汪 濤，汪東林

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著我國社會現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，城市在橫向擴(kuò)張的同時也在尋求如何更好利用城市的地下空間，其中就有深基坑工程和地鐵隧道工程等.由于城市土地資源的限制，有些深基坑的開挖不可避免地會影響到周圍原有環(huán)境，包括高樓和地下隧道，大量相關(guān)學(xué)者研究了深基坑開挖對鄰近建筑物的影響.徐澤等[1]研究了蘇州某基坑開挖中既有管線的保護(hù)方案；儲成伍[2]采用數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的的方法研究了基坑開挖對鄰近鐵路路基的變形影響；吳錚等[3]利用ABAQUS軟件進(jìn)行了基坑開挖對下臥管線的變形影響分析；李陽[4]研究了基坑開挖對鄰近車站的影響并提出了相應(yīng)對策；林錦賢[5]按照不同施工階段探究了明挖法深基坑的安全風(fēng)險和控制措施；劉晨等[6]使用MIDAS/GTS軟件模擬了復(fù)合土釘墻的支護(hù)效果，得出了復(fù)合土釘墻能夠減小基坑土體的位移.本文以合肥市某深基坑及其鄰近地下隧道為背景，使用MIDAS/GTS對基坑開挖及支護(hù)過程中隧道結(jié)構(gòu)截面的變形進(jìn)行模擬，研究基坑施工過程中隧道變形的有關(guān)規(guī)律，論證該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)及開挖方式的安全性.

1 工程概況

該工程為合肥市大學(xué)城地下空間利用項目的附屬連接通道中的基坑工程.該基坑總體呈長條形布置，深度為10 m，基坑?xùn)|側(cè)鄰近合肥軌道交通3號線，與鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)相距距離為3.7-16.5 m.因此取距隧道3.7 m的最危險截面建模，進(jìn)行有限元分析.基坑與地鐵隧道位置如圖1所示.

基坑兩側(cè)采用單排鉆孔灌注樁圍護(hù)，強度為C35，直徑1 000 mm，樁身長度17 m.基坑內(nèi)部采用水平支撐形式，第一道C30混凝土支撐尺寸800 mm×800 mm；第二道Q335鋼支撐，直徑609 mm(t=16).基坑C30底板厚度800 mm.

圖1 基坑與隧道位置關(guān)系

2 建立模型

根據(jù)基坑與隧道的位置關(guān)系，選取二者相距最近的截面建立二維有限元模型，為保證分析結(jié)果合理有效，模型尺寸選定為長106 m、深27.5 m，其中劃分網(wǎng)格尺寸均為0.5 m以確保結(jié)果精確.4個土層采用2D的修正摩爾庫倫模型，圍護(hù)樁、內(nèi)支撐、基坑底板均采用1D梁單元模擬.基坑內(nèi)分步開挖的土體厚度分別為1 m、5.5 m和4.5 m；混凝土支撐和鋼支撐的標(biāo)高分別為0.5 m和-5.5 m.土層參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2所列，模型示意圖如圖2所示.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

本工程基坑由于開挖深度較大，故分層開挖，第一階段為原始場地，用來模擬初始應(yīng)力場，因合肥地鐵3號線在基坑施工前已建成通車，故位移清零.

運用MIDAS/GTS軟件建立二維模型，具體施工工況見表3.

圖2 模型示意圖

表3 施工階段組

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道管片位移變化分析

由MIDAS/GTS軟件模擬所得工況2-工況6作用下隧道管片的總位移如圖3-圖6所示.

工況1和工況2：在本工程開工前合肥軌道3號線已完工通車，故位移清零，隧道管片無位移.

工況3：左線隧道，位移主要發(fā)生在隧道截面左側(cè)，最大位移發(fā)生在左上角，約為2.42 mm，位移量向兩側(cè)逐漸減小至2.0 mm，隧道右側(cè)變形相對較小，在1.4-1.6 mm之間，隧道底部沉降值在1.6-2.0 mm之間.右線隧道，最大位移在左側(cè)0.75 mm，位移量向兩側(cè)逐步減小至0.65mm，右側(cè)影響較小，位移量均在0.5-0.6 mm之間.因圍護(hù)樁施工，土體向隧道方向擠壓，左線隧道管片受影響較大總體變形趨勢扁平化且向右偏移，右線隧道受影響較小.

工況4：由于本階段開挖深度僅為1 m，且第一道支撐已完成施工.故右線隧道位移無明顯變化，左線隧道位移略微減小,最大值約為2.35 mm.整體變形趨勢同上一階段.

工況5：本階段開挖深度為5.5 m，左線隧道位移最大值減小為1.06 mm,且最大位移方位由左上角轉(zhuǎn)為左下角隧道底部附近，總體變形主要發(fā)生在左側(cè)位移量在1.06-0.90 mm之間，隧道底部上浮0.83-0.52 mm，位移量從左至右遞減.右線隧道位移最大值略有減小，從0.75 mm變?yōu)?.183 mm，但主要影響范圍有向右側(cè)變化的趨勢.本階段隧道管片各位移量減小主要因為開挖深度較大土體的卸載作用導(dǎo)致隧道管片受到向內(nèi)的應(yīng)力減小.

工況6：左線隧道，位移最大值為3.40 mm，變形趨勢與上一階段相同，主要影響區(qū)域為隧道左側(cè)，但數(shù)值明顯增大，隧道底部上浮量為1.53-2.46 mm.右線隧道，受影響略微增大，最大值為0.37 mm，主要受影響范圍為左下角.本次開挖達(dá)到了基坑設(shè)計最深處，對隧道管片的影響也達(dá)到了最大，但該內(nèi)支撐支護(hù)體系有效遏制了隧道管片的變形.

圖3 工況3隧道管片總位移

圖4 工況4隧道管片總位移

圖5 工況5隧道管片總位移

圖6 工況6隧道管片總位移

3.2 圍護(hù)樁位移變化分析

為了更加直觀地分析圍護(hù)樁位移，現(xiàn)將樁身18個節(jié)點各階段X、Y方向位移做數(shù)據(jù)處理，其中樁頂節(jié)點編號為1.根據(jù)軟件分析結(jié)果，利用數(shù)據(jù)處理得出樁身位移變化數(shù)據(jù)圖，如圖7-圖9，其中水平位移向右為正值，數(shù)值位移向上為正值.圖7-圖10均采用origin pro繪制.

圖7 左側(cè)樁身水平位移

圖8 右側(cè)樁身水平位移

圖9 樁頂豎直位移

水平位移：由圖7和圖8可見，圍護(hù)樁在工況5、6時期受影響最大，主要表現(xiàn)為圍護(hù)樁由兩側(cè)向基坑內(nèi)位移，其中樁身中下部受影響較大.左右樁底分別最大水平位移分別是+0.526 mm、-0.303 mm.

豎直位移：工況3即樁身澆筑后樁頂發(fā)生了約5.1 mm的沉降，在工況4保持不變.工況5時豎直位移有所回落，兩側(cè)樁身由下沉變?yōu)槁晕⑸仙?，至工況6最終開挖，樁身達(dá)到隆起最大值，左側(cè)5.29 mm，右側(cè)5.62 mm.

3.3 基坑底部豎直位移分析

為更加直觀地分析基底位移，將基坑底部沿水平方向分為10個節(jié)點，根據(jù)MIDAS/GTS計算結(jié)果匯總得出基底位移，如圖10所示.

圖10 基底位移

由工況4開始第一階段開挖，底部隆起值均為2.5 mm左右；工況5第二階段開挖變化最為明顯，基底隆起值達(dá)到了最大約18.6 mm，總體呈拱形，基底兩側(cè)隆起約為15 mm；最終開挖及底板施工后，基底隆起略有收斂，總體位移約減小4 mm.

4 結(jié)論

通過對MIDAS/GTS軟件計算的結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：本工程聯(lián)絡(luò)通道基坑開挖對緊鄰地鐵隧道的影響主要表現(xiàn)為隧道道床、拱頂?shù)纳细『驼w結(jié)構(gòu)的水平向收斂；在施工過程中左線隧道所受影響主要位于左上方，右線隧道受影響范圍主要在右側(cè)偏上；左右線隧道結(jié)構(gòu)位移最大值分別為3.402 mm、0.7508 mm，均低于規(guī)范控制值10 mm，此基坑支護(hù)方案可行.