盾构下穿对基坑稳定性影响的数值模拟分析

王陆阳，洪 勇，李苍松,2，李 亮

(1.青岛理工大学 土木工程学院 青岛市 266033； 2.中国铁路西南科学研究院 成都市 610000)

0 引言

地铁建设过程中，盾构法相较于其他开挖方法具有更加安全和高效的特点。由于盾构下穿既有建(构)筑物的情况越来越多，并且在下穿过程中存在很大的安全隐患，会造成隧道上方的建筑和支护结构发生受力变形甚至破坏并造成周围土体的位移。对此国内外学者进行了广泛而深入的研究，得出了盾构隧道下穿建(构)筑时对其结构受力变形、周围土体的受力变形以及基础沉降规律。李兵等[1]用Midas进行数值模拟的方法证明盾构施工对邻近基坑的围护结构产生的变形不可忽略；鞠鑫等[2]通过公式和现场实测分析得出地表沉降本质上是盾构施工引起的土体损失累积造成的，施工全过程应该采取地表沉降控制技术措施；徐祥云[3]、殷凯[4]、张晋勋[5]等对盾构下穿过程造成的地表沉降规律进行了研究；谢雄耀、王强、齐勇等[6]运用室内试验和现场自动化检测技术对盾构下穿房屋沉降控制技术进行了研究；也有一些学者运用现场检测和数值模拟的方式对盾构下穿车站和已有隧道时造成已有建(构)物的变形和沉降进行研究，例如吴浩[7]、贺雪来[8]等；曾英俊、杨敏等研究表明地下连续墙沉降与连续墙插入隧道的深度有关[9]。

但现有研究成果对盾构下穿已支护基坑造成的土体和支护结构的变形沉降研究较少。特别是盾构下穿在软土地基中修建的基坑时，将会导致基坑支护结构受力改变并且造成周围土体位移以及基坑沉降。以青岛高新区软土地层地质条件为依托，建立了对应的三维数值模型，模拟了盾构下穿青岛滨海软土区基坑后土体和地下连续墙的受力和变形情况，以及不同的下穿深度对基坑底板沉降造成的影响。研究成果可以为盾构下穿基坑时土体和支护结构的变形控制以及选择盾构下穿的深度提供一定依据。

1 工程实例及三维模型的建立

1.1 工程概况

红岛高新经济区作为青岛的新经济区正在进行大规模的工程建设。红岛高新区属第四纪全新纪(Q4)土层，多为淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉土及淤泥混砂层，属于饱和软黏土，而较深处则为花岗岩结构，属于上软土下岩石结构[10-11]。青岛地铁部分线路通过高新区的上软土下岩石地层。本文模拟青岛地铁盾构下穿青岛高新区青岛D6项目居民楼已开挖基坑。本工程周围无高大密集建筑群，距其他建筑物较远。土体根据地质条件分为5层，土体自上而下依次划分为素填土(0～1.2m)、粉质黏土(1.2～4.7m)、黏土(4.7～8.2m)、加固层(8.2～11.2m)、粗粒花岗岩(11.2～26.5m)。其中基坑底加固层原本为黏土，采用注浆加固方法加固。土体参数见表1。

表1 模拟围岩土体的力学参数

基坑主体采用明挖法施工，基坑外边界长36.6m，宽12.6m，深8.44m。基坑采用地下连续墙加两道混凝土内支撑的支护方式，地下连续墙厚度为600mm，混凝土内支撑450mm×650mm，混凝土强度为C30。盾构管片外半径为3.3m,厚度为0.3m,管片宽1.5m。掌子面形心处距离地表面20m。盾构沿着基坑的长度方向平行于地表面穿过，且盾构隧道的轴线在基坑长度方向轴线的正下方。隧道下穿基坑横剖面如图1所示。

图1 隧道下穿基坑横剖面图

1.2 数值计算模型的建立

采用FLAC3D软件建立三维模型对隧道下穿基坑的过程进行分析。整个模型尺寸为80m×60m×32m的长方体土体，以地表中心处为原点。采用固定边界条件，底部采用固定约束，左右两边界为水平方向固定约束边界，地表为自由面[12]。计算模型共218565个节点，208416个单元。建立地层条件进行初始应力平衡后进行基坑的开挖，为简化计算，开挖过程共分为六步：首先建立地下连续墙，然后进行两次开挖和两道混凝土内支撑支护，最后开挖到基底标高建立底板。基坑开挖应力平衡后进行盾构下穿模拟，并且记录隧道下穿之后基坑外部土体和维护结构的横向变形量以及隧道下穿过程造成基坑以及土体的沉降量。盾构下穿完成后的立体模型如图2所示。

图2 盾构下穿完成后模型示意图

2 计算结果分析

2.1 基坑周围土体的横向变形分析

盾构下穿基坑过程后造成土体横向位移的剖面云图如图3所示，土体横向应力的剖面云图如图4所示。可以看出由于地下连续墙和内支撑的保护作用，地表土体的横向位移较大的区域与基坑是有一定距离的，基坑附近1m以内的地表土体的横向位移并不明显，而距离基坑3～14m处地表土体有较大的横向位移，最大位移量约为8mm。由于底板附近土体所受应力较大导致基坑底板附近土体的横向位移较大，最大位移量约为10mm。土体横向位移较大的区域成一定角度斜向上对称扩展至地表面。

图3 土体横向位移的剖面云图

图4 土体横向应力的剖面云图

2.2 基坑围护结构横向变形分析

盾构下穿基坑以后下连续墙及底板的横向位移剖面云图如图5所示，地下连续墙及底板的横向位移立体云图如图6所示。盾构下穿基坑后，从地表面至深处，地下连续墙的横向位移开始逐渐增大，到达底板下方后连续墙横向位移略有减小。由于底板附近土体位移和所受横向应力较大，底板的横向位移在此处最大，约为5.8mm。而底板中心附近下方的土体所受横向应力以及横向位移都较小，因此底板的横向位移量由底板两端向中间逐渐减小至接近于零。

图5 地下连续墙及底板的横向位移剖面云图

图6 地下连续墙及底板的横向位移立体云图

2.3 基坑以及周围地表土体的沉降分析

盾构下穿基坑后，基坑支护结构及其周围土体的最终沉降量云图如图7所示，可以看出底板中心处为支护结构沉降量最大，约为1.63cm。基坑以及周围土体的沉降量由基坑长度方向轴线处向两侧逐渐递减至接近于零。

图7 基坑及其周围土体沉降云图

2.4 盾构下穿深度对基坑沉降的影响

为进一步研究基坑最大侧位移量和连续墙底板的最大沉降量与隧道位置的关系，作者分别对5种不同的盾构下穿深度进行了模拟，取底板中心处下方为连续墙底板的最大沉降量检测点，隧道形心距地表的竖向距离分别为19m、19.5m、20m、20.5m、21m。

在不同的隧道形心到地表的竖向距离下，连续墙底板中心处下方沉降量如图8所示。盾构掌子面距离监测点20m(约3.5倍洞径)时连续墙底板开始沉降，穿过监测点30m(约5倍洞径)后底板沉降量趋于稳定。可以看出在这5组数据中当盾构隧道形心距离地表面的竖向距离为19m时，连续墙底板沉降量最大，为1.80cm；当隧道形心距离地表面的竖向距离为21m时，连续墙底板沉降量最小，为1.36cm。盾构下穿基坑后底板具体沉降情况见表2。

图8 底板中心竖向位移比较图

隧道形心与地表距离(m)底板最终沉降值(cm)191.8019.51.72201.6320.51.46211.36

3 结论

(1)盾构下穿基坑后，由于地下连续墙和内支撑的保护作用，距离基坑1m以内地表土体的横向位移并不明显，但距离基坑3～14m的地表土体横向位移较大，基坑底板附近的横向位移较大并成一定角度斜向上对称扩展至地表面，建议施工时应注意进行土体和基坑的加固。

(2)盾构下穿基坑时，混凝土内支撑梁与基坑底板对地下连续墙的侧位移都有限制作用而且基坑底板在此过程中对地下连续墙侧位移的限制作用比较显著。

(3)盾构隧道掌子面距离监测点约3.5倍洞径时基坑底板开始沉降，穿过监测点约5倍洞径后底板沉降量趋于稳定。

(4)在一定范围内，基坑底板的沉降量随着盾构形心与地表之间竖向距离的增大而减小。