基坑降水开挖对邻近隧道附加变形和内力分析

2020-03-30李凯刘飞飞席旭刚

安徽建筑 2020年2期

李凯，刘飞飞，席旭刚

（1.合肥城市轨道交通有限公司，安徽合肥 230001；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；3.中铁上海工程局集团第三工程有限公司，安徽合肥 230000）

1 引言

由于基坑工程的复杂性，初始应力场的改变不仅与开挖卸荷作用有关，还与基坑降水等因素有关，研究表明基坑降水对邻近建筑物的内力和变形有显著的影响[1-4]。因此，在研究近接既有隧道施工工程中，不能忽略基坑降水对隧道内力和变形的影响。本文在两阶段法研究的基础上，基于Dupuit假设计算基坑降水导致土体有效应力的大小分布，从而对既有隧道受力大小进行修正，通过两阶段分析方法计算既有隧道竖向变形和内力。

2 隧道在基坑降水开挖下的附加应力

忽略基坑开挖降水时间效应，仅考虑基坑降水开挖初始状态和最终状态。基坑降水开挖引起隧道的附加应力包括两个部分：一是基坑降水引起有效应力增大；二是基坑开挖土体卸荷作用。

2.1 降水对隧道的附加应力

根据有效应力原理计算作用在隧道上的竖向附加应力，未降水时隧道受到上部土体和孔隙水压力的作用，其有效应力为：

降水后，隧道受到的有效应力为：

式中，μ为给水度，对于粘土，μ取值范围为0.04～0.10。

降水前后隧道竖向有效应力的变化量为：

图1 基坑降水示意图

2.2 基坑开挖卸荷对隧道的附加应力

基坑开挖卸荷对隧道的附加应力计算大多基于mindlin基本解[5]。Mindlin基本解采用如下基本假定：①土体为均质、弹性半空间体；②忽略基坑开挖的时间和空间效应；③忽略隧道存在对基坑卸荷应力的影响。

3 隧道变形和内力计算

将隧道假设为埋置在地层中的弹性地基长梁，且隧道与土层紧密接触，不发生分离，满足变形协调条件。参考winkler地基梁模型，可以得到隧道在附加荷载作用下的挠曲线方程：

式中，EI为隧道等效纵向刚度；D为隧道外径；k为地基反力系数；p(x)为作用在隧道上的附加应力，。

试验表明[6]，地基反力系数不仅与土体强度有关，还与地基梁的刚度有关。因此，本文k值采用Vesic[7]、Attewell[8]经验公式确定，计算公式如下：

4 算例验证

为验证本分析方法的可靠性，本文以合肥轨道交通大东门站一号线邻侧基坑开挖为背景验证上述理论的可靠性。如图2所示。

图2 基坑与隧道位置平面图

由于拟建基坑尺寸较小，基坑影响范围有限，因此，本文仅研究基坑开挖对一号线近侧上行线的影响。地铁一号线上行线轴线与拟建基坑间距约12.0m，轴线埋深约28.0m，地铁隧道外径6.0m，内径5.4m，忽略隧道管片接头强度的影响，隧道截面等效抗弯刚度取 3.45×107kN·m2。

图3 基坑开挖引起邻近既有地铁隧道纵向位移值

图3为本方法和有限元计算方法得到基坑开挖引起邻近既有地铁隧道纵向位移值。从图中可知，两种方法得到的隧道位移曲线趋势一致，仅在数值上有一定差别。未考虑降水作用数值计算隧道纵向位移值最大值为10.2mm，考虑降水作用数值计算隧道纵向位移值为6.2mm，相对于未降水情况，降水时隧道最大位移降低39.2%，主要因为基坑降水导致坑周土体有效应力增大和地下水流动渗透力的作用使隧道纵向受到的附加应力减小所致。从图中可知，考虑降水作用理论计算和数值计算结果基本吻合，理论计算隧道竖向位移最大值为6.96mm，比数值计算略大，主要是因为理论计算忽略了地下水流动渗透力的影响。

5 隧道影响参数分析

为研究基坑和隧道参数对基坑降水开挖作用下邻近既有隧道的竖向位移和内力影响，假设隧道轴线与基坑长度L平行，与基坑宽度B垂直，土体和隧道物理参数同上述案例分析一致，通过控制变量分别研究基坑侧壁与隧道间距、初始水位高度、基坑开挖深度和基坑相对尺寸对隧道位移和内力影响，见图4、图5。参数影响分析时，基坑标准样开挖尺寸为40.0m×40.0m，开挖深度为9.0m，隧道与基坑间距为10.0m，轴线埋深15.0m，土体计算模型厚度取40.0m，初始水位高度37.0m。在进行初始水位高度影响分析时，因基坑降水影响范围有限，基坑开挖深度调整为18.0m。同时为了研究给水度大小对隧道位移和内力的影响，在各个参数计算分析中，分别计算给水度大小为0.05、0.15、0.25和0.35时隧道竖向位移和内力变化特征。