基坑开挖对临近隧道的变形影响分析

2021-06-05赵志孟郑伟锋刘慧芬

广东土木与建筑 2021年5期

赵志孟，郑伟锋，刘慧芬

（1、广州创易岩土工程有限公司广州510663；2、佛山科学技术学院交通与土木建筑学院广东佛山528225）

关键字：基坑支护；数值模拟分析；修正摩尔库仑；隧道变形；近接隧道；

0 引言

近几年大中小城市地下空间资源的大力发掘，基坑设计由简单的控制自身变形到不影响周围建筑的使用。由于地下建筑错综复杂，一个深基坑的开挖必然会对周围的其他建筑产生不可忽略的影响，尤其是地铁隧道，对变形要求极为严格，需要控制在十几毫米甚至几毫米以内。基坑支护设计不仅要保证基坑的稳定性与变形要求，对周围建筑的影响也极为重要，要保证不影响周围建筑的正常使用。左殿军［1］针对招商银行深圳分行大厦深基坑开挖工程进行数值模拟，认为基坑开挖会对隧道衬砌位移产生影响，内支撑间距过大会使得位移增加速率较快；杨贵生［2］以土与支护结构相互作用稳定性为对象进行理论分析和数值模拟，基坑开挖会引起土体位移增加，支护结构产生变形；孟祥筝［3］运用PLAXIS 软件分析了某基坑在开挖过程中，邻近地铁区间的土体位移和管片变形的发展规律，得出在开挖过程中，基坑底部产生底层最大竖向位移，基坑顶部产生最大水平位移，地铁隧道处的低层位移变化较小；张保存等人［4-6］以基坑开挖对近接既有地铁线进行模拟分析，基坑开挖对既有线的影响主要表现在水平位移，竖直位移很小，可忽略不计；于升才［7］运用PLAXIS 3D 有限元软件对基坑开挖对邻近地铁结构进行模拟，得出长大基坑分成多个小基坑开挖时，邻近地铁结构基坑的开挖对以有地铁产生较大的位移；曹顺等人［8-10］认为基坑开挖越深对临近地铁隧道的变形影响越明显，变形主要以竖向隆起为主，采取合理的施工措施可以有效的控制隧道变形，本文对深基坑支护与开挖进行模拟，分析该种支护方式用在近临地铁隧道的基坑开挖中对隧道的影响程度。

1 工程概况

某工程位于深圳市福田区，本工程设置5 层地下室，项目用地面积约6 262 m2，场地北侧为一已施工封顶完成的塔楼，有5层地下室，本工程北侧设置有9.2 m宽通道联通南塔地下室；场地西、南侧为一条道路，路下有燃气、雨水、污水、给水、电力、通讯等管线，东侧基坑边24 m外有一条客运线盾构隧道，场地周围环境布置如图1所示。

图1 基坑及地铁位置关系Fig.1 The Relationship between the Foundation Pit and the Subway （m）

基坑周边现状地面标高约6.0～6.8 m，基坑底标高分-15.65 m 和-16.65 m 两个区域，故基坑开挖深度为22.25～25.25 m，基坑周长约304.8 m，面积约6 262.1 m2。基坑开挖主要揭露土层为杂填土、粘性土、中粗砂、砾质粘性土、全风化花岗岩等。场地无地表水，地下分为孔隙水和基岩裂隙水2 类，孔隙水主要赋存在粗砂层中，其透水性较好，含水量较丰富，基岩裂隙水主要赋存在强、中风化带的裂隙中，水量一般，呈弱～中等透水性。

基坑分3层开挖，地面清表后在标高6.6 m处施工第1 道支撑；第1 层开挖至标高-0.3 m 处，施工第2 道支撑；第2 层开挖至标高-7.8 m 处，施工第3 道支撑；第3 层直接开挖至坑底，如图2 所示。基坑安全等级定位一级。为保证地铁隧道的安全，设计采用地连墙加3 道内环撑的支护方式，并拟采取分层对称开挖方法。本文运用MIDAS有限元软件建立二维模型分析。

图2 临近隧道基坑剖面Fig.2 Section of the Adjacent Tunnel Foundation Pit （m）

2 基坑围护结构

2.1 支撑体系

基坑支护采用地下连续墙+内支撑支护，地下连续墙外侧贴用地红线，兼作地下室外墙；竖向布置3道内支撑。施工地下连续墙之前先施工导槽，地下连续墙在地面施工，现状地面至地下连续墙顶部分以导槽支护。通道采用咬合桩+内支撑支护，如图3所示。

图3 支护结构平面Fig.3 Supporting Structure Plan

2.2 挡土与止水

采用地下连续墙作为挡土止水结构，墙入坑底12 m，采用C40 等级混凝土浇筑，抗渗等级P12，预埋在地下连续墙的钢筋和直螺纹接头在地下连续墙中部往上弯折，以防止预埋件在墙体厚度方向贯通形成渗水路径。地下连续墙接头采用工字钢接头，增加水的渗透路径；浇筑基础底板时，在地下连续墙与底板接触面位置设置遇水膨胀橡胶止水带和止水钢板。

3 数值模拟分析

本次建模采用MIDAS软件里的修正摩尔-库伦硬化土本构模型，作为以经典塑性理论为基础的屈服面模型，其弹性部分采用了合理的双刚度，加卸载模量分别定义，考虑了土体压硬性。塑性部分采用非相关联流动法则和各向同性的硬化准则。修正摩尔库伦模型能模拟土体发生塑性剪切应变和塑性体积应变，该模型的剪切屈服面与摩尔-库伦模型相同，是1 个六面锥形，压缩屈服面是帽子形状的屈服面，并且2个屈服面是相互独立的，而应变硬化土模型的屈服面随着产生的塑性变形不断扩大，能反映出土体的应力路径。其体积屈服面和剪切屈服面如图4所示。

图4 修正摩尔库伦本构的体积屈服面和剪切屈服面Fig.4 Modified Volume Yield Surface and Shear Yield Surface of Moore Coulomb Constitutive

3.1 材料参数的确定

模拟所采用的土体参数由本工程场地勘察报告里面的数据所提供，具体计算参数如表1 所示。其他材料根据实际情况选取，如表2所示。

表1 主要岩土物理力学参数Tab.1 Main Geotechnical Physical and Mechanical Parameters

表2 结构材料计算参数Tab.2 Structural Material Calculation Parameters

3.2 模型建立

对断面4-4（见图1）进行有限元分析，采用MI⁃DAS 土工有限元软件，建立2D 有限元模型，计算模型长度取108 m，深度取80 m，网格采用四边形和三角形混合网格划分，共8 710 个单元。基坑内支撑采用1D线弹性梁单元，支撑立柱采用1D 植入式梁单元，基坑地下连续墙、高铁隧道衬砌等假设二维弹性板单元，各土层则假设为弹塑性体，材料本构模型准则采用修正摩尔-库伦硬化土本构模型，对模型左、右、下三边界施加约束，其中下部边界采取全自由度约束，侧面两边界采取X，Z两方向约束。建立模型如图5所示。

图5 计算模型Fig.5 Calculation Model

3.3 数值分析结果

为验证基坑支护的情况，查看基坑开挖对隧道的影响程度，进行了2 种情况下的基坑支护开挖全过程模拟分析，①基坑正常支护情况下隧道位移的模拟，共有8个工况：［工况1］地连墙+立柱施工，［工况2］开挖第1层土，［工况3］布置第1道支撑，［工况4］开挖第2 层土，［工况5］布置第2 道支撑，［工况6］开挖第3 层土，［工况7］布置第3 道支撑，［工况8］开挖至坑底。②最不利情况下即基坑坍塌时隧道发生的位移模拟。如此，可验证本支护设计下隧道是否安全。

3.3.1 基坑正常支护的隧道位移

8个工况最大位移发生在第6工况，开挖第3层土时，X 方向最大位移为2.16 mm，Y 方向最大位移为0.98 mm，如图6所示。