朱榮軍 ，席培勝

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引言

由于中國城市化進(jìn)程不斷加快，在隧道上方開挖建基坑的情況越來越多?；娱_挖施工勢必將影響下部隧道的變形，對地鐵隧道的正常使用構(gòu)成威脅，所以有必要研究基坑開挖對既有隧道影響分析[1]。

目前，在基坑開挖對下方隧道影響方面取得了一定的研究成果。Lame從八個方面定性分析了基坑周圍土體變形影響因素[2]。Hamdy Faheem、FeiCai等應(yīng)用三維有限元軟件進(jìn)行基坑開挖模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析基坑變形的影響因素[3]。況龍川、李智敏等根據(jù)上海市一個典型工程實(shí)例，分析了地鐵隧道側(cè)方基坑開挖與地鐵隧道上方基坑開挖對已建隧道變形和變位監(jiān)測數(shù)據(jù)[4]。蔣洪勝、侯學(xué)淵分析了基坑周圍土體位移場的理論，同時對基坑開挖影響范圍內(nèi)隧道的變形進(jìn)行監(jiān)測分析，選取隧道的豎向位移、水平位移以及隧道的橫向位移為研究對象進(jìn)行基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響性分析[5]。梁發(fā)云等根據(jù)深基坑開挖側(cè)方既有隧道為工程依據(jù)，分析了不同的施工方法對地鐵隧道的影響[6]。鄭永來、韓文星等選取地鐵隧道的現(xiàn)場縱向位移的實(shí)測數(shù)據(jù)，研究分析了地鐵隧道縱向位移對其結(jié)構(gòu)安全性的影響[7]。本文以合肥某隧道上方基坑開挖為工程依據(jù)，采用數(shù)值模擬軟件Midas/GTS進(jìn)行軟件模擬計算，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，可為基坑開挖對既有隧道的影響分析提供工程依據(jù)和積累工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

合肥南站綜合交通樞紐配套的南廣場地下工程，現(xiàn)場用地呈方形，北鄰312國道，南鄰繁華大道，東西規(guī)劃兩條南站場區(qū)道路。場地東西長213 m，南北寬190 m，總用地面積4.40 hm2，地勢南高北低。地鐵1號線廣場東側(cè)單層地下室結(jié)構(gòu)下方且地鐵隧道從基坑正下方穿過，隧道頂部與基坑底部開挖面最小凈距離為4.5 m。

根據(jù)巖土工程勘察報告，區(qū)間土層自上而下依次為人工填土層(雜填土層)、第四紀(jì)全新世沖洪積層(黏土層)、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層(黏土層)、白堊系基巖(全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層)?；娱_挖層主要為雜填土層、粘土層，盾構(gòu)穿越地層為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。地層的物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)巖土工程勘察報告取值，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。土體與隧道斷面布置圖見圖1。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

由于實(shí)際基坑尺寸過大，為了避免模型的邊界效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理，數(shù)值模擬計算模型的邊界取基坑開挖深度的3～6倍[8]。模擬基坑的開挖區(qū)間長為120 m、寬為30 m，開挖深度為6 m。基坑支護(hù)采用500 mm厚的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻的嵌固深度9 m。兩條地鐵隧道之間的凈距為6.3 m，地連墻底部距離既有隧道頂部的凈距離為1.5 m。由于基坑長度較大，忽略東西向基坑長度影響，南北邊界各取25 m，豎向邊界為24 m，計算結(jié)果表明該邊界取值是合理的。整體計算模型和基坑開挖后的模型如圖2和3所示。

2.2 本構(gòu)模型與邊界條件

土體模型采用彈塑性理論計算，采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則。盾構(gòu)隧道的襯砌和連續(xù)墻采用線彈性本構(gòu)模型，采用實(shí)體單元模擬。整體模型邊界條件是模型底部邊為固定邊界限制水平和豎直方向移動，模型側(cè)面限制水平方向移動，模型地表面為自由面[9]。

表1 各層土體主要參數(shù)

圖2 整體計算模型

圖3 基坑開挖完成后模型圖

2.3 模型參數(shù)

本文利用三維有限元程序Midas/GTS進(jìn)行分析，先建立整體實(shí)體模型，后進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格的劃分。整體計算模型的尺寸為120 m×80 m×30 m，共劃分了22 328個單元，120 831個節(jié)點(diǎn)。隊道襯砌和地下連續(xù)墻均為C35混凝土，隧道內(nèi)徑為5.4 m，襯砌厚度為0.3 m，連續(xù)墻厚為0.5 m。錨桿為軟件提供的植入式桁架，長度為6 m。錨桿、地連墻和隧道位置關(guān)系如圖4所示?；炷梁湾^桿的計算參數(shù)如表2所示。

圖4 錨桿、地連墻和隧道位置關(guān)系圖

表2 混凝土和錨桿計算參數(shù)

2.4 模擬過程

第一步：建立模型，施加重力荷載和邊界約束，勾選位移清零，得到初始應(yīng)力場，進(jìn)行初始應(yīng)力場分析。

第二步：進(jìn)行隧道施工，先隧道的開挖后支護(hù)(一次完成)，不進(jìn)行開挖步的模擬。忽略基坑開挖前隧道施工所產(chǎn)生的變形，勾選位移清理。

第三步： 施工地下連續(xù)墻。

第四步(工況一)：開挖第一層土，開挖深度為1.5 m。

第五步(工況二)：先開挖第二層土，開挖深度為1.5 m，后施作第一層錨桿。

第六步(工況三)：先開挖至基坑底部，開挖深度為3.0 m，然后施作基坑底板，最后施作第二層錨桿。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬值對比分析

在基坑開挖前對隧道拱頂進(jìn)行了測點(diǎn)布置，進(jìn)行原位測試，本文隧道對應(yīng)的里程為K15+473-K15+553(隧道起點(diǎn)開始15 km處向前473 m至553 m區(qū)間段)，長度為80 m，隧道拱頂每10 m布置一個測點(diǎn)，共9個測點(diǎn)進(jìn)行分析。部分隧道檢測點(diǎn)布置如圖5。

圖5 部分隧道測點(diǎn)布置圖

為了與數(shù)值模擬對比分析，選取隧道右線各測點(diǎn)為研究對象(這里隧道左右線之間的變形差距較小可不考慮，X方向?yàn)闄M向水平方向，Y方向?yàn)樗淼雷呦颍琙方向?yàn)橹亓Ψ较?，工況三隧道豎向位移與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，繪制對比圖如圖6。

圖6 隧道拱頂豎向位移模擬值與實(shí)測值對比圖

由圖6曲線可知，隧道豎向位移最大值發(fā)生在基坑中心位置(Y4)，且豎向位移在基坑開挖30 m范圍內(nèi)變化最大，這與數(shù)值模擬結(jié)果相同。對比數(shù)值模擬結(jié)果和原位測試結(jié)果可知，兩者誤差在5 mm范圍之內(nèi)，基坑中心處監(jiān)測最大值為12.5 mm，數(shù)值計算結(jié)果為17.426 mm，說明計算模型簡化和參數(shù)取值是可行的，是偏于安全的。

3.2 隧道管片的位移云圖

基坑開挖完成后隧道管片的豎向位移云圖和水平向位移云圖如圖7和如圖8所示。

圖7 隧道拱頂豎向(TZ)位移云圖

圖8 隧道拱腰水平向(TX)位移云圖

從圖7中可以看出，當(dāng)隧道上方的基坑開挖完成時，隧道管片最大豎向位移發(fā)生在基坑中心位置，最大豎向位移為17.416 mm，從圖8中可以看出，隧道管片的最大水平位移為3.01 mm，由于基坑開挖施工對以下土體有垂直方向卸荷作用，對側(cè)面土體有水平方向卸荷作用，卸載會引起土體的回彈，導(dǎo)致隧道發(fā)生位移。從隧道拱腰水平位移云圖可以分析出，隧道上方基坑開挖施工時，隧道發(fā)生最大水平位移的地方位于隧道的兩側(cè)拱腰處，這是符合理論和實(shí)際工程的。

3.3 不同工況下隧道豎向位移

為了分析方便，選取右線隧道作為研究對象進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，各施工步對應(yīng)的隧道豎向位移結(jié)果曲線如圖9所示。

圖9 隧道拱頂沿縱向的豎向位移圖

計算結(jié)果表明，第一次開挖引起的豎向位移占總位移的20%左右，第二次占30%左右，第三次占50%左右。不同工況下隧道頂部的最大豎向位移分別為3.59 mm、8.09 mm、17.16 mm，基坑下方隧道，隨著基坑的開挖隧道向上發(fā)生隆起，開挖深度越大隆起量越大，其中基坑中心(Y=0)出隆起量最大，隧道拱頂最大隆起17.416 mm。同時，可以看出基坑開挖范圍內(nèi)隧道豎向變形量遠(yuǎn)大于未受影響的隧道段。

3.4 不同工況下隧道水平位移

選取右隧道的右拱腰進(jìn)行提取數(shù)據(jù)分析。從圖10中看出，第一次開挖引起的水平位移占總位移的20%左右，第二次占30%左右，第三次占50%左右，隧道橫向水平位移最大值發(fā)生在距離基坑中心8 m下的拱腰處，并不是在基坑中心位置。且隨著基坑開挖深度的加大右線右拱腰同一測點(diǎn)(Y軸坐標(biāo)0～25 m范圍內(nèi)的測點(diǎn))的水平位移沿X軸負(fù)向不斷增加，同時可以看出右拱腰不同測點(diǎn)沿X軸負(fù)向的水平位移在Y軸正向0～25 m范圍內(nèi)變化較大。這也是由于基坑開挖卸載的作用，使得隧道被“拉長拉瘦”，最大水平位移值為3.011 mm。同時，隧道水平位移主要發(fā)生基坑開挖區(qū)域，即基坑開挖中心縱向30 m范圍內(nèi)。遠(yuǎn)離基坑開挖區(qū)域，隧道縱向的水平位移較小(最大0.462 mm)。

圖10 隧道拱腰沿縱向的水平位移圖

4 結(jié)論

(1)在基坑開挖階段，基坑開挖卸載使得下部土體回彈從而帶動土體中的隧道產(chǎn)生位移，隧道拱頂產(chǎn)生最大豎向位移，拱腰產(chǎn)生最大水平位移。

(2)基坑開挖深度越大隧道豎向和水平位移越大，其中基坑中心(Y=0)出隆起量最大，最大值是17.416 mm。距離基坑中心(Y=8 m)拱腰處隧道橫向水平位移最大，最大值是3.011 mm，而并不是在基坑中心位置?；娱_挖范圍內(nèi)隧道位移變形量遠(yuǎn)大于未受影響的隧道段。

(3)通過原位測試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，數(shù)值模擬的邊界條件和參數(shù)選取符合實(shí)際情況，數(shù)值模擬結(jié)果可以為實(shí)際工程提供依據(jù)。