紧邻高速公路的隧道明挖区间施工机理研究

洪 源

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

随着地铁工程的发展，不可避免的遇到复杂的施工环境，其中明挖法具有经济性和安全性的优点在地铁隧道施工中经常被采用[1-3]。地铁经常建设在繁华城区，但是明挖法需要周围没有较多的既有建筑，因此，在城市中心采用明挖法开挖地铁隧道有一定的施工难度，对此如何在繁华城区采用明挖法是国内外一项重要的研究课题。目前，有限元数值模拟方法是研究基坑变形规律的一种常用手段[5-7]。本文依托具体深基坑施工工程，研究了基坑附近既有建筑和淤泥质地层对基坑开挖的影响。

1 工程概况

深圳地铁益田停车场主体基坑长555.7 m，宽50.75 m，基坑开挖深度21.7 m，南北侧分别为福荣路及广深高速公路。基坑采用明挖顺筑法施工，基坑宽度约6.2 m～10.8 m，基坑深度约14.76 m～17.14 m；主体围护结构主要选用800 mm地下连续墙。场地范围内淤泥层厚度为10 m左右，结合主体结构型式，基坑竖向设置3道支撑。

基坑范围地层自上而下依次为素填土、淤泥、淤泥质黏性土、卵石、砂土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。由于淤泥质黏土具有地基承载力低，稳定时间长等特点，并且淤泥黏土在加载后变形不均匀，极易发生事故，因此降低淤泥质黏土对工程的影响是研究的重点。

2 数值计算分析方法

基于大型有限元软件ABAQUS，依托深圳地铁益田车站1号隧道明挖区间，建立了二维数值计算模型，如图1所示。其中，模型宽124 m，高50 m。两侧道路宽分别为38 m和10 m，采用实体单元划分网格，共划分为2 441。

模拟中土体采用Mohr-coulomb屈服准则，支撑部分采用弹性屈服准则，岩土介质力学参数如表1所示。

计算模拟分析步骤如下：

1)计算初始地应力；

2)建立地下连续墙；

3)开挖第一层，并建立第一道横支撑；

4)开挖第二层，并建立第二道横支撑；

5)开挖第三层，并建立第三道横支撑。

3 数值计算结果分析

3.1 应力分析

表1 岩土力学参数

表2 最大横向应力

表2给出了不同横向支撑作用下地铁隧道明挖区间最大应力示意图。由表2可知：基坑开挖最大应力出现在开挖最后一步中，最大应力达到4.66 MPa。

3.2 应变分析

图2给出了第三道横支撑作用下地铁隧道明挖区间横向应变示意图。由图2可知：1)水平方向变形量最大的地方位于基坑顶部两侧位置，其最大值可以达到24 mm，这是在主动土压力的影响下，基坑顶部两侧土体有比较明显的向基坑内部方向变化的趋势，这与现有研究以及工程经验相符合一致。2)由于桩基的存在，基坑底部土体作为桩基的一个支撑点，其受力也是比较大的，相应地表现在位移方面，基坑底部两侧也有向中间变形的趋势，其变形量最大可以达到23 mm。

图3给出了第三层开挖完成后地铁隧道明挖区间竖向应变示意图。由图3可知：1)基坑开挖后基坑底部会有比较明显的隆起现象，这在基坑施工中影响还是比较大的，因此在施工中要特别注意采取相应措施。2)基坑两侧部位有比较明显的沉降产生，其沉降量可以达到28 mm，沉降范围也是比较小的，周边既有结构的沉降位移也是非常小的，可以忽略不计。3)第三层开挖完成后地表沉降影响范围与开挖深度成正相关，并且每层开挖后的沉降趋势为先增大后减小。

3.3 破坏模式分析

图4给出了第三道横向支撑作用下地铁隧道明挖区间失稳破坏模式示意图。由图4可知：1)塑性区域主要出现在基坑底部以下靠近桩基的位置，该位置作为桩基的支点。2)在该位置以上部分桩基受力主要是水平指向基坑内部，在该位置以下桩基受力主要是水平指向基坑的外部。3)在既有隧道支护结构的两侧的两个角点位置的上部。由于其距离所要开挖的基坑比较近，所受基坑开挖的影响比较大，应力水平比较高，故也相应地出现了塑性区域。

4 结语

地下空间的开发利用，尤其是城市地铁的建设，保证深基坑围护结构的合理和稳定性是值得研究的。为此，依托深圳地铁10号线基坑开挖工程，采用ABAQUS有限元软件，研究了周围复杂环境和淤泥质黏土对施工的影响，得到以下研究结果：

1)按照设计要求进行深基坑工程建设，虽然深基坑的开挖对周边隧道的影响比较大，且运营公路一侧的支护结构将承受一定的应力作用，但整体不会对既有公路产生破坏和影响。2)基坑塑性破坏区域主要集中于基坑底部与桩基相接触的位置。3)支护结构受力最大的位置位于纵向支撑与桩基之间的节点位置以及横向第三道支撑的中部位置。因此，在施工建设过程中应加强监测，及时调整支护参数。