彭健海，申 瑾

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，伴隨著我國城市地下空間不斷的開發(fā)利用，可供新建項(xiàng)目使用的土地資源越來越少，新建項(xiàng)目目前必不可少的需要在既有工程附近施工。在基坑開挖過程中，會對基坑周邊土體產(chǎn)生卸荷作用，坑底土體產(chǎn)生回彈，坑側(cè)土體由于兩側(cè)水土壓差而向坑內(nèi)偏移?；娱_挖導(dǎo)致基坑周圍土體應(yīng)力場發(fā)生了變化，其臨近埋置于土中既有隧道受到外界荷載隨之變動[1-3]。既有地鐵隧道對于外界環(huán)境的改變較為敏感，主要體現(xiàn)在隧道變形以及裂縫方面。目前隧道主要由管片拼裝完成，其不均勻沉降將導(dǎo)致軌道變形，影響列車安全運(yùn)行[4]。外界荷載改變將會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)原受力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成裂縫，引發(fā)運(yùn)營隧道漏水現(xiàn)象[5-6]。

近年來，不少學(xué)者對基坑開挖對臨近隧道影響進(jìn)行了研究，大多采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測[7-8]，給出了一些針對性的施工措施[9-10]。還有學(xué)者結(jié)合工程實(shí)例，歸納總結(jié)出基坑開挖對周邊土體變形解析解，劃定了開挖影響分區(qū)[11-13]。這些成果對實(shí)際工程案例進(jìn)行了簡化處理，對二維數(shù)值模擬開展了詳細(xì)的研究。但對于結(jié)合實(shí)際工程情況的三維數(shù)值模擬，仍缺少相關(guān)的研究。

本文依托某臨近既有地鐵開挖基坑工程案例，建立三維數(shù)值模型，分析基坑開挖對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響特征，進(jìn)而總結(jié)出不同開挖方法對于既有隧道影響程度規(guī)律，為后續(xù)工程提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值計算與分析

1.1 數(shù)值模型建立

依托項(xiàng)目基坑整體呈不規(guī)則矩形，基坑?xùn)|西向長度約200 m，南北向長度約110 m，最大開挖深度12.5 m，距離既有地鐵隧道最近處為10 m。基坑采用樁+錨索形式，既有隧道洞身位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖?；优c既有隧道最近處橫剖面如圖1所示。

本次分析選取了地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，根據(jù)擬建基坑與既有軌道交通工程的位置關(guān)系建立三維模型，如圖2所示。邊界采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；四個側(cè)面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制平動和轉(zhuǎn)動。土體采用修正摩爾庫侖本構(gòu)模型的實(shí)體單元，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元，錨桿采用可植入式桁架單元，其余結(jié)構(gòu)都采用梁單元。地層-結(jié)構(gòu)模型邊界采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；四個側(cè)面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制平動和轉(zhuǎn)動。構(gòu)件模型計算參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件模型計算參數(shù)

從地表以下依次分布著2 m厚的素填土，1 m厚的粉質(zhì)黏土，1.5 m厚的粗礫砂，2.5 m厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，4 m 厚中風(fēng)化花崗巖，其余均為微風(fēng)化花崗巖。數(shù)值模擬中從上至下土體參數(shù)如表2所示。

基坑內(nèi)土體分為三層開挖，對開挖區(qū)域均勻劃分為6塊，如圖3所示。開挖基本工況為先開挖遠(yuǎn)離既有隧道土體(⑤～⑧)，再開挖靠近既有隧道側(cè)土體(①～④)。

1.2 模擬結(jié)果分析

開挖基坑后，周邊土體應(yīng)力場發(fā)生了變化，既有隧道在其影響區(qū)范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形以及內(nèi)力的改變。模擬施工工況后，隧道結(jié)構(gòu)變形情況如圖4,圖5所示。隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化如圖6,圖7所示。

通過位移云圖可以看出，既有隧道的水平位移最大值為1.55 mm，方向?yàn)橹赶蚧臃较?；豎直向上位移最大值為2.27 mm，隧道變形主要分布拱腰位置。

通過既有隧道內(nèi)力云圖可以看出，基坑開挖后，增加的正彎矩為23 kN，分布在拱腰處；增加的負(fù)彎矩為33 kN，分布在拱腳處。剪力分布范圍較小，僅有局部出現(xiàn)，最大值為6.3 kN。剪力變化值及其分布較小，后續(xù)不進(jìn)行討論。

2 不同開挖順序研究

基于初始工況下，分析了既有隧道結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化情況?；娱_挖后，臨近基坑的既有隧道所存賦的土體應(yīng)力場發(fā)生變化，既有隧道的內(nèi)力隨之改變。為了研究有效降低土體應(yīng)力場變化，減少開挖對既有隧道的擾動，將均勻分塊土體按照不同開挖順序設(shè)置成3種開挖工況，如表3所示。開挖土塊命名與基本工況下一致。工況開挖基本原則：工況1(基本工況)是先開挖遠(yuǎn)離既有隧道側(cè)土體，工況2是開挖靠近既有隧道側(cè)土體，工況3是采取跳倉方式開挖土體。

表3 不同開挖工況下土塊開挖順序

把各工況進(jìn)行了建模計算，既有隧道的變形及內(nèi)力變化情況匯總?cè)绫?所示。從表4可以看出：工況2與基本工況相比，既有隧道的變形與內(nèi)力變化存在降低；工況3與其他兩種工況相比，既有隧道的變形與內(nèi)力變化降低最大。不同開挖方法下，豎向位移變化幅度較大，橫向位移及彎矩變化幅度較小。

表4 不同開挖工況下既有隧道變形及內(nèi)力變化

基坑開挖后，周邊土體應(yīng)力場發(fā)生變化，既有隧道一段在應(yīng)力場影響范圍內(nèi)。原既有隧道在開挖前所存賦的圍巖已經(jīng)處于應(yīng)力平衡，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力為原設(shè)計狀態(tài)。為保證開挖后，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化達(dá)到較小的范圍，應(yīng)對其周邊土體擾動達(dá)到最少。工況2首先開挖靠近既有基坑的土體，再開挖遠(yuǎn)離基坑的土體，這樣既有地鐵所存賦的土體僅在第一次開挖存在擾動。工況3采用跳倉開挖方法，開挖土塊小，其擾動范圍相應(yīng)變小，因此對既有隧道結(jié)構(gòu)影響最小。但跳倉開挖工序較為復(fù)雜，對工期影響較大，需要在對既有隧道保護(hù)與工期之間進(jìn)行比較。

3 結(jié)論

本文依托某臨近既有隧道基坑工程案例，研究了開挖基坑對臨近既有地鐵隧道的影響以及開挖順序，得到了以下重要結(jié)論：

1)基坑土體開挖后，側(cè)下方既有隧道結(jié)構(gòu)拱腰處橫向及豎向位移較大。隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力中彎矩較大值出現(xiàn)在靠近基坑側(cè)拱腰、拱腳處，剪力值變化不顯著。

2)基于開挖后隧道結(jié)構(gòu)的影響特征，模擬三種開挖順序，通過對比總結(jié)出跳倉法開挖對既有隧道影響最??；在無法使用跳倉情況下，應(yīng)先開挖靠近既有隧道側(cè)土體。

3)本文的研究內(nèi)容為“基坑施工對臨近既有地鐵隧道影響及開挖順序研究”，但受限于論文篇幅，只針對開挖對既有隧道影響特征進(jìn)行了論述，并未對開挖影響范圍進(jìn)行更深層次的研究，下一步的研究會將基坑開挖影響范圍與既有隧道響應(yīng)特征更好地聯(lián)系起來。