某水利工程闸门基坑开挖对邻近既有隧道变形影响

蔺小兵

（甘肃省酒泉市玉门市白杨河系管理所,甘肃 玉门 735200）

1 引言

随着国内城镇人口的增多,尤其是各发达城市,人口的激增促进了房产行业和地铁隧道的发展。这也导致大量的基坑工程与地铁隧道的距离越来越近,隧道的荷载和变形受到基坑开挖活动的影响也越来越大[1-3]。基坑开挖卸荷会使四周土体产生附加应力,作用在临近隧道侧壁上使其产生附加荷载,当附加荷载超过一定值时,会使隧道产生严重变形,威胁到隧道的安全性和稳定性,会对地铁的使用造成负面影响[4-5]。所以,分析基坑开挖活动对附近隧道荷载和变形造成的影响是十分重要的。基于此,本文以张治国等人[6]提出的计算方法,以某基坑工程为例,从隧道位置和基坑开挖面尺寸这两个方面深入分析隧道荷载受到的影响。

2 工程概况

某农田灌溉引水工程闸门与交通隧道相邻,闸门基坑开挖平面尺寸长和宽分别是20 m和10 m,15 m为开挖深度,26 m为基坑围护结构的深度,25%为结构的应力损失率β。地铁隧道的底部深度h和外径D分别是15 m和6.2 m,5 m为隧道和基坑开挖面距离的最小值s。19 kN/m3为土的重度γ,土体泊松比 和静止土压力系数K0分别是0.34 和0.53,土的内摩擦角 和黏聚力c分别是22°和14 kPa。为了保证隧道安全,对闸门基坑开挖对隧道的影响进行分析。

3 隧道受力变形和基坑开挖的关系

本文从隧道位置、开挖基坑的尺寸两个方面分析了隧道变形受到基坑开挖的影响规律。其中隧道位置方面细分为净距最小值s和隧道底部深度h这两个因素；基坑开挖尺寸分为长度L和宽度B这两个因素。本文中选择了张志国等[6]提出的的计算方式来对隧道荷载进行计算。

3.1 净距最小值S的影响

只对隧道和基坑开挖面的最小净距进行调整,将最小净距s设为9 m、7 m、5 m、3 m、1 m这几个数值,不改变其他参数,对荷载进行计算,计算结果见图1。在图中关于水平附加荷载,正值和负值分别代表隧道所受的拉力和压力,拉力使隧道朝着远离基坑的方向移动,压力迫使隧道朝着基坑的方向移动；关于竖向附加荷载,正值和负值分别代表隧道所受的压力（方向垂直向下）和拉力（方向垂直向上）,下面小节中相关表达方式和此方式相同。

图1 不同S下隧道附加荷载变化规律

图1结果表示,改变最小净距会对作用于隧道上的附加荷载产生比较大的影响。而隧道变形主要是所受的荷载导致的,荷载的变化也会对隧道变形产生一定的影响。在图1中,当最小净距逐渐降低时,水平附加荷载呈现以保持稳定速度增加的趋势,此时隧道和基坑的距离也越来越近；同时荷载值在范围[-0.5L,0.5L]里快速增加,并且两边降低的幅度也越来越大,整体来看,荷载变化曲线就显得有些陡峭,附加水平荷载表现为集中分布。并且,当最小净距为3 m和1 m的时候,荷载峰值达到了67.7 kN/m和84.1 kN/m,均比报警值要大,比较危险。关于竖向荷载的变化规律呈现为：在范围[-12 m,12 m]里,随着最小净距的增大,竖向荷载变化曲线逐渐从“M 型”变成了“单顶点凹曲线”,在同样的范围里,当最小净距为3 m和1 m的时候,隧道受到比较大的附加荷载值,同时作用力为拉力；在范围[-17 m,17 m]里,当最小净距为9 m、7 m和5 m的时候,隧道受到比较小的附加荷载值,同时作用力为压力。

3.2 隧道深度h的影响

只对隧道底部深度h进行调整,将底部深度h设为17 m、16 m、15 m、14 m、13 m这几个数值,不改变其他参数,工况设为相同,对荷载进行计算,见图2。

图2 不同h下隧道附加荷载变化规律

图2结果表示,当基坑开挖,会产生卸荷载应力,隧道受到此应力的影响而出现水平附加荷载,并且值较大,产生拉力作用于隧道上,迫使隧道朝向基坑靠近,而竖向附加荷载的值较低。隧道受到的附加荷载不会因深度h的变化而出现较大的改变。当深度增大时,水平荷载值呈现出先提高后逐渐变弱的趋势,在深度等于14 m处水平附加荷载达到峰值,为55.06 kN/m,之后快速降低；水平附加荷载在y=±1.25L的基本为0；因为在计算的时候没有将一面侧壁的卸荷应力考虑在内,因此附加荷载比位移受到的影响程度和范围较大。在底部深度h为16 m、15 m、14 m、13 m的时候,隧道于范围[-17 m,17 m]里受到的力为压力,其他位置受到的力则为拉力,因此会有剪力作用在隧道上,使其有概率出现竖向裂缝；在底部深度h等于17 m时,隧道于范围[-12 m,12 m]里产生的力为拉力,这种拉力会使隧道部分位置出现隆起；这部分隧道可能将会隆起；在范围[-0.5L,0.5L]里,产生的压力逐渐降低,到最后会变成拉力,但力的值较小。因此竖向、水平附加荷载的大小会因为深度h的变大而降低,大埋深隧道还是具有保护隧道的作用,但作用较小。

3.3 基坑长度的影响

只对基坑开挖尺寸中的L长度进行调整,将长度L设为28 m、24 m、20 m、16 m、12 m这几个数值。不改变其他参数,并且对荷载进行计算使不考虑损失率β,计算结果见图3。图3结果表示,作用于隧道上的附加荷载不会因为基坑长度L的变化而发生太大的改变。当长度L增大时,水平荷载值呈现出先提高后逐渐平稳的趋势,荷载峰值在57 kN/m附近；竖向附加荷载值则呈现出：在整体上隧道承受压力,但在隧道两头所受的力为拉力。

图3 不同L下隧道附加荷载变化规律

3.4 基坑宽度的影响

只对基坑开挖尺寸中的B宽度进行调整,将宽度B设为18 m、14 m、10 m、6 m、2 m这几个数值。不改变其他参数,计算结果见图4。

图4 不同B下隧道附加荷载变化规律

图4（a）结果表示,当宽度B增大时,水平荷载值呈现出逐渐增大的趋势,且各宽度B之间荷载的增加值大致相同,这一现象类似于图1（a）。不过水平附加荷载在±L部位处的大小与0接近。宽度B等于18 m和14 m时的水平荷载峰值为85.2 kN/m和68.4 kN/m,均比报警值要大。这表示水平荷载受到宽度B的影响程度较大,所以在开挖基坑时要控制好基坑的开挖宽度,避免使隧道产生较大的变形。图4（b）结果表示,隧道竖向荷载会因为宽度B的变化而变化,变化规律类似于图1（b）。在基坑宽度B为10、6、2的时候,隧道于范围[-17 m,17 m]里受到的力为压力,且荷载也较小；在基坑宽度B为18、14的时候,隧道于范围[-12 m,12 m]里受到的力为拉力,且竖向荷载也较大。

4 结论

本文以某基坑工程为例子,分析了基坑开挖对隧道荷载的影响因素进行了分析,得到了如下结论：

（1）当隧道和基坑越近时,水平附加荷载呈现出以稳定速度增加的趋势；当最小净距为3 m和1 m的时候,荷载峰值达到了67.7 kN/m和84.1 kN/m,均比报警值要大,比较危险。竖向荷载的变化规律呈现为在范围[-12 m,12 m]里,随着最小净距的增大,竖向荷载变化曲线逐渐从“M 型”变成了“单顶点凹曲线”。

（2）隧道受到的附加荷载不会因深度h的变化而出现较大的改变。当深度增大时,水平荷载值呈现出先提高后逐渐变弱的趋势,在深度等于14 m处水平附加荷载达到峰值,为55.06 kN/m；竖向、水平附加荷载的大小因为因为深度h的变大而降低,大埋深隧道具有保护隧道的作用,但作用较小。

（3）作用于隧道上的附加荷载不会因为基坑长度L的变化而发生太大的改变。当长度L增大时,水平荷载值呈现出先提高后逐渐平稳的趋势,荷载峰值在57 kN/m附近；竖向附加荷载值则呈现出：在整体上隧道承受压力,但在隧道两头所受的力为拉力。

（4）当宽度B增大时,水平荷载值呈现出逐渐增大的趋势,且各宽度B之间荷载的增加值大致相同；水平荷载受到宽度B的影响程度较大,所以在开挖基坑时要控制好基坑的开挖宽度,避免使隧道产生较大的变形。