桐庐隧道明挖基坑施工受力变形数值分析

刘冠 梁晓腾 江鸿

(中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040)

1 概述

在公路与铁路网高速发展的过程中，隧道工程的建设不断增加。明挖基坑是隧道施工的重要手段，受地质条件所限，常需在不良地质中施工，如富水厚卵石地层。隧道基坑开挖引起的变形问题一直是工程与研究人员的关注重点，已积累了较多的研究成果。N.Q.Zhou等［1］对上海地铁站深基坑开挖引起的变形问题进行数值模拟，并与现场数据对比，提出控制地面沉降的可行性措施。张德富等［2］对苏州地铁1号线深基坑的变形特性与其他项目对比，给出三种典型围护结构的围护结构与地表变形平均值。

杭黄铁路桐庐隧道处于富水厚卵石层中，具有渗透系数大、透水性强，围岩稳定性差等特点［3，4］。且基坑临近新景高速公路，开挖深度较大。依托该工程，本文对隧道明挖引起的基坑、地层的受力变形特征数值分析，指导今后富水厚卵石地层中隧道明挖基坑的施工。

2 工程概况

桐庐隧道位于桐庐县杭新景高速桐庐收费站附近，某段因高速公路且基坑开挖深度较大，周边环境较为复杂，隧址区土层分布如表1所示。

表1 隧址区土层分布

由于开挖深度较大，且位于富水厚卵石地层中，施工前，采取井点降水与地表防排水结合的方式降低地下水位，并在基坑两侧设置止水帷幕。开挖时，首先开挖10 m至围护桩桩顶，边坡坡度为1∶1.5，采用网喷混凝土护面。在围护桩、冠梁和第1道混凝土支撑施工完成后开挖5.6 m至钢支撑处，安装钢围檩以及第2道钢支撑，再向下开挖4.08 m至基坑底部并施作仰拱，待仰拱强度达到要求后拆除钢支撑与混凝土支撑。

3 数值分析模型

为对基坑受力变形进行分析，评估实际施工过程中基坑失稳、坍塌风险，采用有限元程序对基坑开挖过程进行数值模拟。为便于对隧道明挖基坑受力变形的数值计算，本文做出如下假设:

1)隧道在数值模拟范围内高程相同，围护桩顶标高均为75.145 m。

2)基坑施工前降低隧址区地下水位至基底以下，并设置止水帷幕，在数值模拟过程中忽略地下水的作用。

3)模型区域土层水平分布，同一材料性质相同。人工填土、卵石土、全风化页岩、强风化页岩和弱风化页岩的厚度分别为10 m，15 m，4 m，6 m，65 m。

4)根据等效刚度理论［5］，将围护桩支护简化为地下连续墙进行计算，公式如下:

其中，D为围护桩桩径;t为围护桩桩边距;h为地下连续墙厚度。将相关参数代入式(1)得h=0.700 6 m。

对桐庐隧道明挖段建立三维数值模型，模型平面为正方形(100 m×100 m)。采用摩尔—库仑模型［6］，相关参数如表1所示。采用梁单元对冠梁和基坑内第1道混凝土支撑和第2道钢支撑进行模拟，采用板单元模拟等效地下连续墙。

根据实际施工情况，考虑施工步骤的影响［6］，将计算工况分为以下8步:1)初始地应力平衡;2)第1次开挖:基坑最上层土体开挖并在边坡施作喷混;3)施作围护桩、冠梁以及第1道混凝土支撑;4)第2次开挖:继续开挖至第2道钢支撑施作位置;5)安装钢围檩，加设第2道钢支撑;6)第3次开挖:继续开挖至基坑底部并在基坑侧壁喷混;7)制作隧道仰拱;8)拆除钢支撑与混凝土支撑并施作隧道洞身。

4 数值分析结果

1)第1道混凝土支撑受力。

混凝土支撑在施工步骤3)时浇筑，基坑不同位置混凝土支撑在不同施工阶段所受轴力数值模拟结果如图1所示，第1道混凝土支撑在基坑不同位置所受轴向压力不同主要是由于基坑所处地形起伏，混凝土支撑的轴力随埋深的增加而递增。混凝土支撑最大轴力处为x=52 m处，轴力为696 kN，未超出混凝土支撑承载能力，不会对混凝土支撑造成破坏，从而影响基坑施工安全。

图1 混凝土支撑与钢支撑轴力图

2)第2道钢支撑。

在第2次开挖后，待钢围檩与钢支撑布置完成，再进行第3次开挖并在基坑侧壁喷混。基坑中钢支撑在不同施工阶段所受内力数值模拟结果如图1所示，钢支撑内力在x轴方向的分布与第1道混凝土支撑类似，也随埋深的增加而递增，x=52 m处钢支撑的轴力值最大为605 kN，未超出钢支撑承载能力，不影响基坑安全。

3)围护结构变形。

基坑开挖后断面1与断面2处围护结构水平位移数值模拟结果如图2所示，第1次开挖后施作围护结构，由于明挖隧道基坑所处地形不同，断面1的开挖深度小于断面2，故断面1的围护结构变形小于断面2，围护结构的最大水平位移处位于冠梁下约3.7 m处，断面1第2次开挖后最大水平位移值为0.43 mm，基坑第3次开挖后为0.62 mm。断面2第2次开挖后最大水平位移值为0.56 mm，基坑第3次开挖后为0.79 mm。

图2 断面2围护结构水平位移图

5 监测数据检验

桐庐隧道明挖基坑在施工工程中对第2道钢支撑以及围护结构变形监测，将监测结果与数值模拟结果对比，验证本文数值模拟准确性。

1)第2道钢支撑。

断面1在钢支撑完成5 d后应基本稳定，断面2在钢支撑完成约20 d后应力基本稳定。数值计算断面1与断面2钢支撑内力分别为11.55 MPa，15 MPa，与实测数据基本吻合。对比实测数据，断面1较断面2更早达到平衡，这是因为断面1开挖较早，可较早达到平衡。断面1与断面2钢支撑受力未超出基坑安全要求，不影响基坑的施工安全。

2)围护结构变形。

由于技术条件的限制，难以对基坑下的围护结构测量，故施工期间只对基坑开挖范围内围护结构水平位移进行监测，分别在基坑顶部，第2道钢支撑处以及基坑底部设置位移监测点，基坑在断面1与断面2处围护结构变形的监测结果与计算结果如图3所示，将监测结果与数值计算结果对比，显示两者基本一致，监测结果略大于数值计算结果，这与开挖工艺、施工荷载以及施工效率有关。对比断面1与断面2的计算结果，两者在基坑开挖范围内的监测结果差异较大，而在基坑底部下约3.7 m处，断面1与断面2水平位移计算结果基本相等。

图3 围护结构监测与计算结果对比图

6 结语

本文通过对桐庐隧道明挖基坑施工过程中第1道混凝土支撑、第2道钢支撑、围护结构变形进行数值模拟计算，并将数值计算结果与监测结果进行对比得到如下结论:

1)明挖基坑施工计算结果与监测结果基本一致，且围护结构变形与第2道钢支撑受力均满足基坑施工控制要求。

2)第2道钢支撑在断面1与断面2数值计算结果较监测结果偏大，且断面1与断面2钢支撑应力相比较早达到平衡，这主要是第3次开挖时首先从断面1开始施工，土层荷载较早得到释放。

3)根据数值计算结果，第2次开挖后围护结构变形最大处位于基坑下约3.7 m处，第3次开挖后围护结构变形增大，最大变形处位置并未发生改变，主要是第3次开挖时，在基坑侧壁设置喷混护壁，减小了基坑变形。