基坑开挖对临近隧道变形影响研究

郭继勇

(新疆水利水电项目管理有限公司,乌鲁木齐 830000)

1 概 述

随着我国基础建设的快速发展,城市密度大幅提高,地上空间资源利用紧张,而地下空间的高效利用可将土地资源利用率最大化,因此基坑工程的发展越来越迅速。但由于设计及施工不当,基坑变形及对临近建筑的影响等问题在建设过程中时有发生。

为科学应对基坑开挖过程中对临近建筑物的影响,许多学者进行了相关研究。何忠明等［1］基于FLAC3D数值有限元,研究了深基坑施工对临近地铁隧道变形影响。结果表明,支撑刚度、地连墙厚度及嵌固深度对临近隧道变形均会产生影响,隧道水平位移随基坑施工时间变得越来越突出。白洋［2］基于有限元,分析了基坑开挖施工对邻近地铁隧道结构的影响。结果表明,采用SMW工法桩+三轴搅拌桩止水帷幕进行支护,可以显著减小基坑施工随既有隧道的影响,达到保护隧道的目的。陈辉［3］基于现场实测数据,分析了郑州地区某临近地铁隧道的超大深基坑开挖对临近地铁隧道影响。结果表明,采用分区跳仓施工可以大幅减少对既有隧道的影响,且随着基坑的开挖,隧道表现出横长竖短的椭圆压缩状态。江威、齐娟［4］基于现场监测,研究了武汉地铁二号线隧道两侧基坑工程开挖施工对临近地铁隧道的变形影响,分析隧道侧移和沉降的原因,提出了合理的支护形式建议。詹剑青、刘添俊［5］基于数值模拟,研究了深基坑开挖对临近地铁隧道影响。结果表明,当隧道在基坑正下方时,开挖对隧道的影响最显著;当隧道在基坑侧面时,隧道的变形表现出先增大后减小的趋势。马永峰等［6］基于三维数值模拟,研究了软弱土基坑开挖对临近隧道的影响。结果表明,不进行加固的基坑不能保证隧道的安全运营,基坑开挖过程中要保证支撑刚度。马永峰等［7］研究了软土区临近隧道基坑施工分析及方案优化,通过方案比选给出了最优基坑支护方案。张红勇［8］基于数值模拟,研究了基坑开挖对临近地铁隧道力学性状的影响。结果表明,隧道变形和内力改变随基坑开挖深度的增大而增大,实际工程中要合理进行支护。郭典塔等［9］基于有限元数值模拟,研究了紧邻地铁隧道基坑开挖对隧道结构的影响。结果表明,基坑深度、距离等参数对临近隧道的变形有较明显的影响,并在研究基础上给出了基坑开挖合理的支护方式和施工工艺。

本文基于三维数值模拟,建立基坑开挖模型,研究深基坑开挖对临近隧道变形的影响,为类似工程的施工及设计具提供参考与借鉴。

2 工程概况及数值模型

2.1 工程概况

研究区地处软土带,基坑开挖深度24m,面积13 500m2,其中基坑距旁侧隧道的最小距离为8m。根据钻孔资料,基坑岩层由上至下分别为素填土、粉质黏土、残积土和强风化安山岩。

2.2 模型建立

采用MIDAS软件,建立典型三维数值计算模型,见图1。为减小模型范围对计算结果的影响,适当增大建模范围,其中模型长×宽×高为200m×200m×50m。模型的边界条件为:底面为3个方向全约束,四周约束水平位移,顶部为开挖自由边界。岩土体计算本构为摩尔-库伦模型,岩土体、地下连续墙及内支撑分别采用3D单元、2D板单元和1D杆单元,接触面设置GOODMAN接触单元。此外,为了与实际情况相符合,本文考虑列车荷载,在隧道底部施加20kN/m的线荷载。

2.3 材料参数

计算采用的岩土体材料参数主要基于钻孔取样的室内土工试验以及参考既有相关研究获得,最终使用的材料参数汇总见表1。计算中,假定地连墙弹性模量、泊松比和重度分别为28GPa、0.21和25 kN/m3;内支撑弹性模量、泊松比和重度分别为25GPa、0.15和24 kN/m3;衬砌结构弹性模量、泊松比和重度分别为25GPa、0.22和25 kN/m3。

表1 岩土体物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 计算结果与实测结果对比

为验证本文数值模拟的准确性,隧道拱顶和左拱腰变形的计算结果与实测结果对比见图2。由图2可知,左拱腰水平位移和拱顶沉降位移数值模拟与实测结果基本一致,模拟值与实测值的相对误差在10%以内,表明本文的数值模拟是合理的。

图2 隧道位移计算结果与实测结果

3.2 基坑与隧道间水平距离的影响

图3为隧道拱顶和左拱腰随着基坑距隧道距离变化的变形曲线。由表3可知,拱顶沉降曲线和左拱腰水平变形趋势均表现出抛物线形态。拱顶和拱腰变形随着距隧道距离的增大而减小,并在基坑中心处变形达到最大。当基坑距隧道距离为4、6、8、10和12m时,拱顶的最大沉降值分别为11、8.1、4.3、2.6和1.1mm。因此,当水平距离大于8m时,基坑开挖对隧道的变形影响减小。此外,左拱腰的最大水平位移值分别为13.6、8.1、6.6、4.0和2.5mm,且拱腰的水平位移峰值发生在基坑中部位置,随着距离的增大,影响越来越不显著。图3表明,当不考虑列车荷载时,拱顶最大沉降值为9.1mm,而左拱腰最大水平位移为9.8mm。

图3 隧道不同位置变形曲线

图4为隧道开挖阶段地下连续墙的变形规律。由图4可知,地连墙的变形随深度增大而先增大后减小。在深度为10m位置处,变形达到最大,最大值分别为16、13.4、11.2、10.3和9.6mm。因此,随着距离的增大,基坑开挖对地连墙的变形影响也越来越弱。综合以上分析得出,基坑与隧道的安全距离为大于8m。根据隧道拱顶和左拱腰的变形结果发现,隧道变形均未超过规范规定的最大预警值,因此隧道是安全的。

图4 地下连续墙变形曲线

3.3 地连墙嵌固深度影响

为了进一步研究地连墙嵌固深度对隧道变形的影响,在地连墙嵌固深度分别为1、4、7和10m工况下,隧道拱顶和左拱腰处的变形曲线见图5。

图5(a)表明,当地连墙嵌固段深度由1m增大至10m时,隧道拱顶的沉降由开始的12.4mm减小至5.5mm,减小比例为55.6%。由此可见,增大地连墙嵌固深度对减小隧道变形有积极作用。图5(b)为左拱腰在不同地连墙嵌固深度下的变形规律,总体来看,拱腰变形趋势表现出与拱顶变形相同的规律。综合以上分析,地连墙嵌固深度对隧道变形影响较大,但当地连墙嵌固深度增大至一定程度时,其影响有限。对于本文基坑而言,地连墙合理嵌固深度为7m。

图6为嵌固段深度对地连墙变形的影响。由图6可知,增大嵌固深度可以显著减小地连墙变形和基坑变形,但随嵌固深度的进一步增大,嵌固深度的影响逐渐变小。

图5 隧道不同位置变形曲线

图6 隧道不同位置变形曲线

4 结 论

本文基于数值模拟,研究了基坑开挖对临近隧道的变形影响规律,结论如下:

1)与现场监测数据相比,左拱腰水平位移和拱顶沉降位移的数值模拟结果与现场实测结果基本一致,模拟值与实测值的相对误差在10%以内,表明本文的数值模拟是合理的。

2)拱顶沉降和拱腰变形随着距隧道距离增大而减小,变形在基坑中心位移达到最大。当基坑距隧道距离分别为4、6、8、10和12m时,拱顶的最大沉降值分别为11、8.1、4.3、2.6和1.1mm。因此,当基坑距隧道的距离大于8m时,基坑开挖对隧道变形影响减弱。因此,实际基坑施工中需预留最小安全距离。

3)增大地连墙嵌固深度对减小隧道变形有积极作用。当地连墙嵌固段深度由1m增大至10m时,隧道拱顶的沉降由12.4mm减小至5.5mm,但当地连墙嵌固深度增大至7m时,嵌固段长度对临近隧道和支护变形的影响同样逐渐减弱。