藺小兵

（甘肅省酒泉市玉門市白楊河系管理所,甘肅 玉門 735200）

1 引言

隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)人口的增多,尤其是各發(fā)達(dá)城市,人口的激增促進(jìn)了房產(chǎn)行業(yè)和地鐵隧道的發(fā)展。這也導(dǎo)致大量的基坑工程與地鐵隧道的距離越來越近,隧道的荷載和變形受到基坑開挖活動(dòng)的影響也越來越大[1-3]。基坑開挖卸荷會(huì)使四周土體產(chǎn)生附加應(yīng)力,作用在臨近隧道側(cè)壁上使其產(chǎn)生附加荷載,當(dāng)附加荷載超過一定值時(shí),會(huì)使隧道產(chǎn)生嚴(yán)重變形,威脅到隧道的安全性和穩(wěn)定性,會(huì)對(duì)地鐵的使用造成負(fù)面影響[4-5]。所以,分析基坑開挖活動(dòng)對(duì)附近隧道荷載和變形造成的影響是十分重要的?；诖?本文以張治國等人[6]提出的計(jì)算方法,以某基坑工程為例,從隧道位置和基坑開挖面尺寸這兩個(gè)方面深入分析隧道荷載受到的影響。

2 工程概況

某農(nóng)田灌溉引水工程閘門與交通隧道相鄰,閘門基坑開挖平面尺寸長和寬分別是20 m和10 m,15 m為開挖深度,26 m為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深度,25%為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力損失率β。地鐵隧道的底部深度h和外徑D分別是15 m和6.2 m,5 m為隧道和基坑開挖面距離的最小值s。19 kN/m3為土的重度γ,土體泊松比 和靜止土壓力系數(shù)K0分別是0.34 和0.53,土的內(nèi)摩擦角 和黏聚力c分別是22°和14 kPa。為了保證隧道安全,對(duì)閘門基坑開挖對(duì)隧道的影響進(jìn)行分析。

3 隧道受力變形和基坑開挖的關(guān)系

本文從隧道位置、開挖基坑的尺寸兩個(gè)方面分析了隧道變形受到基坑開挖的影響規(guī)律。其中隧道位置方面細(xì)分為凈距最小值s和隧道底部深度h這兩個(gè)因素；基坑開挖尺寸分為長度L和寬度B這兩個(gè)因素。本文中選擇了張志國等[6]提出的的計(jì)算方式來對(duì)隧道荷載進(jìn)行計(jì)算。

3.1 凈距最小值S的影響

只對(duì)隧道和基坑開挖面的最小凈距進(jìn)行調(diào)整,將最小凈距s設(shè)為9 m、7 m、5 m、3 m、1 m這幾個(gè)數(shù)值,不改變其他參數(shù),對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見圖1。在圖中關(guān)于水平附加荷載,正值和負(fù)值分別代表隧道所受的拉力和壓力,拉力使隧道朝著遠(yuǎn)離基坑的方向移動(dòng),壓力迫使隧道朝著基坑的方向移動(dòng)；關(guān)于豎向附加荷載,正值和負(fù)值分別代表隧道所受的壓力（方向垂直向下）和拉力（方向垂直向上）,下面小節(jié)中相關(guān)表達(dá)方式和此方式相同。

圖1 不同S下隧道附加荷載變化規(guī)律

圖1結(jié)果表示,改變最小凈距會(huì)對(duì)作用于隧道上的附加荷載產(chǎn)生比較大的影響。而隧道變形主要是所受的荷載導(dǎo)致的,荷載的變化也會(huì)對(duì)隧道變形產(chǎn)生一定的影響。在圖1中,當(dāng)最小凈距逐漸降低時(shí),水平附加荷載呈現(xiàn)以保持穩(wěn)定速度增加的趨勢(shì),此時(shí)隧道和基坑的距離也越來越近；同時(shí)荷載值在范圍[-0.5L,0.5L]里快速增加,并且兩邊降低的幅度也越來越大,整體來看,荷載變化曲線就顯得有些陡峭,附加水平荷載表現(xiàn)為集中分布。并且,當(dāng)最小凈距為3 m和1 m的時(shí)候,荷載峰值達(dá)到了67.7 kN/m和84.1 kN/m,均比報(bào)警值要大,比較危險(xiǎn)。關(guān)于豎向荷載的變化規(guī)律呈現(xiàn)為：在范圍[-12 m,12 m]里,隨著最小凈距的增大,豎向荷載變化曲線逐漸從“M 型”變成了“單頂點(diǎn)凹曲線”,在同樣的范圍里,當(dāng)最小凈距為3 m和1 m的時(shí)候,隧道受到比較大的附加荷載值,同時(shí)作用力為拉力；在范圍[-17 m,17 m]里,當(dāng)最小凈距為9 m、7 m和5 m的時(shí)候,隧道受到比較小的附加荷載值,同時(shí)作用力為壓力。

3.2 隧道深度h的影響

只對(duì)隧道底部深度h進(jìn)行調(diào)整,將底部深度h設(shè)為17 m、16 m、15 m、14 m、13 m這幾個(gè)數(shù)值,不改變其他參數(shù),工況設(shè)為相同,對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算,見圖2。

圖2 不同h下隧道附加荷載變化規(guī)律

圖2結(jié)果表示,當(dāng)基坑開挖,會(huì)產(chǎn)生卸荷載應(yīng)力,隧道受到此應(yīng)力的影響而出現(xiàn)水平附加荷載,并且值較大,產(chǎn)生拉力作用于隧道上,迫使隧道朝向基坑靠近,而豎向附加荷載的值較低。隧道受到的附加荷載不會(huì)因深度h的變化而出現(xiàn)較大的改變。當(dāng)深度增大時(shí),水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸變?nèi)醯内厔?shì),在深度等于14 m處水平附加荷載達(dá)到峰值,為55.06 kN/m,之后快速降低；水平附加荷載在y=±1.25L的基本為0；因?yàn)樵谟?jì)算的時(shí)候沒有將一面?zhèn)缺诘男逗蓱?yīng)力考慮在內(nèi),因此附加荷載比位移受到的影響程度和范圍較大。在底部深度h為16 m、15 m、14 m、13 m的時(shí)候,隧道于范圍[-17 m,17 m]里受到的力為壓力,其他位置受到的力則為拉力,因此會(huì)有剪力作用在隧道上,使其有概率出現(xiàn)豎向裂縫；在底部深度h等于17 m時(shí),隧道于范圍[-12 m,12 m]里產(chǎn)生的力為拉力,這種拉力會(huì)使隧道部分位置出現(xiàn)隆起；這部分隧道可能將會(huì)隆起；在范圍[-0.5L,0.5L]里,產(chǎn)生的壓力逐漸降低,到最后會(huì)變成拉力,但力的值較小。因此豎向、水平附加荷載的大小會(huì)因?yàn)樯疃萮的變大而降低,大埋深隧道還是具有保護(hù)隧道的作用,但作用較小。

3.3 基坑長度的影響

只對(duì)基坑開挖尺寸中的L長度進(jìn)行調(diào)整,將長度L設(shè)為28 m、24 m、20 m、16 m、12 m這幾個(gè)數(shù)值。不改變其他參數(shù),并且對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算使不考慮損失率β,計(jì)算結(jié)果見圖3。圖3結(jié)果表示,作用于隧道上的附加荷載不會(huì)因?yàn)榛娱L度L的變化而發(fā)生太大的改變。當(dāng)長度L增大時(shí),水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì),荷載峰值在57 kN/m附近；豎向附加荷載值則呈現(xiàn)出：在整體上隧道承受壓力,但在隧道兩頭所受的力為拉力。

圖3 不同L下隧道附加荷載變化規(guī)律

3.4 基坑寬度的影響

只對(duì)基坑開挖尺寸中的B寬度進(jìn)行調(diào)整,將寬度B設(shè)為18 m、14 m、10 m、6 m、2 m這幾個(gè)數(shù)值。不改變其他參數(shù),計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 不同B下隧道附加荷載變化規(guī)律

圖4（a）結(jié)果表示,當(dāng)寬度B增大時(shí),水平荷載值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),且各寬度B之間荷載的增加值大致相同,這一現(xiàn)象類似于圖1（a）。不過水平附加荷載在±L部位處的大小與0接近。寬度B等于18 m和14 m時(shí)的水平荷載峰值為85.2 kN/m和68.4 kN/m,均比報(bào)警值要大。這表示水平荷載受到寬度B的影響程度較大,所以在開挖基坑時(shí)要控制好基坑的開挖寬度,避免使隧道產(chǎn)生較大的變形。圖4（b）結(jié)果表示,隧道豎向荷載會(huì)因?yàn)閷挾菳的變化而變化,變化規(guī)律類似于圖1（b）。在基坑寬度B為10、6、2的時(shí)候,隧道于范圍[-17 m,17 m]里受到的力為壓力,且荷載也較??；在基坑寬度B為18、14的時(shí)候,隧道于范圍[-12 m,12 m]里受到的力為拉力,且豎向荷載也較大。

4 結(jié)論

本文以某基坑工程為例子,分析了基坑開挖對(duì)隧道荷載的影響因素進(jìn)行了分析,得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)隧道和基坑越近時(shí),水平附加荷載呈現(xiàn)出以穩(wěn)定速度增加的趨勢(shì)；當(dāng)最小凈距為3 m和1 m的時(shí)候,荷載峰值達(dá)到了67.7 kN/m和84.1 kN/m,均比報(bào)警值要大,比較危險(xiǎn)。豎向荷載的變化規(guī)律呈現(xiàn)為在范圍[-12 m,12 m]里,隨著最小凈距的增大,豎向荷載變化曲線逐漸從“M 型”變成了“單頂點(diǎn)凹曲線”。

（2）隧道受到的附加荷載不會(huì)因深度h的變化而出現(xiàn)較大的改變。當(dāng)深度增大時(shí),水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸變?nèi)醯内厔?shì),在深度等于14 m處水平附加荷載達(dá)到峰值,為55.06 kN/m；豎向、水平附加荷載的大小因?yàn)橐驗(yàn)樯疃萮的變大而降低,大埋深隧道具有保護(hù)隧道的作用,但作用較小。

（3）作用于隧道上的附加荷載不會(huì)因?yàn)榛娱L度L的變化而發(fā)生太大的改變。當(dāng)長度L增大時(shí),水平荷載值呈現(xiàn)出先提高后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì),荷載峰值在57 kN/m附近；豎向附加荷載值則呈現(xiàn)出：在整體上隧道承受壓力,但在隧道兩頭所受的力為拉力。

（4）當(dāng)寬度B增大時(shí),水平荷載值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),且各寬度B之間荷載的增加值大致相同；水平荷載受到寬度B的影響程度較大,所以在開挖基坑時(shí)要控制好基坑的開挖寬度,避免使隧道產(chǎn)生較大的變形。