基坑开挖对既有地下隧道影响的数值分析

2011-05-12李广军

天津建设科技 2011年2期

□文/李广军

基坑开挖对既有地下隧道影响的数值分析

□文/李广军

地铁隧道附近常常会出现建筑基坑工程骑跨于已运行地铁区间隧道之上的问题。基坑开挖会使坑底隧道产生显著的位移与变形且由于基坑开挖的空间效应，位于坑底不同位置的隧道在开挖过程中会产生不同的反应。文章利用有限元软件ABAQUS建立多个三维有限元模型，以隧道与基坑的相对位置作为变量，建立对比模型，对基底及隧道加固方案加以分析，得到了一些有益的结果，为解决基坑工程骑跨于已运行地铁区间隧道之上这一新问题提供依据。

有限元；基坑；隧道；上抬位移；回弹

随着城市建设发展的需要，地铁隧道在使用阶段不可避免地会受到各种工程活动影响，临近区域工程活动是较常见的对隧道产生重大影响的因素。近年来，出现基坑工程骑跨于已运行地铁区间隧道之上的问题。基坑的开挖会引起坑内土体的回弹，从而引起地铁区间隧道的上抬；另一方面，隧道本身也在开挖过程中发生形变。地铁对隧道的变形要求极其严格，绝对最大位移不能超过20mm，隧道相对变形不超过15mm，隧道变形曲率半径必须＞15000m，相对变形必须＜1/2500。基坑开挖过程中，如未很好地对隧道进行加固，很可能使隧道变形超出允许范围，导致无法正常使用。由于以往类似的工程经验较少，如何准确预测基坑开挖造成的隧道上抬位移及自身相对变形并对其实施行之有效的加固措施，便成为急待解决的问题。

1 工程概况

天津站交通枢纽工程综合配套楼位于天津站后广场，北邻新兆路、南邻京津城际基本站台、东邻惠森家园多层住宅、西邻京津城际站房，北侧与地铁2号线区间相邻。综合配套楼基坑长约80m，宽45m，开挖深度为8.5m，基坑下方有地铁9号线2条隧道东西向穿过。隧道外径6.2m，内径5.6m，采用盾构法施工。隧道顶部距坑底约9m，其中隧道2顶部距地连墙墙底仅有2m左右。基坑平面见图1。

根据最初安排的施工顺序，地铁9号线隧道在综合配套楼底板封闭后穿越基坑。一方面，基坑底土体固结完成，基坑内土体开挖引起的应力释放对隧道基本不产生影响；另一方面，综合配套楼底板封闭后，隧道的推进也基本不会引起坑内土体进一步回弹。这样的工序安排是合理的。然而，由于某些原因，综合配套楼工期延误。施工顺序变为9号线隧道先行穿越基坑范围，综合配套楼再进行开挖，出现基坑工程骑跨于既有地铁区间隧道之上的问题。

2 模型简介

本文采用准静态的方法模拟基坑开挖过程。为了简化计算，假设衬砌管片和接头的刚度相等，将隧道简化为自由变形圆环模型。地下连续墙和土体以及隧道和土体之间，由于两种材料性质相差很远，在一定条件下有可能在其接触面上产生错动滑移或开裂。地下连续墙和土体以及隧道和土体之间设置接触面，接触面无厚度、小滑移，接触面的本构关系为切线方向采用Mohr-Coulumb摩擦模型，μ＝0.3，法线方向为刚性，即不允许接触面的相互嵌入。

三维模型尺寸为长×宽×高＝135m×4m×60m。隧道埋深26m，外径6.2m，内径5.6m；基坑宽度45m，地连墙深度16m；分三步开挖，每步的开挖深度分别为2、3、3.5m。

土体单元选用六面体孔压单元，因涉及到摩擦接触，考虑到计算精度，最终采用 ABAQUS中的完全积分三维孔压单元 C3D8P；土体模型采用修正剑桥模型。

既有隧道相对于基坑的不同位置，将直接影响着基坑开挖过程中隧道的变形情况，以隧道相对基坑中心位置x作为变量，建立对比模型。

模型土层条件按照天津站交通枢纽工程综合配套楼基坑工程实地情况取得，各层土参数根据地质报告情况算得，见表1。

表1 土层参数

3 结果分析

模型1。隧道位于基坑中心，变形示意见图2。

隧道的最大竖向位移发生在隧道拱顶，最小竖向位移发生在隧道拱底；其最大水平位移发生在隧道两侧拱腰处，最小水平位移发生在隧道拱顶和拱底。而所有的位移都是随着基坑开挖，逐步增大的。开挖后，隧道竖向与横向均卸载，而卸载的程度存在明显的差异。但由于竖向卸载大于横向卸载，致使隧道发生竖向伸长变形。

模型2和模型3。隧道分别向右偏离基坑中心10、20m，隧道均位于基坑内。变形示意见图3和图4。

隧道向右偏离基坑中心程度越大，其竖向位移越小，卸荷效应愈不明显。最大竖向位移发生在拱顶偏左的位置；最小竖向位移发生在拱底偏右的位置。这说明，基坑开挖卸荷会引发坑内土体向坑中心水平移动并带动隧道结构产生向基坑中心的水平位移，越靠近基坑中部，这种向坑中心水平移动的趋势越不明显。因为，基坑中心土体在开挖工况下更多的表现为竖向回弹，而基坑边缘土体由于墙后土体向坑内转移更多地表现为侧向移动并且坑内土体埋深越浅向坑中心水平移动的趋势越明显。

模型4和模型5。隧道分别向右偏离基坑中心30、40m，隧道都位于基坑外。变形示意见图5和图6。