例，可為此類基坑開挖對既有隧道擾動的影響提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 新建項目基坑概況

某新建高層建筑項目擬建5 棟高層建筑，其中1#、2# 棟緊鄰既有過江隧道?；釉O計深度3.85～4.35 m，采用土釘墻支護，注漿采用二次高壓注漿工藝，放坡為1∶0.5～1∶0.75，根據(jù)位置不同，設置2排土釘。

1.2 既有隧道概況

既有隧道為南北走向的并行雙孔結(jié)構(gòu)，雙孔最小間距18 m，單孔寬均為11 m，凈高7 m，每孔設置單向兩車道，設計時速50 km/h。隧道全長1910 m，暗埋段長1400 m，敞開段長510 m，臨近建筑基坑的隧道頂埋深10.12～17.94 m。

根據(jù)隧道竣工資料得知該段隧道原為明挖法施工，原隧道施工基坑采用Φ800 mm 的鉆孔樁+ 土釘墻圍護，鉆孔灌注樁長14.2 m，樁間距為1 m，采用C30水下混凝土；鉆孔灌注樁外側(cè)采用咬合旋噴樁止水，樁徑600 mm，樁間距400 mm，進入強風化礫巖1 m。

1.3 新建項目與既有基坑的位置關(guān)系

新建項目基坑外邊線距離右線隧道最外側(cè)平面4.690～6.067 m。基坑底距隧道頂豎向距離5.77～13.59 m（如圖1、圖2）。

圖1 建筑平面與既有隧道平面位置關(guān)系圖（單位：m）

圖2 建筑與既有隧道立面位置關(guān)系圖

1.4 工點地質(zhì)概況

擬建場地范圍內(nèi)分布的地層主要為人工填土層和第四系沖積層，下伏基巖為第三系泥質(zhì)砂巖。各地層的自上而下分布如下如下：雜填土（）、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、圓礫、第三系全風化泥質(zhì)砂巖、第三系強風化泥質(zhì)砂巖、第三系中風化泥質(zhì)砂巖。各土層厚度及物理力學指標詳見如下表1。

表1 土層物理力學指標表

2 基坑開挖對既有隧道的內(nèi)力及變形數(shù)值計算

2.1 計算參數(shù)的選取

本次數(shù)值采用國際上通用的大型有限差分法程序軟件包FLAC3D 進行建模計算，模擬該建筑基坑開挖對既有隧道變形產(chǎn)生的影響。數(shù)值模擬計算過程中，土體的材料單元設置為Mohr-Coulomb 模型，鋼筋混凝土、旋挖灌注樁及預制管樁結(jié)構(gòu)單元設置為各向同性彈性模型，主要關(guān)注模擬開挖過程中臨近隧道及其支護結(jié)構(gòu)的變形和受力。

2.1.1 土層計算參數(shù)

據(jù)建筑基坑地勘報告，各土層參數(shù)詳見表1。

2.1.2 隧道結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

隧道襯砌、螺旋鉆孔灌注樁等結(jié)構(gòu)的相關(guān)計算參數(shù)，泊松比取0.17，彈模按照設計圖上混凝土標號，依照《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010—2010）確定。具體計算參數(shù)詳見如下表2。

表2 隧道襯砌和螺旋鉆孔灌注樁計算參數(shù)

2.2 計算模型的建立

項目整個地塊呈四邊型，東西長160～180 m，南北長約150 m。地下室開挖標高為28.15 m，樓座基底標高為26.55 m?；釉O計深度為3.85～4.35 m。

由于基坑開挖與隧道位置的不對稱性，對該基坑模擬需要進行三維全斷面建模。為減小數(shù)值計算規(guī)模，同時突出研究的重點和減小邊界效應。幾何模型按圖3 取用，在順隧道方向，模型邊界至基坑最外邊界線距離設為20 m；在垂直隧道方向，模型計算邊界至基坑最外邊界線設為200 m，考慮到基坑中3#、4#、5#樓座距隧道距離較遠，為減小模型尺寸右側(cè)邊界選為基坑中線。

圖3 計算模型平面圖

對臨近基坑的隧道進行以下簡化模擬，隧道沿線路埋深不同，南端埋深約為9 m，北端約為19 m，且沿線路不平行。模擬時按隧道埋深淺處計算，且隧道斷面等效為圓形，半徑為5.6 m。

2.3 計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

按上述方法，幾何模型的平面尺寸約為290×196 m，模型右側(cè)包含1#、2# 兩個建筑物，模型底部邊界取值-100 m。隧道管片結(jié)構(gòu)采用FLAC3D 內(nèi)置的殼單元來模擬。

三維幾何模型單元的劃分全部采用8 節(jié)點6 面體，共劃分為28331 個單元，30732 個節(jié)點，1476個殼單元及771 個單元節(jié)點。

模型邊界條件為：底面約束豎向位移，側(cè)面約束法向位移。

2.4 模擬過程

實際工程中，地層土體由于長期在自重應力的作用下已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在模擬基坑開挖時，首先需要對基坑模型進行初始應力狀態(tài)的模擬，即對計算模型進行初始應力場平衡及位移場清零。完成地應力平衡后，進行基坑開挖模擬，共分兩次開挖。第一次為全斷面開挖，一次性開挖至地下室設計標高處（28.15 m），深度為4.3 m。第二次開挖1#、2#主樓基坑處，開挖深度為1.6 m。

3 計算結(jié)果分析

基坑開挖在模擬過程中分兩次進行，第一次開挖至地下室標高，第二次開挖1#、2#主樓基坑。兩次基坑開挖卸載引起既有隧道發(fā)生向上變形。計算結(jié)果數(shù)值如圖4、圖5 所示。

圖4 基坑開挖引起的瀏陽河隧道豎向位移圖

圖5 基坑開挖引起隧道豎向位移云圖（單位：m）

從圖中可以看出，靠近基坑一側(cè)的右側(cè)隧道發(fā)生向上的位移大于左側(cè)隧道，其中正對基坑開挖的隧道右側(cè)拱頂向上位移最大，達到2.8 mm，左側(cè)拱頂向上位移最大值為1.31 mm。

圖6、圖7 為基坑開挖卸載引起的既有隧道左右拱頂和底部水平位移圖。從圖中可以看出，基坑開挖后由于隧道兩側(cè)土壓力差異影響，隧道向基坑側(cè)發(fā)生水平位移，靠近基坑一側(cè)的右側(cè)隧道發(fā)生水平的位移大于左側(cè)隧道，正對基坑開挖的隧道部分右側(cè)拱頂水平位移最大值為-0.4 mm，左側(cè)拱頂水平位移最大值為-0.25 mm。

圖6 基坑開挖引起的瀏陽河隧道水平位移圖

圖7 基坑開挖引起隧道水平向位移云圖（單位：m）

4 結(jié)論

通過對某新建項目建筑基坑開挖卸載引起既有隧道的變形數(shù)值仿真分析得知，基坑開挖卸載會引起隧道發(fā)生向上的豎向位移及靠向基坑的水平位移。最大位移均出現(xiàn)在正對基坑開挖的隧道位置，且呈現(xiàn)距基坑水平距離越小，位移越大的特征。隧道最大豎向位移值為2.8 mm（豎直向上），最大水平位移為-0.4 mm（靠向基坑方向）。

綜上所述，該項目基坑開挖引起的既有隧道變形值均很小，即基坑開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響是安全可控的。