張建新，王傳慶，欒開運

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，天津300384;2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津300384)

基坑開挖是對開挖面以下土體的卸荷過程，不可避免地會引起坑底土體的回彈隆起[1－3]，從而使得騎跨于鄰近既有隧道之上的基坑開挖施工的難度和風(fēng)險度加大。王路[4]以北京地鐵10號線光華路站西側(cè)國貿(mào)三期變電站基坑開挖為背景，研究基坑開挖對其一側(cè)鄰近既有隧道變形與應(yīng)力的影響，結(jié)果表明隧道上半部有遠離基坑的位移趨勢，且最大位移發(fā)生在隧道拱頂部;下半部產(chǎn)生靠近基坑的位移趨勢，且最大位移發(fā)生在隧道拱底部。本文基于ABAQUS軟件，以天津市含水量大、強度低和壓縮性高的軟土為背景，對基坑開挖引起的鄰近既有下臥隧道的變形進行了三維有限元數(shù)值模擬計算，并對基坑開挖對鄰近既有下臥隧道的上、下行線及其頂、側(cè)、底面的豎向和水平位移的影響進行對比分析。

1 基坑施工數(shù)值模擬

1.1 工程概況

基坑工程位于天津市鬧市區(qū)，長條形基坑尺寸為100 m×30 m，開挖深度為8 m，分兩層開挖，每層開挖4 m，采用灌注樁圍護結(jié)構(gòu)，樁墻深16 m，共設(shè)兩道支撐;既有隧道分上、下行線，隧道頂部埋深距地面為20 m，隧道直徑為6 m，襯砌厚度為0.35 m;開挖基坑位于既有隧道的上方，相對位置如圖1所示。

1.2 模型建立

模型選取200 m×100 m×100 m的計算域，范圍以1/2基坑為研究對象。土體采用D－P本構(gòu)模型;用混凝土管代替隧道襯砌，隧道與土體之間進行后注漿處理，本文將土體與隧道認為沒有相對位移，簡化為一個整體，即認為隧道隨周圍土體的變形而變化[5]。整個模型除支撐采用梁單元模擬外，其他均采用實體單元模擬。網(wǎng)格模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1，概化后的土層參數(shù)見表2。

有限元模擬過程中，基坑開挖分為3個分析步:(1)計算初始地應(yīng)力;(2)加第一道支撐、開挖第一層土體;(3)加第二道支撐、開挖第二層土體。

表1 混凝土和鋼支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Table of concrete and steel structural parameters

表2 土體物理力學(xué)性能指標Tab.2 Table of soil physical and mechanical properties

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 隧道水平位移分析

分別在上、下行線隧道襯砌管片的頂、側(cè)、底面處進行布點，各點水平位移結(jié)果見表3和圖3。

分析圖3和表3可知，下行線隧道頂、側(cè)、底部各點的水平位移均大于上行線各點的水平位移，分析認為隧道相對變形的大小由其周圍土體豎向與水平向總應(yīng)力的綜合作用決定，下行線位于開挖基坑的邊緣位置，墻后土體在開挖過程中產(chǎn)生較大的主動土壓力，方向指向基坑內(nèi)側(cè)，同時受到豎向卸荷的影響，受到的綜合作用力比較大，而上行線距離基坑邊緣較遠，受主動土壓力的影響較弱，故下行線產(chǎn)生的水平位移大于上行線水平位移。

上、下行線隧道側(cè)點的水平位移均大于其他兩點的水平位移，分析認為是由于基坑開挖引起坑內(nèi)土體豎向卸荷比較大，水平向卸荷相對較小，隧道豎向直徑伸長，水平向直徑壓縮，從而導(dǎo)致側(cè)面產(chǎn)生較大的水平位移。

表3 隧道各點水平位移Tab.3 The horizontal displacement of tunnel

2.2 隧道豎向位移分析

下臥隧道在基坑開挖之前處于受壓狀態(tài)，在基坑開挖范圍內(nèi)，隧道所受壓力隨著基坑的開挖而逐漸減小[6]。在隧道襯砌管片的頂、側(cè)、底面處布點監(jiān)測，各測點的豎向位移計算結(jié)果見圖4和表4。

分析圖4和表4可知，上行線隧道的頂、側(cè)、底部豎向位移均大于下行線各點的豎向位移，認為是由于土體開挖，基坑開挖面以上土體產(chǎn)生的自重應(yīng)力被釋放，導(dǎo)致基底土產(chǎn)生卸荷回彈，以及基坑開挖后圍護結(jié)構(gòu)在其后土體主動作用力下向基坑內(nèi)側(cè)變位，被動區(qū)土體處于類似于三軸拉伸的狀態(tài)，由此產(chǎn)生被動區(qū)土體的三軸拉伸剪切變形，造成坑底隆起，而接近基坑坑底中部位置區(qū)域的隆起量最大。上行線正好處于接近于坑底中部位置下方，而下行線位于基坑邊緣位置，距離基坑底中部較遠，故上行線的豎向位移大于下行線的豎向位移。

表4 隧道各點豎向位移Tab.4 The vertical displacement of tunnel

3 結(jié)語

1)基坑開挖對其下臥隧道的水平、豎向位移有明顯影響。隧道的自身變形表現(xiàn)為豎向直徑增大，水平向直徑減小，影響程度隨隧道沿長度方向距離基坑中心距離的增大而減小。

2)下臥隧道與基坑相對位置的不同對隧道的水平、豎向位移影響不同。位于基坑中部以下的隧道豎向位移較大，而水平位移相對較小;處于基坑底邊緣的隧道水平位移較大，而豎向位移相對較小。

3)同一隧道襯砌管片的不同位置的水平和豎向位移大小不同，隧道頂部位置的豎向位移相對較大，而隧道側(cè)面位置的水平位移相對較大。

[1]靳一.成都市天府廣場下穿隧道基坑支護工程實錄[J].四川理工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，18(3):78－81.

[2]孟文清，秦志偉，張亞鵬，等.CSP熱連軋機主傳動系統(tǒng)扭振分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，27(4):5－8.

[3]柳家海.基坑空間效應(yīng)影響區(qū)長度的探討[J].中國煤炭地質(zhì)，2011，23(6):40－41.

[4]王路.基坑開挖對鄰近既有隧道的影響分析[D].北京:北京交通大學(xué)，2009.

[5]師曉權(quán).基坑開挖對下臥隧道影響的研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2005

[6]汪小兵，賈堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施[J].城市軌道交通研究，2009(5):52－57.